天津南港地区吹填土的流失率及控制试验研究

刘璟，刘伟，张陈浩

（1.中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津 300461；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461）

0 引言

近年我国沿海经济的发展迅速，疏浚吹填造陆工程越来越多，在这些工程施工中，吹填土的流失不仅影响施工进度，造成工程成本的增加，而且还严重影响环境。因此，如何降低流失量成为降低工程成本的关键所在。为此，通过研究吹填土的性质及吹填工艺、开展吹填流失量的监测，并优化泄水口设计，将可控范围内的吹填流失量降到最低，达到节省成本的目的，并为今后规范的编制和类似工程积累数据，提供技术支持。

本文以南港工业区港区航道挖泥结合吹填造陆工程为试验背景，采集了吹填过程中流量、过水断面面积、挡板高程、泥面高程、流径等数据，对南港地区吹填土的流失率及控制进行相应的研究。

1 疏浚吹填土特性分析

天津南港工业区港区航道、港区挖泥结合吹填造陆工程造陆面积800余万m2，共有吹填一区和吹填三区，采用绞吸挖泥船实施吹填作业。

根据地质勘察资料，取泥区地层从上到下依次为：第四系全新统海相沉积层、第四系全新统海陆交互相沉积层（）、第四系全新统冲积层（。

根据勘察报告可知，开挖深度范围内土质以淤泥、淤泥质土、粉质黏土等细颗粒土为主，疏浚土级分别为1~3级；土质易于疏挖，但是吹填后容易产生流失，且完工后沉降较大。

经分析得到取泥区土质密度和含水量统计指标如表1。

表1 取泥区土质指标统计表Table1 Quality index statisticsof theselected soil

2 流失量（率） 监测与研究

2.1 泄水口布置及监测概况

一区先后设立两组泄水口（如图1、图2）。第一组孔径1 m，由30根长度为45.0 m、直径为1.0 m疏浚输泥管拼排而成，管间距不等；第二组由26根长度为45.0 m、直径为0.7 m疏浚输泥管拼排而成，管间距不等，一般为1.0～3.0 m。一区泄水口流失量监测时间段为2010年1月18日—3月22日。

图1 吹填区泄水口布置图Fig.1 Arrangement of the drain opening in reclamation area

图2 泄水口现场观测图Fig.2 Field observationsof thedrain opening

三区泄水口由40根长度为45.0 m、直径为1.0 m疏浚输泥管拼排而成，管间距不等，一般为1.5～2.5 m，流失量监测时间段为2011年3月—9月。

2.2 监测内容

为测定疏浚吹填区外泄泥水中固体流失量[1]，并探索与流失量相关的影响因素，现场监测的主要项目包括：流量、过水断面面积、挡板高程、吹填区内的水面高程、泥面高程、流径及吹填量。现场每3 d监测1次并采取泥水样，室内进行固泥浆密度、固体含量和颗粒分析试验。

根据试验得到一区、三区流失土的数据（表2） 和流失率结果（表3）。

表2 一区和三区流失泥水的物性指标Table 2 Material indicatorsof the muddy water lossinthe first district and the third district

表3 流失率结果统计表Table 3 Lossrateresults

可以看出：

1） 一区和三区流失土的颗粒平均粒径均较小，平均粒径为0.006～0.008 mm；

2）一区和三区流失土综合流失率约30%。

2.3 流失量（率） 分析

影响流失量（率）的主要因素[2]包括：挡板上溢水高度、吹填量、流径、初始库容和吹填土质情况。现场疏浚施工采用分段分层开挖，且多条施工船舶同时施工，因此根据现场的工况及监测条件只对挡板上溢水高度、吹填量、流径、初始库容与流失量（率）关系进行分析。

2.3.1 挡板上溢水高度与流失量关系

将挡板上溢水高度与流失量单独列出分析，以挡板上溢水高度为X，以单位时间流失量为Y，绘制散点图，并绘制散点图包络线，结果如图3。

可以看出两个区域瞬时流失量随挡板上溢水高度的降低（插板加高）整体呈下降的趋势。但是挡板高度不变时流失量的变化范围较大，一区0~0.9 t/s、三区0~1.5 t/s。表明其影响因素对流失量的影响也较大。

图3 挡板上溢水高度与单位时间流失量散点包络线分析图Fig.3 Envelope analysis on the overfall height on baffle with the lossamount scatter per unit time

