秦亮，李金峰，楊正軍

（1.中交天津航道局有限公司，天津 300461；2.中交天津港航勘察設計院有限公司，天津 300461）

耙吸船溢流泥沙回淤仿真研究

秦亮1，李金峰1，楊正軍2

（1.中交天津航道局有限公司，天津 300461；2.中交天津港航勘察設計院有限公司，天津 300461）

從泥沙沉降速度原理出發(fā)，在考慮流速垂向分布、船型、潮流、顆粒級配等因素的情況下，針對風浪對沉降的影響、顆粒絮凝沉降進行了簡化考慮。應用MATLAB等軟件，編寫了具有GUI界面的仿真程序，實現(xiàn)對耙吸船溢流施工過程中的泥沙擴散情況的仿真。將通途輪在某航道工程施工過程進行仿真和分析，驗證了模型的適用性，并對該工程的溢流泥沙回淤情況做出了評價。

耙吸船；溢流；泥沙；回淤；仿真

0 引言

耙吸船在疏浚過程中溢流產(chǎn)生的懸浮泥沙，一部分會沉積在疏浚區(qū)內(nèi)，另一部分將形成高濃度含沙水體，在重力、波浪、潮流、風吹流等因素作用下運動，沉積在疏浚區(qū)外。因此，研究耙吸船溢流泥沙擴散輸移規(guī)律，以掌握溢流泥沙對航道、港池疏浚效果的影響具有重大意義。

1 泥沙沉降速度

泥沙在靜止的清水中等速下沉時的速度，稱為泥沙的沉降速度（或簡稱泥沙沉速），它是泥沙的重要水力特性之一。

單顆粒泥沙在沉降過程中受到重力、浮力、繞流阻力、附加質(zhì)量力等影響，其運動狀態(tài)與沙粒雷諾數(shù)Re有關(guān)。

當沙粒雷諾數(shù)Re<0.5時，泥沙顆粒基本上沿鉛垂線下沉，附近的水幾乎不發(fā)生紊亂現(xiàn)象，這時的運動屬于層流狀態(tài)，渾液面沉速符合均勻沉降的特點。

當沙粒雷諾數(shù)Re>1 000時，泥沙顆粒脫離鉛垂線以極大的紊動狀態(tài)下沉，附近的水產(chǎn)生強烈的繞動和渦動，這時的運動屬于紊流狀態(tài)，渾液面沉速符合壓縮沉降的特點。

當沙粒雷諾數(shù)0.5

表達單顆粒泥沙沉降速度的通用公式為：

式中：γs為泥沙容重，γ為清水容重，c1及c2是按實測資料確定的無因次系數(shù)。參照有關(guān)資料，用c1=13.95，c2=1.09代入上式可得：

經(jīng)實測資料的驗證表明，式（2）可以同時滿足層流區(qū)、紊流區(qū)及過渡區(qū)的要求。

泥沙在波動水流中的沉降與在靜水中的沉降不同，即泥沙還受波浪紊動的舉力作用而使沉降速度減慢[2]。波浪運動由水面向下逐漸衰減，因此波浪對泥沙沉降速度的減緩作用也由水面向下逐漸衰減。自航耙吸挖泥船溢流施工時吃水較大，在底部溢流時，泥沙開始沉降的水深h往往大于10 m，此時的波浪對溢流泥沙顆粒的沉降影響較小，故本文暫不考慮波浪對泥沙沉降的影響。

另外影響泥沙沉降的因素是含沙量。對于處在分散狀態(tài)的粗顆粒泥沙，由于不存在絮凝現(xiàn)象，當含沙量從0開始逐漸增大時，沉速將從清水單顆粒沉速開始逐漸減小。而對于可能發(fā)生絮凝現(xiàn)象的細顆粒泥沙則不然，當含沙量從0開始逐漸增大時，沉速將從清水單顆粒沉速開始逐漸增大，當沉速達到1個峰值之后，則將隨含沙量的增大而逐漸減小，一直到小于清水單顆粒沉速之后還繼續(xù)減小。沉速大于清水單顆粒沉速的階段，屬于絮凝起主導作用的階段，而沉速小于清水單顆粒沉速的階段，則屬于其它幾種因素起主導作用的階段，含沙量的進一步增加，絮凝結(jié)構(gòu)將充分發(fā)展和迅速擴大，最后形成1個整體絮凝體的下沉，向上的補償水流將穿過絮凝結(jié)構(gòu)中的極不規(guī)則縫隙曲折上行，使阻力加大，因此沉速將進一步減小[3]。

