適航深水技術(shù)在中國(guó)港口中的應(yīng)用

適航深水技術(shù)在中國(guó)港口中的應(yīng)用

中國(guó)有許多大型泥港，如港口、云臺(tái)港、上海港、寧波港、汕頭港、廣州港、深圳港和臺(tái)灣港。其中，部分港口沉積物回泥嚴(yán)重，維護(hù)疏浚量大，給港口企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。在臺(tái)風(fēng)和冷潮的影響下，一些港口也會(huì)發(fā)生突然的泥漿，這也會(huì)導(dǎo)致正常的航行。泥漿主要由細(xì)粘土和沉積物組成，致密、緩慢，顆粒重量的垂直面分布不均，從表面逐漸增加。另一方面，表面上的沉積物體積中所含的泥沙量較小，因此維護(hù)疏浚的效率較低。另一方面，表面重量較小的泥漿具有類似于水的流動(dòng)特性。在海上航行和錨泊期間，船底的骨頭與不會(huì)受到影響，船的操作性能沒有明顯影響。因此，可以用作深水來(lái)增加港口的水深，避免資源浪費(fèi)。利用合適的旅行水深技術(shù)可以為泥質(zhì)港口公司節(jié)省大量資金。然而，目前只有六個(gè)港口（或香港）正式采用適宜的航行水深，這迫切需要充分利用自然資源。中國(guó)適宜的航深技術(shù)應(yīng)用潛力很大。1適航深水界面的泥石流特性港口水深測(cè)量通常采用高頻測(cè)深儀,其反射面為水-淤泥的交界面,經(jīng)大量實(shí)測(cè)資料證實(shí)這一反射面淤泥重度約為10.3kN/m3,因此,作為港口通航使用依據(jù)的圖載水深是指當(dāng)?shù)乩碚摶嬷林囟?0.3kN/m3淤泥面的距離.而適航水深,則是原高頻測(cè)深儀所測(cè)水深加上其反射面以下能確保船舶安全航行與停泊作業(yè)的小重度回淤層下界面的厚度.小重度回淤層厚度可稱為適航厚度(見圖1).衡量淤泥層或回淤層中適航水深下界面淤泥特性的參數(shù)有淤泥的動(dòng)力黏度η、含沙量ρ和重度γ等物理量.考慮到淤泥重度γ的單位為kN/m3,與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制中單位一致,且概念清晰,測(cè)定方便,因此,適航水深下界面淤泥特性參數(shù)宜采用適航淤泥重度γ表示.2適航泥石流度的確定適航水深資源的開發(fā)利用,能給港口企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益,自20世紀(jì)30年代以來(lái),許多國(guó)家都進(jìn)行過大量的研究與應(yīng)用.荷蘭的鹿特丹(Rotterdam)港對(duì)進(jìn)港航道中的浮泥特征及其對(duì)船舶的影響做了大量研究后,將11.8kN/m3作為確定回淤層中適航厚度的判斷標(biāo)準(zhǔn),并用這個(gè)值所處的層面作為確定航道底部的高程;比利時(shí)澤布勒赫(Zeebrugge)港在確定適航水深時(shí)不僅考慮重度,而且還根據(jù)淤泥的流變特性確定了該港適航水深下界面的淤泥重度值為11.3～12.3kN/m3;德國(guó)埃姆登(Emden)港適航淤泥重度值為12.0～12.2kN/m3;在泰國(guó)曼谷(Bangkok)、蘇里南帕拉馬里博(Paramaribo)海岸沿線均采用淤泥重度12.1kN/m3為確定適航水深的標(biāo)準(zhǔn);印度的科契(Cochin)港、委內(nèi)瑞拉的馬拉開波(Maracaibo)港、法國(guó)的波爾多(Bordeaux)港、南特·圣納澤爾(Nantes-Saint-Nazaire)港、敦刻爾克(Dunkirk)港的適航淤泥重度值均采用了11.8kN/m3;英國(guó)還頒布了有關(guān)適航水深應(yīng)用的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《海工建筑物》(BS6349),適航淤泥重度值采用11.8kN/m3.