淤泥質(zhì)海岸航道建設(shè)期泥沙回淤監(jiān)測方法

淤泥質(zhì)海岸航道建設(shè)期泥沙回淤監(jiān)測方法

沙氏回歸的特征是船舶施工期間和正常運(yùn)行中的一個(gè)重要問題之一。在航道施工期間，監(jiān)測沙子回收率的內(nèi)容和方法與正常航道運(yùn)行時(shí)不同。航道的開挖施工會對泥沙回淤造成較大影響,根據(jù)不同時(shí)間水深圖計(jì)算出的航道沿程水深變化極其不均勻,有時(shí)甚至?xí)什煌瑺顟B(tài),例如天津大沽沙航道某段時(shí)間內(nèi)某斷面的水深加深在4.0m以上,而相鄰(間距僅500m)斷面卻淤淺2.0m,成為施工期間所特有的現(xiàn)象。施工還會對泥沙的物質(zhì)組成及其特性產(chǎn)生影響,另外,在淤泥質(zhì)海岸航道,泥沙還可能會以浮泥形式存在,其厚度及平面分布狀況也會影響到建設(shè)方的施工安排。1泥沙回淤實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備為了更好地掌握航道建設(shè)期的泥沙回淤狀況,應(yīng)開展多方面的現(xiàn)場監(jiān)測和室內(nèi)實(shí)驗(yàn),主要包括航道水深、回淤物質(zhì)組成、回淤泥沙特性和回淤層厚度及密度垂向分布等;同時(shí)為了盡可能地提高監(jiān)測成果的可靠度,還應(yīng)采用多種方法,進(jìn)行多角度的定性、定量分析。1)現(xiàn)場水深監(jiān)測。每個(gè)月份均進(jìn)行水深測量并繪制水深圖,為港方和施工方及時(shí)掌握施工進(jìn)度和施工效果提供最直接的依據(jù),也為泥沙回淤分析提供基礎(chǔ)的資料?，F(xiàn)場測量可采用高頻水深測量儀,其信號反射面對應(yīng)的淤泥密度一般在1.03~1.05t/m3;也可采用雙頻水深測量系統(tǒng),其低頻頻率不宜高于33kHz,其信號可至開挖底床面再反射。2)淤泥的物質(zhì)組成。不同物質(zhì)組成的淤泥的物理特性、水力特性等有較大差異,因而需要進(jìn)行現(xiàn)場回淤物質(zhì)取樣,并進(jìn)行室內(nèi)顆粒分析實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)備相對較為成熟。另外,作為正在開挖的航道,還應(yīng)與開挖前的灘面泥沙的物質(zhì)組成進(jìn)行對比分析,以掌握開挖前后的泥沙物質(zhì)組成的變化情況。3)回淤物質(zhì)的基本特性。包括泥沙水力特性(沉降、起動(dòng)等)、密實(shí)特性和流變特性等,可通過泥沙起動(dòng)實(shí)驗(yàn)、泥沙沉降實(shí)驗(yàn)、靜水密實(shí)實(shí)驗(yàn)和流變實(shí)驗(yàn)等來確定,實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)備同樣較為成熟。4)回淤層厚度及淤泥密度垂向分布現(xiàn)場監(jiān)測。在淤泥質(zhì)海岸,航道中可能會產(chǎn)生較厚的回淤層,由于細(xì)顆粒泥沙密實(shí)過程緩慢,上層回淤物的容重較小,導(dǎo)致維護(hù)疏浚施工效率降低;同時(shí),實(shí)際的淤積物密實(shí)是一個(gè)復(fù)雜過程,它受水流流速的影響,也受新的淤積物的加入以及船舶擾動(dòng)的影響等,淤泥密度垂向分布難以在室內(nèi)模擬。因而應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測,確定淤泥層的厚度及密度垂向分布狀況,從而為施工工藝的選擇和工程量計(jì)方標(biāo)準(zhǔn)提供參考。可采用泥漿密度計(jì)直接測量出淤泥密度隨水深的變化曲線,并分析得出淤泥層的厚度值;也可采用重力式取樣器,分層取樣,然后再測量各層對應(yīng)的淤泥密度值。5)泥沙回淤規(guī)律分析。主要包括回淤強(qiáng)度及回淤量計(jì)算、回淤強(qiáng)度的時(shí)間及空間分布等。