2.3.2 吹填量与流失量关系分析

根据观测数据，以日吹填量为X，以对应的日流失量为Y，绘制折线图，如图4。

图4 三区部分时间段流失量与吹填量变化趋势图Fig.4 Variational trend of the lossamount and reclaimed amount of the third district in certain time

根据图4分析：当挡板高度一定时流失量与吹填量变化趋势完全一致，流失量随吹填量的增减而增减，表明吹填量对流失量的影响较大，是吹填过程中应该重点关注的因素。

2.3.3 流径与流失量关系分析

根据流体力学理论，相同的流速情况下流径越长，液体含固率越低，流失量会相应减少，但是在实际测量中，因流径等参数测量误差较大，流径与流失量的相关性表现不明显，详见图5。

图5 流径与流失量变化趋势图Fig.5 Variational trend of the flow path and lossamount

从图5可知：

1） 吹填前期流径与流失量的变化趋势较一致，后期关系不明显；

2） 吹填前期流径与流失量相关，但相位超前。即流径先产生变化一段时间后流失量才发生变化。

2.3.4 初始库容与流失率的关系

实测数据表明吹填区的初始库容与流失率相关，初始库容越大，吹填初期吹填区的蓄水能力越强，对减小整体流失率的作用越明显。

三区流失率结果统计表明，吹填后期的流失率约为吹填全程流失率的1.7倍。

2.3.5 吹入量、有效库容与流失率的关系分析

根据工程经验和监测数据分析可知：在某一固定吹填区域内进行吹填造地时，对吹填流失率影响最大的因素[3]是吹入量（泥水总量）以及吹填区的有效库容（泥面与水面间的空间）。下面就根据监测得到的数据并利用matlab7.0软件对这3项监测数据进行拟合分析得到拟合方程：

式中：n为吹填流失率，%；Q为吹入量（泥和水的总量），万m3；V为有效库容，万m3；R2为公式拟合度，数值较大，相关性较好。

3 泄水口优化方案

在影响流失量（率）的关键因素中，通常吹填量、吹填土质是固定的，难以改变，而挡板上溢水高度、初始库容都与泄水口有密切的关系，因此泄水口设计是吹填流失量控制的关键点。研究分析后，制定了新的泄水口工艺方案，具体方案如下：

1）采用管式泄水口与闸式泄水口组合来调整排水情况，如图6所示；

2）组合泄水口的初始库容面积通过提高泄水口闸门插板的初始高度方式进行增加；

图6 管式泄水口与闸式泄水口组合结构示意图Fig.6 Composite structureof the tubu-type drain opening and the brake-type drain opening

3）挡板上溢水高度可以视施工进度采用组合泄水口闸门插板的方式进行相应的调节。

通过以上方法，流失率得到明显改善，经过检测平均约为20%。这样大大减少吹填量，增加了施工进度，降低了工程成本，保护了环境。

4 结语

1）本文以南港工业区港区航道、港区挖泥结合吹填造陆工程作为试验背景，采集了流量、过水断面面积、挡板高程、吹填区内的水面高程、泥面高程、流径、吹填量、固泥浆密度、固体含量和颗粒分析试验，并进行分析评价，得到流失土物性指标和流失（量）率。

2）本文定量分析了土颗粒粒径、泄水口挡板上过水厚度、吹入量、库容、流径5个因素与流失率的相关关系，为控制流失率提供了理论依据，并据此提出了控制流失率的具体措施。

3） 分析了吹入量、有效库容与流失率的关系，得到了相对应的经验关系公式。

4）分析了流失率与泄水口关系，并对泄水口设计进行相应调整，使流失率明显降低，为日后规范的编制和类似工程积累数据，提供依据和指导。

[1] 钱宁，万兆惠.泥沙运动力学[M].北京：科学出版社，2003.QIAN-Ning，WANZhao-hui.Dynamics of sediment movement[M].Beijing：Sciences Press，2003.

[2] 南港地区吹填流失量研究报告[R].天津：中交天津港航勘察设计研究院有限公司，2011.Research report on loss amount of reclamation in Southport area[R].Tianjin：CCCCTianjin Port&Waterway Prospection&Design Research Institute Co.，Ltd.，2011.

[3]JTS181-5—2012，疏浚与吹填工程设计规范[S].JTS181-5—2012，Design Code for Dredging and Reclamation Works[S].