我國(guó)許多港口如天津港、連云港、長(zhǎng)江口、寧波港北侖港區(qū)蝦峙門航道、汕頭港外航道和珠海港等,針對(duì)如何有效利用港池航道中的適航資源,曾開展了多項(xiàng)研究并積累了一定的經(jīng)驗(yàn),為我國(guó)適航水深的研究和應(yīng)用做出了貢獻(xiàn).適航水深的應(yīng)用主要涉及2個(gè)關(guān)鍵問題:適航淤泥重度的確定和適航水深的測(cè)量.確定各港口的適航淤泥標(biāo)準(zhǔn)重度是安全、合理使用適航水深的前提,但因各港淤積物組成、顆粒級(jí)配、含鹽度等不同,其數(shù)值也有可能會(huì)不同,因此需要在充分掌握回淤泥沙特性的基礎(chǔ)上,通過試驗(yàn)來(lái)綜合確定各港的適航淤泥重度值.適航水深的測(cè)量是應(yīng)用適航水深的關(guān)鍵,目前測(cè)量方法主要有重力式器具法、走航式適航水深測(cè)量系統(tǒng)、密度計(jì)法、測(cè)深儀配合密度計(jì)法等,但通常多采用重力式器具法和走航式適航水深測(cè)量系統(tǒng).2.1適航泥石流粒度天津港為典型的淤泥質(zhì)海岸港口,1999-2003年期間,針對(duì)天津港現(xiàn)狀的泥沙問題,對(duì)適航水深進(jìn)行了一系列研究,通過下述3種手段確定了適航淤泥重度值.2.1.1泥樣長(zhǎng)度測(cè)定1999-05-2000-04期間,在三爪鉈測(cè)深垂線上采集泥樣967個(gè),測(cè)定重度變化范圍均介于12.2～13.0kN/m3之間,其中85%的泥樣重度值為12.7kN/m3,由此,天津港適航水深下界面淤泥重度值可取12.7kN/m3.2.1.2曲線突變點(diǎn)與加拉著力率關(guān)系根據(jù)淤泥流變?cè)囼?yàn),獲得低剪切率時(shí)初始剛度與重度的關(guān)系和高剪切力率時(shí)動(dòng)力黏度與重度的關(guān)系.借鑒比利時(shí)的澤布勒赫港經(jīng)驗(yàn),以曲線的曲率半徑突變點(diǎn)作為確定標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù),該突變點(diǎn)大多數(shù)都在12.5kN/m3左右.2.1.3不穩(wěn)定樁型地質(zhì)及臨界重度在沒有實(shí)船試驗(yàn)的條件下,采用船模在實(shí)際淤泥中的運(yùn)動(dòng),測(cè)定阻力的變化狀況也是一種較為直觀的試驗(yàn)方法.試驗(yàn)采用2種船型(U型和V型)、2種運(yùn)動(dòng)速度,測(cè)定模型船在不同重度淤泥中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力(Ri),繪出相對(duì)阻力Ri/Ro(Ro為模型船在水中以同樣速度運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力)與淤泥重度的關(guān)系曲線.結(jié)果表明,無(wú)論何種船型以何種速度運(yùn)動(dòng),在淤泥重度較小時(shí),相對(duì)阻力Ri/Ro的變化都很緩慢,當(dāng)淤泥重度達(dá)到某一臨界值后,Ri/Ro隨重度的變化十分迅速,可得到臨界重度值變化范圍介于12.0～12.5kN/m3之間.依據(jù)上述3種方法確定數(shù)值,并結(jié)合有關(guān)浮泥的研究和一段時(shí)間的試用,綜合確定天津港適航水深淤泥重度值為12.7kN/m3.通過幾年的實(shí)際應(yīng)用,在延長(zhǎng)維護(hù)疏浚時(shí)間、減少維護(hù)土方量、提高維護(hù)疏浚效率、節(jié)約維護(hù)費(fèi)、提高碼頭的使用率等方面都取得了較好的效果,例如1998年10-12月發(fā)生強(qiáng)淤現(xiàn)象,東突堤周邊港池和當(dāng)時(shí)南疆四港池的淤積厚度分別達(dá)1.22m和1.77m,港池水深明顯不足,但一直到1999年9月才進(jìn)行疏浚維護(hù),并未影響碼頭的正常使用.