淤泥质海岸港口适航水深应用研究

淤泥质海岸港口适航水深应用研究许保华河海大学交通学院 海洋学院，江苏南京（ 210098）E －mail ：xbh21c@摘 要：随着淤泥质海岸港口水深的加大，港口回淤加剧，会引起浮泥的发育，将给港口水深维护增加困难。

本文论述并分析了浮泥的特性，详细论述了适航水深、适航增深应用的原理与方法，以及在实际应用中取得的良好经济效益。

因此，在淤泥质海岸港口水深维护中应用适航水深、适航增深的方法成为必然趋势。

关键词：回淤，浮泥，适航水深，适航增深0. 引言我国淤泥质海岸主要分布在辽东湾、渤海湾、莱州湾、苏北、长江口、浙闽港湾和珠江口外等岸段，其总长度在4000km 以上，约占全国海岸线长度的四分之一。

淤泥质海岸的主要特征为：岸滩物质组成较细，泥沙中值粒径＜0.031mm ，泥沙颗粒间有粘结力，在海水中呈絮凝状态；在潮、浪作用下，泥沙运动主要呈悬沙输移，在沙源充沛地区，能发现“浮泥”现象。

50D 淤泥质海岸滩宽水浅，建港难度较大，但有的大河河口或河口湾也可找到掩护条件较好的深水岸段，这里往往腹地广阔，水陆集疏运条件好，可发展为重要港口，如上海港、天津新港、广州港等。

随着船舶大型化趋势的发展，船舶吃水越来越深，因此港口对水深要求越来越高。

随着水深的增大，淤泥质海岸港口的回淤将十分严重。

以下为淤泥质海岸航道回淤的计算公式[1]： {}θθγωcos 121sin 121212321101⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=d d d d K d d K t S P （1） 式中―浅滩平均水深（m ），―航道开挖水深(m) 1d 2d 由2212121422289121⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−d d d d d d 可知，航道开挖水深增大时，航道回淤强度会显著增大。

2d 淤泥质海岸港口回淤加剧给港口水深维护增加了困难。

以天津港[2]为例，该港因25－26号泊位的设计水深达-16.5m ，形成一个相对水深较大的凹坑，泥沙迅速汇集，回淤速率剧增，若按原来的水深静态维护方式，每年至少需维护挖泥4次，这是很难实施的。

天津港15～25万t 级航道，港池与泊位正在加速建设，设计水深将达-18.4～-20.8m 以上，如此深水域的泥沙回淤速率，预计可达 3.6～4.6m/a 及以上。

无论对港口生产，还是对维护疏浚，都是难以想象的。

因此，回淤加剧后，维护疏浚的工程量十分巨大，而且维护挖泥周期短，所挖浮泥密集时间少，容重较小，此时挖泥会浪费大量工程量，而挖泥次数增多将给港口正常生产带来不利影响。

深水航道挖槽水深越来越大，回淤加剧，水体中悬移的泥沙增多，滩槽水深比进一步加大，航槽水深条件必将更有利于浮泥的发育，浚挖的泥沙抛沉于航道两侧时，床面的泥沙容重小，起动容易，在遇到合适的动力条件，则集中于航槽，形成浮泥层，浮泥回淤问题可能更加突出。

在浮泥发育期间，如何利用浮泥的特性减少回淤疏浚成本，如何减小浮泥对船舶航行的影响无疑具有重要的现实意义。

这在客观上要求我们对浮泥的特性进行更为深入的研究。

1. 浮泥1.1 浮泥容重浮泥是淤泥质河口、海岸地区特有的一种泥沙现象，即悬沙絮凝沉降于床面形成的高浓度浑水体。

根据上海航道局用FE －101双频道（200kHZ 及5kHZ ）回声探测仪，高浓度γ－测沙仪测量和浮泥分层采样器进行实验室分析结果，浮泥面容重和浮泥层底容重在长江口分别为1.04t/m 3和1.25 t/m 3，在珠海九洲港为1.05 t/m 3和1.30 t/m 3。