泥沙淤積厚度的計(jì)算,有多種方法,常用的有數(shù)學(xué)模型計(jì)算、公式計(jì)算、斷面法和體積法等。其中后兩種方法均直接應(yīng)用實(shí)測水深來計(jì)算,得出固定斷面處或某個(gè)區(qū)域的平均水深變化,即泥沙沖淤厚度值,這兩種方法不需要人為調(diào)整參數(shù),可靠度相對更高,在航道正常運(yùn)行中的泥沙回淤狀況分析時(shí)常被采用。但是在航道開挖施工期間,受施工影響可能會出現(xiàn)淤積厚度偏小,甚至存在多處水深加深很大的現(xiàn)象,此時(shí)水深變化值往往不能真正代表泥沙實(shí)際的回淤狀況。這時(shí)就需要借助數(shù)學(xué)模型或者利用當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)公式,計(jì)算施工期間航道中每個(gè)季度的泥沙淤積強(qiáng)度和泥沙回淤量,并分析淤強(qiáng)分布規(guī)律。6)泥沙淤積趨勢的判斷。根據(jù)泥沙淤積的時(shí)、空分布規(guī)律和當(dāng)?shù)氐哪嗌抄h(huán)境,預(yù)測泥沙淤積的趨勢,為下階段的施工安排提供科學(xué)依據(jù)。2開挖土方量計(jì)算為了提高成果的可信度,還需針對計(jì)算、分析成果做進(jìn)一步的對比分析工作,可采用不同的資料和方法進(jìn)行相互校核。常用的方法主要有:1)類比法。與相鄰或相似港口進(jìn)行對比分析,包括淤泥基本特性、回淤分布規(guī)律等2)與實(shí)際挖方量推算出的平均淤積厚度對比分析。在不考慮泥沙回淤情況下,單純依據(jù)水深測圖,可采用以下公式計(jì)算開挖土方量:開挖土方量計(jì)算值=(開挖后水深-開挖前水深)×開挖面積(1)但實(shí)際上航道開挖期間泥沙回淤是不可避免的,因而實(shí)際的開挖工程量要大于單純的計(jì)算開挖土方量,可采用如下公式計(jì)算:實(shí)際挖方工程量=開挖土方量計(jì)算值+施工期間的回淤量(2)在式(2)中,實(shí)際挖方工程量可以由施工方或港方提供,而開挖土方量可依據(jù)水深測圖采用式(1)計(jì)算得到。因此,施工期間的回淤量可采用式(3)計(jì)算。施工期間的回淤量=實(shí)際挖方工程量-開挖土方量計(jì)算值(3)計(jì)算結(jié)果與采用斷面計(jì)算出的回淤量對比分析,從而更好地掌握航道的淤積狀況。3大沽沙運(yùn)河施工期間的污泥回收率3.1航道設(shè)計(jì)尺度為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,滿足天津臨港工業(yè)區(qū)對運(yùn)輸?shù)男枨?自2006年10月開始在海河口南治導(dǎo)線北側(cè)開挖建設(shè)1條5萬噸級通海航道,地理位置見圖1。港池航道工程所在的水域自然水深較淺,內(nèi)航道及港池的海底高程為2.0~-2.0m,向外水深逐漸增大,平均海底坡度為1/2000,港池、航道均需開挖方成。航道設(shè)計(jì)尺度為:長度29.5km,底寬190m,底高程-12.5m,邊坡1:5。2008年11月底航道建設(shè)完成。在2006年10月—2008年11月期間,每個(gè)月均進(jìn)行了高頻水深測量,并依據(jù)測圖采用公式計(jì)算、固定斷面法和體積法等計(jì)算了各季度的泥沙回淤厚度,還進(jìn)行了泥沙特性實(shí)驗(yàn)和淤泥層密度現(xiàn)場測量等工作。3.2砂取樣的反應(yīng)3.2.1主客觀組織特征為了更好地掌握天津大沽沙航道的回淤泥沙特性,沿港池、航道布設(shè)了多個(gè)固定測點(diǎn),于2008年4,5,7,8,9,10和11月共進(jìn)行了7次底質(zhì)取樣,并開展了室內(nèi)顆粒分析實(shí)驗(yàn)。