基于泥沙流失率最小准则确定航道疏浚抛泥时间段的方法与流程

本发明涉及挖掘机或疏浚机的一般操作方法，尤其涉及一种利用疏浚土泥沙的水动力数据选择抛泥时间段，实现航道疏浚船舶抛泥作业时间控制的方法。

背景技术：

在江河入海口，深水航道常常需要通过疏浚船舶开展定期的航道维护疏浚来维持航道水深；主要通过专业的疏浚船舶把需要疏浚的航道内的泥沙吸入船舱，并运输至指定地点进行抛泥作业，清空船舱，往复操作最终完成航道的疏浚维护。抛泥坑内泥沙通常还会通过吹泥管线吹至需要吹填的区域，进行疏浚土的再利用。

在疏浚船舶抛泥过程中，由于存在潮汐作用下的水体流动，因而会有泥沙的流失，这些流失泥土一方面会影响疏浚土的利用率，另一方面流失泥土可能会淤积在抛泥站(坑)周边、进入抛泥站(坑)的临时航道、以及需要疏浚的航道主槽，对周边滩槽产生不利于其使用的影响，从而影响航道疏浚的效率和效果。

在江河入海口深水航道水域，由于潮汐作用下的潮流存在一个水动力大小在时间上的循环往复过程，因此，在不同潮流条件下，选择不同抛泥时间段对不同抛泥坑位置进行抛泥，其弃土的流失率及流失泥土对周边水域的影响也会不同。此外，抛泥泥沙的流失主要发生在抛泥过程中，入坑后的自然流失率是相对较小量。现有的潮汐作用下疏浚土抛泥时间段的确定往往单凭经验，或是不进行抛泥时间段的限制。为了增强航道维护的效率，为了减小疏浚船舶抛泥过程中的疏浚土流失率，或者减少由疏浚土流失造成的对周边水域的不利影响，需要根据不同抛泥坑的功能和需求有针对性地选择抛泥时间段。

疏浚土泥沙的临界起动切应力是判断疏浚土抛泥弃土是否会起悬并随水流流失的重要临界动力指标。疏浚土泥沙的临界起动切应力可用于判断抛泥入坑泥沙在当前水动力条件下是否处于起动状态；如当前水动力大于临界起动切应力，则抛泥入坑的疏浚土被判断确定为处于起动状态，即可被水动力带动并随水体流动并从坑内流失。因此，如果要有针对性地选择抛泥时间段，首先必须观测在潮汐作用下疏浚土泥沙的水沙运动规律，确定疏浚土泥沙的临界起动切应力。中国发明专利申请“河口海岸高浊度环境近底水沙观测方法”(发明专利申请号：200910048764.7公开号：cn103252350b)公开了一种河 口海岸高浊度环境近底水沙观测方法，该方法首先组建一观测系统，其观测系统由支架及设在支架上的多普勒声学流速剖面仪、脉冲耦合模式多普勒声学流速剖面仪、多普勒点流速仪、光学后向散射浊度仪和浪潮仪组成，通过仪器调制、布放观测系统、采集数据及数据处理等步骤完成近底床水沙过程的水深、有效波高、近底层盐度和含沙量及近底流速流向的观测。中国发明专利“潮滩近底边界层水沙观测方法及系统”(发明专利号：zl201410029922.5授权公告号：cn103776430b)公开了一种潮滩近底边界层水沙观测方法，包括如下步骤：根据研究滩面的水动力条件、地质条件确定相关参数；根据确定的相关参数，在所述研究地点处安装观测支架；在观测支架完成安装之后，安装观测仪器，并釆集数据；采集数据完成之后，回收所述观测仪器和所述观测支架，并处理所采集的数据。该发明专利的观测系统利用流速、潮位、波浪、浊度监测装置，对近底边界层流速、含沙量剖面进行观测，并记录潮位和波浪数据，可应用于潮滩近底边界层的水动力泥沙现场观测。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于确定航道疏浚船舶抛泥时间段的方法，能够利用潮汐作用下的水动力数据，有针对性地选择抛泥时间段，解决疏浚抛泥作业过程中的泥沙流失，以及流失泥沙影响正在疏浚的主航道及入坑临时航道等关注区域的技术问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于泥沙流失率最小准则确定航道疏浚抛泥时间段的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤(1)：利用坐底水沙观测系统，对待执行抛泥作业的抛泥坑周边执行水沙运动观测，获取现场试验数据和潮汐数据；