截止到2005年,適航水深的應(yīng)用已為天津港節(jié)約資金超過億元,同時(shí)也為《淤泥質(zhì)海港適航水深應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的編寫提供了最基礎(chǔ)的資料,為我國(guó)適航水深技術(shù)的推廣應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn).2.2港池航道回適用適航泥石流的試驗(yàn)國(guó)華臺(tái)山電廠煤港自2004年建成使用后,泥沙回淤現(xiàn)象十分明顯,強(qiáng)臺(tái)風(fēng)侵入時(shí),港池航道還會(huì)產(chǎn)生驟淤,給電廠燃煤的正常供應(yīng)帶來(lái)了困難.2006年初本文作者與港方共同開展了適航水深應(yīng)用研究,通過港池航道回淤泥樣顆分試驗(yàn)、水力特性試驗(yàn)(起動(dòng)和沉降)、密實(shí)試驗(yàn)等,掌握了回淤泥沙的基本特征,并開展了淤泥流變?cè)囼?yàn)和船模阻力試驗(yàn)來(lái)研究適航淤泥重度值.2.2.1不同剪切率時(shí)剪切力與粗糙度、黏度的關(guān)系利用從港池、航道中采集的泥樣,在試驗(yàn)室內(nèi)配制了7種重度的淤泥,測(cè)定其在不同剪切率時(shí)的剪應(yīng)力和黏度,并繪制了從低到高多種剪切率時(shí)剪切力與重度、黏度與重度的關(guān)系圖,繪制的某剪切率時(shí)剪應(yīng)力與淤泥重度的關(guān)系曲線如圖2所示.其結(jié)果表明:在淤泥重度較小時(shí),剪切力(或黏度)變化均較緩慢;當(dāng)淤泥重度達(dá)某一臨界值后,剪切力(或黏度)隨重度的增加而迅速增加.經(jīng)流變?cè)囼?yàn)確定的適航淤泥重度值約為12.3kN/m3.2.2.2國(guó)外投運(yùn)后臨界重度值利用現(xiàn)場(chǎng)所取的5t左右的泥樣配制了9種重度淤泥,測(cè)量了港口代表船型的船模以8種速度在淤泥中運(yùn)行時(shí)的阻力,然后繪制了相對(duì)阻力Ri/Ro與重度的關(guān)系曲線,確定的臨界重度值變化范圍為12.0～12.5kN/m3.綜合淤泥流變?cè)囼?yàn)和船模阻力試驗(yàn)結(jié)果,并參考國(guó)內(nèi)外的研究經(jīng)驗(yàn),確定臺(tái)山電廠煤港適航水深淤泥重度值為12.3kN/m3.在2006-2007年期間,臺(tái)山海域接連受到“珍珠”、“杰拉華”、“派比安”、“帕布”等超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)影響,國(guó)華臺(tái)山電廠港池航道出現(xiàn)了嚴(yán)重淤積,但由于電廠成功地利用了適航水深技術(shù),保證了煤船安全進(jìn)港靠泊碼頭,使發(fā)電燃煤得以正常供應(yīng),同時(shí)還有效地減少了船舶滯港時(shí)間和滯港費(fèi),獲取了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.2.3適航深水資源為推廣并規(guī)范適航水深技術(shù)的應(yīng)用,交通部組織天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所和天津水運(yùn)勘察設(shè)計(jì)院,在大量收集國(guó)內(nèi)外資料并廣泛征求意見的基礎(chǔ)上,結(jié)合天津港、臺(tái)山電廠煤港等港口的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),開展了《淤泥質(zhì)海港適航水深應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的編寫工作.