無黏性泥沙高含沙濃度對沉速影響的公式表達為：

式中：ω表示體積含沙濃度為Sv時的群體泥沙沉速，m為指數(shù)。據(jù)Richardson等人的試驗研究，在層流區(qū)m取值為4.65；郭慕孫等人則認為m為4.91；而錢寧等人在試驗中發(fā)現(xiàn)m并非常數(shù)，而與雷諾數(shù)有關(guān)，且隨著雷諾數(shù)的提高而減少，最小時為2.25；由此可見m值變化很大，本文中m視雷諾數(shù)大小取值2.5～4.2。

2 流場模型

近海岸疏浚工程時，大風浪天氣對施工不利，所以施工過程多處于風浪較小的天氣，分析溢流泥沙的回淤情況時，可將流速場適當簡化，主要考慮潮流對流速的變化產(chǎn)生影響。

本文將近海岸流速場假定為三維層流考慮，時間步長Δt如果非常小，可近似地認為流速沒有變化，對整個計算時域內(nèi)進行離散，即計算區(qū)間中的某點的流速，在直角坐標系中x、y、z的分量是隨時間變化的函數(shù)，可建立1個流速場分布的數(shù)據(jù)庫，代入到數(shù)學模型中進行計算，仿真顆粒漂移情況。

三維層流模型中，x向有24個網(wǎng)格，y向80個網(wǎng)格，z向為8層。利用該模型，計算了水流垂直橫越航槽時的水流流速分布，航道斷面流場典型結(jié)果如圖1所示。

3 溢流損失模型

挖泥船在裝艙過程中，進入泥艙中的泥沙不能完全沉淀，當達到溢流桶高度時，未能沉淀的沙和水的混合物會通過溢流管排出艙外。排出艙外的部分即為溢流損失。考慮溢流過程中艙內(nèi)泥漿液面穩(wěn)定，可認為進艙與出艙流量相同。溢流模型見圖2。

耙吸船在進入溢流施工階段，航速較緩，運行軌跡主要受航槽內(nèi)淤積情況控制，航速與海水流速在大小和方向上都在實時地變化，可假定出艙泥漿的初始水平速度與挖泥船航行速度一致，泥漿的最終速度與海水流速一致，此階段泥沙顆粒完全隨泥漿運動，泥漿受到海水阻力，流速呈變加速運動。最終泥沙沉降過程分為兩部分，變加速沉降過程和勻速沉降過程。

泥沙出艙的垂向初始速度表示為出艙流量除以溢流桶面積。泥沙出艙后首先表現(xiàn)為變加速運動，隨著速度的增加或減少，砂粒受到的阻力也在不斷的增加或減少，當砂粒所受的各種力達到平衡時就表現(xiàn)為勻速運動。對于1顆質(zhì)量為M的砂粒，其沉降一般運動方程可表達如下：

F=重力+浮力+阻力+附加質(zhì)量力。

4 仿真程序開發(fā)

具體開發(fā)流程見圖3。

耙吸船裝艙溢流及泥沙在海水中的運動考慮以下過程：

1）挖泥船開始下耙施工，計算入艙濃度，推算出裝艙生產(chǎn)率。

2）判斷泥艙液面是否超出溢流桶高度，如果超出溢流桶高度則計算溢流損失率。

3）建立循環(huán)，對各粒徑顆粒的運動分別進行計算。

4）計算該顆粒的初始水平和垂向速度。

5）判斷是否達到勻速沉降。

6）對顆粒在該時間步長內(nèi)進行沉降計算，并對水平漂移距離進行計算，與該點地形數(shù)據(jù)對比。

7）判斷是否已經(jīng)結(jié)束沉降，如未結(jié)束返回前步繼續(xù)沉降計算。如果沉降結(jié)束輸出結(jié)果，包括沉降耗時，沉降點坐標。

8）通過修正的溢流顆粒比重計算該點坐標的泥沙濃度值。

9）利用MATLAB中的cubic立方插值方法對溢流源強內(nèi)的泥沙濃度進行插值。

5 工程實例

以某港口航道疏浚工程為例，浚深至設計底標高-22.0 m，航道有效寬度397 m，設計邊坡坡比1∶5，潮流流速約1 kn，流向基本與航道軸線垂直。疏浚土質(zhì)級配曲線如圖4所示。