步骤(2)：根据现场试验数据或经验公式，确定疏浚土泥沙的临界起动切应力和临界起动流速；

步骤(3)：基于现场试验数据和潮汐数据，利用三维潮流数学模型进行数字仿真，验证和计算抛泥坑位置的水动力，绘制流速过程线；

步骤(4)：基于泥沙流失率最小准则，确定对应抛泥坑的可抛泥时间段。

本发明的基于泥沙流失率最小准则确定航道疏浚抛泥时间段的方法的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的步骤(2)通过比对河床地形随水动力变化过程的曲线，找出进入河床冲刷状态的时间点，选取开始进入河床冲刷状态所对应的水流切应力，作为泥 沙临界起动切应力。

本发明的基于泥沙流失率最小准则确定航道疏浚抛泥时间段的方法的一种更好的技术方案，其特征在于所述的步骤(2)通过比对河床地形随水动力变化过程的曲线，找出进入河床冲刷状态的时间点，选取开始进入河床冲刷状态所对应的水流流速，作为泥沙临界起动流速。

本发明的基于泥沙流失率最小准则确定航道疏浚抛泥时间段的方法的一种改进的技术方案，其特征在于所述的步骤(2)根据以下经验公式确定临界起动流速：

其中，vcr为临界起动流速,h为水深(m)，d50为疏浚土的泥沙中值粒径(mm)，γ为清水容重(kg/m³)，γs为浑水容重(kg/m³)。

本发明的基于泥沙流失率最小准则确定航道疏浚抛泥时间段的方法的一种进一步改进的技术方案，其特征在于所述的步骤(4)选择满足水动力条件|τ|<τcr的时间段作为可抛泥时间段，其中，τ为抛泥坑位置瞬时河床水流切应力，τcr为步骤(2)所确定的泥沙临界起动切应力。

本发明的基于泥沙流失率最小准则确定航道疏浚抛泥时间段的方法的一种优选的技术方案，其特征在于所述的步骤(4)选择满足水动力条件|v|<vcr的时间段作为可抛泥时间段，其中，v为瞬时垂线平均流速，vcr为步骤(2)所确定的临界起动流速。

本发明的有益效果是：

1、本发明的基于泥沙流失率最小准则确定航道疏浚抛泥时间段的方法，能够利用疏浚土泥沙的临界起动流速和切应力数据，有针对性地选择抛泥时间段，进行航道疏浚船舶抛泥作业时间控制，可以使抛泥过程中泥沙的流失率减小大约30％，提高疏浚土的利用率，带来巨大的经济效益。

2、采用本发明的基于泥沙流失率最小准则确定航道疏浚抛泥时间段的方法，符合水沙运动的自然科学规律，可以有效控制疏浚船舶抛泥过程中泥沙的流失，减少流失泥沙对正在疏浚的主航道及入坑临时航道周边滩槽的不利影响，提高航道疏浚的作业效率和疏浚效果。

附图说明

图1是用于获取临界起动切应力数据的坐底水沙观测系统的结构示意图；

图2是根据坐底水沙观测系统的观测结果确定临界起动切应力和流速的示意图；

图3是水动力过程线与泥沙起动的关系示意图；

图4是利用切应力过程线进行抛泥时间段选择的示意图；

图5是利用流速过程线进行抛泥时间段选择的示意图；

图6是基于泥沙流失率最小准则确定航道疏浚船舶抛泥时间段的方法的流程图。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。

根据抛泥坑泥沙流失率最小的需求，本发明的潮汐作用下确定航道疏浚船舶抛泥时间段的方法，根据泥沙流失率最小准则确定抛泥时间段：

需要尽量减小抛泥坑的泥沙流失率，提高疏浚土的利用效率。本准则根据抛泥时刻对应的水流动力值确定抛泥时间段，以保证疏浚土流失率尽可能小，选择所有水流切应力(或流速)小于泥沙临界起动切应力(或流速)的时间段作为抛泥时间段，由于该时间段内当地、当时的水流动力不够强，疏浚抛泥弃土不会被水流起动并随水流流失，因此，根据本准则，抛泥弃土的泥沙流失率可控制在较小的范围内，理论上泥沙流失率可趋近于零；抛泥入坑的维护疏浚土可通过吹泥管道吹送到其他区域进行再利用，从而大大提高疏浚土的利用效率。

本发明的潮汐作用下确定航道疏浚船舶抛泥时间段的方法的一个实施例，根据计算绘制潮汐作用下的水动力过程线，基于泥沙流失率最小准则确定航道疏浚船舶的抛泥时间段，其操作流程如图6所示，包括以下步骤：

步骤(1)：利用坐底水沙观测系统，对待执行抛泥作业的抛泥坑周边执行水沙运动观测,获取现场试验数据和潮汐数据；本步骤利用设置在抛泥作业的抛泥坑周边的坐底水沙观测系统，通过连续观测试验获取用于确定抛泥时间段的现场试验数据和潮汐数据，包括流速、含沙量、切应力、潮位和波浪数据等。坐底水沙观测系统的基本结构和工作原理，可以参见本发明背景部分所引用的中国发明专利zl201410029922.5和中国发明专利200910048764.7。本实施例采用上海河口海岸科学研究中心设计的坐底水沙观测系统其结构如图1所示，观测结果包括根据现场试验数据绘制的河床地形随水动力变化过程的曲线(探头距床面高度曲线)，水流切应力随水动力变化过程的曲线，以及水流流速随水动力变化过程的曲线，参见图2。