為了了解施工期間底質(zhì)的時(shí)、空分布變化規(guī)律,以D50為研究對象,將7次顆分實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行對比可得出如下結(jié)論:1)大沽沙5萬噸級航道中的底質(zhì)顆粒較細(xì),7個(gè)月的泥沙D50介于0.0025~0.0182mm,平均為0.0049mm,同時(shí)黏土含量大多也在40%以上,從這一角度可以判斷該海域?qū)儆诘湫偷挠倌噘|(zhì)海岸。2)底質(zhì)平面分布。進(jìn)一步按測點(diǎn)所在的位置劃分為泊位、過渡段和航道3塊研究區(qū)域,可知其平均D50分別為0.0053mm,0.0048mm和0.0048mm,回淤物質(zhì)粒徑平面分布較均勻,但粒徑由岸向海略微呈現(xiàn)出由粗到細(xì)的規(guī)律。3)底質(zhì)隨時(shí)間變化特征。從不同季節(jié)取樣結(jié)果來看,秋季的底質(zhì)泥沙最粗,多月平均D50為0.0058mm;春、夏季基本相當(dāng),平均D50為分別為0.0041mm和0.0042mm,但7月份(夏季)的平均D50為最細(xì),為0.0038mm。由此可見,底質(zhì)泥沙的變化與氣候的變化有著密切的關(guān)系,在風(fēng)浪較強(qiáng)的季節(jié)回淤泥沙較粗,而在小風(fēng)浪季節(jié)則較細(xì)。3.2.2灘面泥沙與航道開挖回淤泥沙的特征比較為了掌握航道開挖前、后的泥沙顆分組成變化情況,收集了有關(guān)灘面泥沙資料進(jìn)行對比分析。2004年5,7,10,12月和2005年3月,在本工程區(qū)附近沿-2m,-5m和-7m等深線共設(shè)12個(gè)取樣點(diǎn),取樣季節(jié)可分為春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié),基本上代表了不同季節(jié)的變化情況。所取泥樣經(jīng)過粒度分析,得出了不同季節(jié)各測點(diǎn)處的灘面泥沙的特征。與航道開挖建設(shè)期間的回淤泥沙相比,主要有如下異同:1)航道開挖前灘面泥沙平均中值粒徑約為0.0082mm,大于航道回淤泥沙的粒徑(D50=0.0049mm),即航道開挖過程中回淤的泥沙的粒徑有所細(xì)化。2)從各季實(shí)測資料來看,本海區(qū)的灘面泥沙從岸向海呈現(xiàn)出由從粗到細(xì)的分布規(guī)律:在近岸-2m水深處泥沙的平均中值粒徑為0.0094mm;在-5.0m水深處為0.0088mm,而在-7m水深處降為0.0065mm。因此開挖前后的泥沙粒徑平面分布規(guī)律基本相同。3)從不同季節(jié)取樣結(jié)果來看,本海區(qū)灘面的底質(zhì)泥沙秋、冬季最粗,平均中值粒徑為0.0100mm;春季次之,平均中值粒徑為0.0078mm;夏季最細(xì),平均中值粒徑為0.0057mm。故泥沙粒徑的時(shí)間分布規(guī)律,開挖前后也基本相同。大沽沙航道的回淤泥沙和開挖前的灘面泥沙相比,粒徑細(xì)化,而所表現(xiàn)出的時(shí)、空分布規(guī)律均基本相同,因而可以推斷航道兩側(cè)的灘面泥沙是施工期間航道回淤泥沙的來源之一,而且泥沙運(yùn)動(dòng)形式主要以懸移質(zhì)為主,這也符合細(xì)顆粒泥沙起動(dòng)即懸揚(yáng)并隨潮流移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。3.3港池、航道的浮泥厚度在2008年的5,7—11月共進(jìn)行了6次的固定站位淤泥密度測量,測量儀器采用荷蘭Densitune音叉密度計(jì)。圖2為某次測量的結(jié)果。從密度垂向分布曲線中可提取出不同水深對應(yīng)的淤泥密度值,可知,密度垂向并不均勻,上層淤泥密度小,隨水深增加,淤泥密度逐漸增大,這主要是由于淤泥的逐漸密實(shí)和上層不斷有新落淤的泥沙加入造成。小于某一密度值的淤泥具有一定的流動(dòng)性,稱為浮泥,其密度值的上、下界面值可取1050和1300kg/m3。并以密度值1400kg/m3為淤泥的下界面,統(tǒng)計(jì)6次測量的浮泥厚度和淤泥總厚度?？