該規(guī)范于2006年11月由交通部發(fā)布(編號(hào):JTJ/T325-2006),2007年5月1日起實(shí)施.在《淤泥質(zhì)海港適航水深應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》頒布后,適航水深技術(shù)得到了推廣,但目前正式、公開應(yīng)用適航水深的港口,只有天津港、國(guó)華臺(tái)山電廠煤港、連云港、深圳港大鏟灣港區(qū)、廣州港南沙港區(qū)和深圳港西部港區(qū)等6個(gè)港口或港區(qū),我國(guó)的適航水深資源還有待于進(jìn)一步開發(fā)利用.總結(jié)我國(guó)適航水深的研究方法和測(cè)量手段以及適航資源情況于表1.天津港綜合分析了三爪鉈測(cè)量、流變?cè)囼?yàn)和船模阻力試驗(yàn)3種方法的結(jié)果,確定了適航淤泥重度值;臺(tái)電煤港由于三爪鉈可操作性較差沒有采用,而依據(jù)流變?cè)囼?yàn)和船模阻力試驗(yàn)的結(jié)果綜合確定適航淤泥重度值,這2種方法也寫進(jìn)了《淤泥質(zhì)海港適航水深應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》.而且在后續(xù)開展的連云港、深圳港大鏟灣港區(qū)、廣州港南沙港區(qū)和深圳港西部港區(qū)的適航水深應(yīng)用研究中,均采用了流變?cè)囼?yàn)和船模阻力試驗(yàn)來(lái)綜合確定適航淤泥重度值.在流變?cè)囼?yàn)時(shí),天津港繪制的是低剪切率時(shí)初始剛度與重度的關(guān)系和高剪切率時(shí)動(dòng)力黏度與重度的關(guān)系曲線圖,而臺(tái)山電廠煤港則分別繪制了從低到高多種剪切率時(shí)對(duì)應(yīng)的剪切力(或黏度)與重度的關(guān)系,2種方法各有利弊,但曲線的形狀和變化規(guī)律基本一致,都能找出臨界淤泥重度.經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明,2種方法確定的適航淤泥重度值都是安全的.船模阻力試驗(yàn)中,天津港和臺(tái)電煤港均繪制了相對(duì)阻力Ri/Ro與淤泥重度的關(guān)系曲線,但這個(gè)參數(shù)的物理意義不夠明確,也不能與流變?cè)囼?yàn)采用的剪應(yīng)力相互對(duì)應(yīng),因而《淤泥質(zhì)海港適航水深應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》推薦采用船模阻力代替相對(duì)阻力,繪制船模阻力與淤泥重度的關(guān)系曲線,并從中確定適航標(biāo)準(zhǔn)重度值.深圳港大鏟灣港區(qū)、廣州港南沙港區(qū)和深圳港西部港區(qū)均采用這種方法,繪制的關(guān)系曲線圖如圖3所示.2.4適航適用泥沙為了給其它尚未應(yīng)用適航水深的淤泥質(zhì)港口提供參考,匯總國(guó)內(nèi)港口的適航淤泥重度值與對(duì)應(yīng)的泥沙部分特征值見表2.由表2可知,除天津港因適航水深主要應(yīng)用在泊位而選用了較大的數(shù)值12.7kN/m3外,其他港口的適航淤泥重度值介于11.8～12.3kN/m3,相差不大;經(jīng)各港回淤泥沙的中值粒徑和黏土含量比較,已研究的各港中泥沙中值粒徑基本相當(dāng),均在0.0050mm左右,而黏土含量也相差不大,主要在43%～52%之間.我國(guó)多個(gè)尚未應(yīng)用適航水深的淤泥質(zhì)港口的泥沙粒徑也很細(xì),黏土含量也較高,因而可以判斷這些港口也具有應(yīng)用適航水深的條件,其適航淤泥重度值也將在11.8～12.7kN/m3之間.