将双频测深所得到的高频下界面和低频下界面之间的泥水混合层称之为浮泥层。

可分为2个亚层[3]：（1） 伪塑性层：在垂向上，该层浮泥重度增幅较小，具有流动性。

（2） 塑性层：该层浮泥重度垂向增幅较大，向下逐渐过渡为致密的淤泥层。

当泥沙颗粒容重为2.65 t/m 3时，浮泥含沙量（干容重c γ）和浮泥容重（湿容重ωγ）有下列关系：c γγω623.01+= （2）1.2 浮泥的泥沙组成一般来说，只有河口海岸泥沙粒径D 50<0.01mm 时，才有可能出现浮泥。

根据长江口的测量，在浮泥层，小于0.002mm 的粘粒的含量占28.2％～36.4％，泥沙颗粒愈细，出现和形成浮泥的机会愈多。

塘沽新港（底质D 50<0.005mm ）、连云港（底质D 50<0.0039mm ）、珠江口伶仃洋（底质D 50<0.005mm ）等河口与港口都曾测到浮泥。

1.3 浮泥层的厚度在自然状态下，长江口浮泥厚度只有0.1～0.4m ，在人工挖槽中到达1.2m 。

如果没有挖槽，浮泥层厚度是不会达到1.2m 的，参考边缘的浮泥层厚度0.6m ，由于挖槽加深的原因，挖槽浮泥层厚度加大0.6m ，才达到了1.2m 。

因此，挖槽挖的愈深，则浮泥层的厚度就会愈大。

广东珠海九洲港1987年10月港池浮泥层平均厚度1.8m ，同期航道平均1.3m 。

连云港庙岭港区1979年9月18日试挖槽内浮泥层厚度约3.4m ，外航道内约1.0m 。

1.4 浮泥在静水条件下的沉降固结特性静水条件下的浮泥沉降固结试验[4]。

试验所用水沙取自长江口，水体含盐度19.5‰，泥沙多为粘性细颗粒物质。

有机玻璃沉降筒，筒高150cm ，直径15cm 。

配制了3种水样，含沙量分别为80kg/m 3、110 kg/m 3、 140kg/m 3。

从清浑水界面形成开始观测，按计划从筒内同时搅拌，静置2d 。

在此期间，对样品重度进行了观测。

试验表明在试验开始后1min ，筒内就出现清浑水界面。

此后，3种样品都经历了均匀沉降、过渡沉降、压缩沉降等阶段。

一般说来，在其他条件相同的情况下，含沙量越高，均匀沉降所需时间越长，过渡沉降所需时间越短。

3种样品的均匀沉降（静水）速度分别为0.033mm/s 、0.027 mm/s 、0.022 mm/s 。

在沉降阶段，重度迅速增加。

当重度达到1.20g/cm 3左右时，其增加速度趋缓，进入压实固结阶段。

1.5 浮泥的流变特性浮泥属于宾汉体，满足以下本构方程[4]：dYdV p ηττ+=0 （3） 式中：τ－屈服应力，0τ－初始刚度或极限屈服应力，p η－粘滞系数，－流速梯度。