根據(jù)測圖數(shù)據(jù)得到出地形邊界條件，對通途輪某時間段的施工數(shù)據(jù)進行分析，并導入程序中計算結(jié)果如圖5所示。

圖5中可以看出，該段施工時間內(nèi)，在退潮時段，潮位逐漸變低，泥沙沉降時間變短，粒徑在0.05～0.1 mm之間的顆粒主要回淤到航槽底部，粒徑在0.02～0.05 mm之間的顆粒主要回淤到航槽斜坡處，粒徑為0.02 mm的顆粒主要沉積在航槽邊緣，在漲潮時，海水流向調(diào)轉(zhuǎn)，在大風浪的影響下，都會回淤航槽，粒徑小于0.01 mm的顆粒漂移到較遠區(qū)域，回淤航道的可能性較小。

根據(jù)級配曲線所示，本模型計算的結(jié)果是有19.6%的疏浚泥沙將會漂移到航槽外部。對施工區(qū)的整體溢流泥沙落淤仿真效果如圖6、7所示。

6 結(jié)語

本文主要針對疏浚土的泥沙特性展開研究，耙吸船溢流施工過程中，若根據(jù)潮型水流速度合理選擇疏浚時間和方案，使溢流的浮泥擴散后落淤到疏浚區(qū)外，能大大縮短工期，提高疏浚效率；若選擇不當，在水流、底面坡度等環(huán)境因素作用下，溢流的浮泥擴散后將落淤到疏浚區(qū)。本文在考慮三維流場、泥沙沉降過程中多處做了簡化處理，在后續(xù)研究中需要進一步細化和完善。

[1]葉安樂，李鳳岐.物理海洋學[M].青島：青島海洋大學出版社，1992. YE An-le,LI Feng-qi.Physical oceanography[M].Qingdao:Qingdao Ocean University Press,1992.

[2] 徐宏明.疏浚土擴散數(shù)學模型及其應用[J].海洋環(huán)境科學，2000，19（2）：34-37. XU Hong-ming.Numerical of dredged sediment diffusion and application[J].Marine Environmental Science,2000,19(2):34-37.

[3]吳修廣，季大潤，史英標，等.港池和航道疏浚過程中懸浮泥沙擴散輸移的數(shù)值模擬[J].水運工程，2006（8）：87-91. WU Xiu-guang,JI Da-run,SHI Ying-biao,et al.Numerical simulation of suspended sediment′s transportation during dredging of harbor basin andchannel[J].Port&waterway engineering,2006(8): 87-91.

[4]李為華，李九發(fā)，時連強，等.黃河口泥沙特性和輸移研究綜述[J].泥沙研究，2005（3）：76-81. LI Wei-hua,LIU Jiu-fa,SHI Lian-qiang,et al.Review on the research of sediment properties and transportation rules of the Huanghe estuary,China[J].Journal of Sediment Research,2005(3): 76-81.

[5]馬菊香.泥沙擴散問題數(shù)值解法的研究[D].烏魯木齊：新疆大學，2006. MAJu-xiang.Theresearchofnumericalmethodondiffusionequation for suspended sediment[D].Urumchi：Xinjiang University，2006.

[6]陳祖華.河口拋泥引起的泥沙運動及污染物質(zhì)遷移數(shù)值模擬[D].北京：清華大學，2002. CHEN Zu-hua.Numerical simulation of sediment movement and contaminant transport induced by mud dumping in the estuary[D]. Beijing：Tsinghua University,2002.

Back silting simulation of overflow particle of TSHD

QIN Liang1,LI Jin-feng1,YANG Zheng-jun2
（1.CCCC Tianjin Dredging Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China; 2.CCCC Tianjin Port&Waterway Prospection&Design Research Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China）

Based on the principle of sediment settling velocity,taking factors like velocity vertical distribution,vessel types, tide and particle size distribution into consideration,we carried the simplified consideration about the influence of wind and waves on the settlement and the particle flocculation settlement.By application of MATLAB software,we have prepared a simulation program with GUI interface to achieve the simulation of the sediment diffusion in the overflow construction process of TSHD.Through the simulation and analysis for TSHD TongTu working in a waterway engineering construction,we testified the applicability of the model,and assessed the overflow back silting condition.

trailing suction hopper dredger;overflow;sediment;back silting;simulation

U661.73

A

2095-7874（2017）03-0053-04

10.7640/zggwjs201703011

2016-10-08

2017-01-19

秦亮（1979— ），男，博士后，教授級高級工程師，主要從事疏浚技術(shù)研究管理工作。E-mail：63223944@qq.com