但需要說明的是,真正應(yīng)用適航水深時(shí)還應(yīng)利用港口現(xiàn)場(chǎng)泥沙通過試驗(yàn)來(lái)科學(xué)確定,以保證船舶的安全.2.5適航泥石流重度的確定在不影響船舶安全的前提下,考慮到泊位、港池區(qū)域船舶航速較慢和泥沙受擾動(dòng)變化,可適當(dāng)增大適航淤泥重度值,取流變?cè)囼?yàn)和船模阻力試驗(yàn)結(jié)果的上限值,以進(jìn)一步利用適航資源,節(jié)約維護(hù)疏浚費(fèi)用,即適泊水深.本文作者將此概念引入到連云港適航水深研究中,在確定適航淤泥重度值時(shí),劃分了港池泊位區(qū)和航道區(qū),分別采用試驗(yàn)結(jié)果的上、下限值,港池泊位采用12.4kN/m3,航道為12.2kN/m3.通過1年多的實(shí)際應(yīng)用,證明這是安全合理的.在研究確定深圳港西部港區(qū)的適航淤泥重度時(shí)也采用了這種方法,確定港池泊位采用12.2kN/m3,航道為11.8kN/m3.2.6引航員應(yīng)配合船舶的意見由于各船舶在船型結(jié)構(gòu)、航道流壓以及泥漿水對(duì)舵效產(chǎn)生的影響等方面不盡相同,使用適航水深時(shí),各船舶遇到的問題也有所不同,因此安排船舶利用適航水深進(jìn)港時(shí)應(yīng)充分重視船長(zhǎng)的意見.而且引航員應(yīng)同被引領(lǐng)船舶的船長(zhǎng)加強(qiáng)溝通,并做好詳細(xì)記錄,及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題以便解決和改進(jìn);為了保障使用適航水深的船舶的安全,在航道拐彎處或調(diào)頭區(qū)旋轉(zhuǎn)以及靠泊碼頭時(shí),可以適當(dāng)增加拖輪的艘數(shù);為避免輪船在使用適航水深過程中,海水濾器堵塞給主、輔機(jī)運(yùn)行帶來(lái)危險(xiǎn),利用適航水深進(jìn)港的船舶需要關(guān)閉低位冷卻進(jìn)水口,而采用高位冷卻進(jìn)水口;船舶要慢速航行,并注意主機(jī)負(fù)荷、主機(jī)轉(zhuǎn)速、船速和船舶的下沉量,同時(shí)還應(yīng)注意航道流壓,可采用拖輪協(xié)助,使船舶保持在航道上.3需要解決的問題3.1實(shí)船載荷試驗(yàn)研究目前國(guó)內(nèi)尚未進(jìn)行過實(shí)船試驗(yàn),其原因除實(shí)船試驗(yàn)費(fèi)用昂貴外,也存在著難以正確掌握船舶入淤泥層深度、控制實(shí)際航行速度和保證測(cè)量精度等問題.因此國(guó)內(nèi)多采用室內(nèi)船模阻力試驗(yàn),測(cè)定船模在不同淤泥中以各種速度航行時(shí)所受阻力的方法來(lái)分析實(shí)船航行的安全性,并確定適航淤泥重度值,經(jīng)多個(gè)港口的實(shí)踐表明,總體結(jié)果是安全的.但有條件的港口可以嘗試開展該項(xiàng)研究工作,為安全評(píng)價(jià)積累更多的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn).3.2適航深水測(cè)量周期和驗(yàn)證港池和航道中的適航厚度會(huì)隨時(shí)間變化,因此需要確定適航水深測(cè)量周期,從而避免盲目性的定期觀測(cè)造成人力、財(cái)力的浪費(fèi),也可避免測(cè)量周期過長(zhǎng)而增加適航水深使用的不安全性.適航水深(適航厚度)與港口的泥沙狀況、回淤?gòu)?qiáng)度、水動(dòng)力強(qiáng)弱、邊界條件、設(shè)計(jì)水深等多種因素有關(guān),因此應(yīng)按各港口的實(shí)際情況,通過港區(qū)適航、適泊水深的大量測(cè)量、整理并收集資料,在實(shí)踐中確定該港的適航水深測(cè)量周期及有效期.在尚未確定測(cè)量周期前,建議針對(duì)整個(gè)應(yīng)用