dY dV /屈服应力基本有2个值，在低剪切速率范围的和高剪切速率范围的1y τ2y τ。

根据试验得到：2个屈服应力与体积含沙浓度C v 呈指数关系。

可根据确定适航深度浮泥重度范围。

可将该层浮泥定为“流变特性跃变层”（RT ）。

在RT 层以上，浮泥性质与水相似，几乎不存在抗剪切力，可供行船之用。

而在RT 层以下，浮泥抗剪性能大增，向下过渡为比较致密的淤泥层，逐渐丧失可航行性。

1y τ1.6 浮泥特性分析从浮泥以上特性可以看出：（1）浮泥层可分为两层，伪塑性层和塑性层。

伪塑性层在垂向上浮泥重度增幅较小，具有流动性，浮泥性质与水相似，几乎不存在抗剪切力，可供行船之用。

（2）泥沙颗粒愈细，出现和形成浮泥的机会愈多，淤泥质海岸泥沙粒径D 50<0.031mm ，故很有可能出现浮泥。

（3）在自然状态下，浮泥层厚度都不大，当出现人工挖槽或局部出现较大水深时，浮泥层厚度迅速增大。

因此，在淤泥质海岸港口的水深维护过程中，浮泥是必须考虑的重要问题。

在实际生产中，人们对浮泥层部分可供航行的特性加以利用，应用适航水深、适航增深的方法对港口水深进行动态维护，节省了大量疏浚工程量，取得了很好的经济效益。

2. 适航水深2.1 原理适航水深是指高频测深仪反射面以下能确保船舶安全航行与靠泊作业的小容重浮泥下界面之水深。

适航水深应用就是将淤泥质港口与航道的现行水深图（高频测深）图载水深以下的适航浮泥层记入航深，应用自然状态下淤泥密度符合适航标准的较稀的上部泥层。

2.2 适航水深的确定方法（1）根据流变特性[5.6.7]。

屈服应力与体积含沙浓度C 1y τv 呈指数关系，可以根据屈服应力随体积含沙浓度C 1y τv 变化的关系曲线上曲率半径最小的这一点的屈服应力值来确定与其对应的体积含沙浓度C 1y τv ，再由体积含沙浓度C v 与重度之间的关系确定适航水深下界面浮泥重度值γ。

浮泥的流变性质受粒度、盐度、温度、粘土矿物组合等各种环境因素和性质的影响，各个地区与C 1y τv 关系曲线上的转折点所对应的γ值不一样，相差较大，因此，各个地区的γ值必须根据各个地区浮泥的流变特性来确定。

（2）实船试验。

这是最直接有效的方法，但投入人力物力过大，很多时候条件不允许这样做。

（3）测出浮泥层底板深度，即采用双频道回声测探仪测量水深，将双频道回声测探仪低频上界面水深作为适航水深。

根据低频上界面处浮泥重度值来确定浮泥适航水深。

目前国内一般直接测量浮泥层下界面深度来确定浮泥适航水深。

事实上，在浮泥发育地区，浮泥的流变特性是影响船舶航行的主导因素之一。

因此，在缺乏实船试验资料的情况下，可利用流变特性确定适航水深，同时参考垂向重度测试和沉降固结试验成果，综合分析确定适航水深。

2.3 测量成图与应用范围可根据上述方法先确定适航水深下界面浮泥重度值。

采用走航式适航水深测量系统进行测量。

利用浮泥作为适航水深时可以向航行部门提供以下测图：（1）普通水深图：标出由210kHz回声测探仪测出的水与浮泥交界面处的深度；（2）密度图：标出由走航式适航水深测量系统测得的密度为γ值的层面的深度；（3）适航水深图：将普通水深图与密度图相结合，在利用浮泥作为适航水深的区域，将γ值密度层的深度取代210kHz回声测探仪测得的深度。

《水运工程测量规范》规定[8]，浮泥层大于0.4m的水域才可以使用适航水深，即当适航水深接近设计通航水深时，适航浮泥层厚度大于0.4m的区域才能应用适航水深。

3. 适航增深3.1 原理适航增深，是在适航水深应用研究的基础上，最近深入研究所获得的科技成果。

适航增深，即将容重大于适航容重临界值的较稠的浮泥，采用人工方式进行搅稀，使之容重小于适航临界值，达到适航要求，增加适航深度，充分利用浮泥的适航潜力。

3.2 增深方法根据宾汉模型，浮泥宾汉流体具有很高的触变性，在剪切力的作用下，其原始结构极易破坏，使流动阻力减小。

因此适航增深过程中可采用机械扰动的方法，在天津港的水深维护中采用了以下方法[9]：在适当的泥沙重度界面处均匀地注入高压空气与高压水，高压空气入水后上浮并不断扩大体积，可将上层泥沙漂起，形成密度符合适航标准的稀浮泥，达到增深作用。

3.3 应用特点适航增深并非一直进行，存在一定限制条件。

若按适航水深淤浅速率为高频测深回淤速率的50％计算，那么，进行第二次适航增深时，淤泥适航资源仅剩25％，每增深1次，适航资源按50％递减。

因此，适航增深在两次挖泥期间最多进行2次为宜。