芍?泊位區(qū)域的浮泥厚度介于0.03~0.42m,淤泥總厚度介于0.11~0.53m,即泊位區(qū)域的淤泥層較薄。港池區(qū)域,11月的浮泥層最大厚度達(dá)到0.63m,最大淤泥厚度為0.88m,但其它幾個(gè)月份的測量結(jié)果基本同于泊位水域,淤泥層厚度同樣較小。航道區(qū)域淤泥厚度相對要大一些,但航道沿程厚度分布并不均勻,其中以H4+0和H6+0相對較大。如2008年5月測量的H4+0處的浮泥和淤泥層總厚度分別為2.14m和3.04m,其密度垂向分布曲線如圖2所示。施工期間的臨港工業(yè)區(qū)港池、航道的浮泥層較薄,淤泥總厚度也很小。但是航道H4+0~H8+0段淤泥層厚度相對較大。分析認(rèn)為目前該航段恰為大沽沙航道的口門段,而研究成果已表明口門區(qū)更容易產(chǎn)生淤積,所以淤泥層相對也就較厚。3.4沉積物回收率分析3.4.1泥沙強(qiáng)度及積水量由于受開挖、疏浚施工影響,多個(gè)固定斷面各時(shí)段的水深變化值為負(fù)值,即水深加深,導(dǎo)致難以統(tǒng)計(jì)這些斷面的淤積強(qiáng)度,因此將該航道粗略地劃分為3大區(qū)域:港池至航道H4+0段、口門區(qū)(H4+0~H9+0)和航道拐彎點(diǎn)以內(nèi)附近段(H9+0~H15+0)。選取受疏浚影響相對較小的斷面水深變化值(為進(jìn)一步減小施工影響,而采用鄰近多個(gè)斷面的平均值),按淤泥密度1.4t/m3(依據(jù)淤泥密實(shí)過程及現(xiàn)場淤泥密度垂線分布并參考天津港有關(guān)研究成果得到)折算成各季度的淤積強(qiáng)度,并進(jìn)而計(jì)算出施工期間年度淤積強(qiáng)度和淤積量,見表1。其中,由于秋季的開挖、疏浚施工幾乎影響到了港池、航道整個(gè)區(qū)域,無法統(tǒng)計(jì)該季的泥沙回淤數(shù)據(jù),考慮到有關(guān)研究成果已表明該航道春、秋兩季淤積情況相近,故秋季的泥沙回淤強(qiáng)度可采用春季的數(shù)值代替,以便于進(jìn)一步計(jì)算年回淤強(qiáng)度和回淤量。由表1可知,施工期間臨港航道拐彎點(diǎn)以內(nèi)段的年度淤積強(qiáng)度,平均為1.0m。并據(jù)此計(jì)算了5萬噸級航道底寬范圍內(nèi)和港池區(qū)域的總淤積量為343萬m3,其中港池至航道H4+0段、口門區(qū)(H4+0~H9+0)和航道拐彎點(diǎn)以內(nèi)附近段(H9+0~H15+0)的淤積量分別為149萬,116萬和78萬m3。3.4.2泥沙回淤強(qiáng)度的季節(jié)變化根據(jù)泥沙回淤計(jì)算結(jié)果(表1),大沽沙航道各季度回淤強(qiáng)度并不完全相同:冬季,航道H15+0以內(nèi)段的平均淤積強(qiáng)度為0.29m,而春季、夏季分別為0.25m,0.18m。相比而言,夏季淤積厚度最小,冬季最大。分析認(rèn)為,泥沙回淤強(qiáng)度呈現(xiàn)出的這種季節(jié)性,是與該海區(qū)含沙量具有明顯的季節(jié)性相對應(yīng)的。根據(jù)2004年和2005年共5次水文全潮資料得出的本海區(qū)水體含沙量分布特征值可知,夏季水體含沙量最小,平均約為0.06kg/m3;秋季約為0.09kg/m3;冬季最大,平均約為0.121kg/m3,為夏季的2.2倍;春季為0.08kg/m3。而各季含沙量的變化,又主要受氣候的變化影響,水體含沙量的高低主要取決于風(fēng)浪的強(qiáng)弱及風(fēng)時(shí)的長短等。從本區(qū)的氣象資料分析來看,夏季為無風(fēng)季,風(fēng)浪較弱,秋、春兩季,受寒潮的影響風(fēng)浪增強(qiáng),冬三月的風(fēng)浪最強(qiáng)。因此,夏季風(fēng)浪最小,含沙量就最小,相應(yīng)泥沙回淤強(qiáng)度也最小;冬季風(fēng)浪最大,含沙量就最大,則回淤強(qiáng)度最大。3.4.3泥沙對含沙量的縱向分布特征由表1可知,盡管用來統(tǒng)計(jì)泥沙回淤的3大區(qū)域的劃分相當(dāng)粗略,但泥沙回淤還是表現(xiàn)出了航道沿程分布不均勻的特征,以口門區(qū)域的泥沙回淤強(qiáng)度最大,年度回淤強(qiáng)度在1.2m左右;而內(nèi)、外兩側(cè)航道的淤積強(qiáng)度相對較小,港池至航道H4+0段為1.0m,而外海H9+0~15+0航段淤強(qiáng)僅為0.7m左右。泥沙回淤呈現(xiàn)出的這種空間分布特征是由含沙量呈外海小、近岸大的分布特征造成的。依據(jù)掌握的實(shí)測資料(2004年和2005年共5次),本海區(qū)含沙量的縱向(由岸向海)分布呈由大到小的規(guī)律:在-2m水深處,多次實(shí)測平均含沙量約為0.094kg/m3,向外至-5.0m水深處,平均含沙量約為0.073kg/m3,水體含沙量有較大幅度的下降;而到-7m水深處,平均含沙量降至為0.070kg/m3,比-5m線有所降低但不明顯。這說明本海區(qū)的高含沙水域主要是在-5m線以內(nèi),也是在波浪破波帶之內(nèi),而向外海水深的增加減小了風(fēng)浪對床面泥沙的掀動(dòng)作用,含沙量較小。口門以內(nèi)的內(nèi)航道和港池的泥沙主要是由漲潮流挾帶從口門而來,由于泥沙不斷落淤,水體含沙量沿程(遠(yuǎn)離口門)逐漸減小,從而含沙量整體上以口門段最大。含沙量呈口門處最大的分布特征,將造成口門段的淤積最為嚴(yán)重。目前口門恰在H7+0附近,因而此段淤積強(qiáng)度相對最大。3.5對累積條件的回顧和分析3.5.1航道底寬回淤量計(jì)算結(jié)果由港方提供的2007—2008年度15+0以內(nèi)段的實(shí)際開挖工程量為2324萬m3。采用2008年11月末的測圖和2007年12月的測圖作為計(jì)算開挖土方量的依據(jù),采用公式(1)計(jì)算得到航道15+0以內(nèi)段設(shè)計(jì)底寬內(nèi)的土方量為1905萬m3。采用公式(3),由實(shí)際開挖工程量和計(jì)算開挖土方量,計(jì)算得到施工期間的回淤量為419萬m3。由實(shí)際開挖工程量推算的回淤量與斷面法計(jì)算出的數(shù)值有所差異,分析認(rèn)為,斷面法計(jì)算出的回淤量(343萬m3)對應(yīng)的淤泥容重已折算成1.4t/m3,而由實(shí)際開挖工程量推算的回淤量由于缺少資料無法折算,但折算系數(shù)將小于1.0,即淤積量的折算值將小于419萬m3。因此可以認(rèn)為計(jì)算回淤量與實(shí)際回淤量在同一個(gè)數(shù)量級。3.5.2口門區(qū)段設(shè)計(jì)進(jìn)出水沙量為了更好地掌握大沽沙航道的淤積狀況,采用類比法展開分析,即與鄰近的天津港航道實(shí)際維護(hù)疏浚工程統(tǒng)計(jì)的淤積強(qiáng)度進(jìn)行對比分析。文獻(xiàn)中給出了利用天津港航道1994—1998年實(shí)際維護(hù)疏浚工程統(tǒng)計(jì)的淤積強(qiáng)度,結(jié)果表明外航道淤積強(qiáng)度向外海沿程減小,口門附近(H9+0~H10+0)淤強(qiáng)最大為2.1m,至H4+0~H5+0已經(jīng)減小為0.5m,再向外海小于0.13m,基本不淤。臨港航道回淤計(jì)算表明,口門區(qū)段淤強(qiáng)最大,但小于天津港航道口門處(兩口門對應(yīng)邊灘水深相差不大)淤強(qiáng),僅為1.2m左右,初步分析原因如下:1)航道規(guī)模。當(dāng)時(shí)天津港外航道水深12.0m,底寬為180m;臨港航道本年度一直處于開挖建設(shè)階段,航道深度、寬度都處于不斷增大狀態(tài),直到2008年11月份才達(dá)到設(shè)計(jì)水深12.5m,底寬190m。在航道達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之前,對原有水流泥沙環(huán)境的破壞程度相對