步骤(2)：根据现场试验数据确定疏浚土泥沙的临界起动切应力和临界起动流速；根据图2所示的实施例，通过比对河床地形随水动力变化过程的曲线，找出进入河床冲刷状态的时间点，也就是从河床淤积阶段转变到河床冲刷阶段的转折点，选取开始进入河床冲刷状态所对应的水流切应力，作为临界起动切应力。同样，也可以根据现场试验数据并使用类似的方法，选取开始进入河床冲刷状态所对应的水流流速，作为临界起动流速。

步骤(3)：根据现场试验数据和潮汐数据，利用三维潮流数学模型进行数字仿真，计算抛泥坑位置的水动力，绘制水动力过程线；本步骤利用三维潮流数学模型精确计算出抛泥坑位置的水动力过程线，参见图3。将水动力过程线与疏浚土泥沙的临界起动切应力指标进行比较，判断当前水动力条件下抛泥入坑泥沙是否处于起动状态，如处于起动状态则判断为可起动且可随水体流动，从坑内流失。本发明的一个实施例选择满足水动力条件|τ|<τcr的时间段作为可抛泥时间段，其中，τ为抛泥坑位置瞬时河床水流切应力，τcr为步骤(2)所确定的泥沙临界起动切应力。在图3所示的抛泥坑位置的水流切应力过程线上，标出了临界起动应力τcr，过程线中超出阴影区域的时间段，水流切应力大于临界起动应力τcr，泥沙启动；过程线位于阴影区域的时间段，水流切应力小于临界起动应力τcr，泥沙不起动。

步骤(4)：统计任意一天内水流切应力小于泥沙临界起动应力的时间段，即为基于泥沙流失率最小准则确定的一天内适宜的疏浚抛泥时间段。

图4是一个基于泥沙流失率最小准则确定抛泥时间段的实施例，该实施例中的抛泥坑设有吹泥管线，要求疏浚土的利用率较高并且抛泥土流失率较小。本实施例用mike21软件计算绘制抛泥坑位置的水动力计算。mike21软件包括世界上应用最广的水动力计算数学模型，在全世界范围的河口地区都得到了较好的应用。该软件可以根据抛泥坑位置处的基础数据或历史数据，通过数字仿真计算出较长时间序列的水动力过程，根据计算结果绘制的流速过程线。图4中的河床水流切应力过程线是利用数学模型计算绘制的，表示某一天某一抛泥坑位置处切应力随时间变化的过程。在本实施例中，在步骤(2)中经现场试验确定的临界起动切应力为0.4n/m²；通过将过程线中的切应力的绝对值与临界起动应力大小比较，把所有小于临界起动切应力的时间段都标示出来，得到图4中阴影部分标示的时间段，确定作为该抛泥坑这一天里的抛泥时间段。

根据现场试验数据确定临界起动切应力的方法能够更好地符合现场实际，其精度更高。但是，该方法操作实施复杂，而且需要固定的仪器设备，在实施上有一定的难度。 确定临界起动切应力的另一种便捷方法是利用相关文献提出的经验公式。但是，由于该方法不能完全真实的反映实际情况，可能会带来一定的误差。

由于流速与水流的切应力具有对应换算关系，根据流速也可以确定抛泥时间段。本发明的潮汐作用下确定航道疏浚船舶抛泥时间段的方法的另一个实施例，使用流速过程线替代切应力表示的水动力过程线，基于泥沙流失率最小准则确定航道疏浚船舶的抛泥时间段，其操作流程如图6所示，包括以下步骤：

步骤(1)：利用坐底水沙观测系统，对待执行抛泥作业的抛泥坑周边执行水沙运动观测,获取现场试验数据和潮汐数据；本步骤主要用于获取抛泥坑位置处的基础数据。

步骤(2)：根据经验公式确定疏浚土泥沙的临界起动流速；

水体中泥沙在底层与河床发生物质交换可用下式表示：

f＝f(v,vcr,s,…)(1)

其中，f为底部泥沙冲淤函数(kg/(m²·s))，v为当地的瞬时垂线平均流速(m/s),临界起动流速vcr，s为垂线平均泥沙浓度(kg/m³)；式(1)中的函数f()表示各参数之间存在函数关系，具体的函数可根据本领域专业知识和经验建立。

步骤(3)：基于现场试验数据和潮汐数据，利用三维潮流数学模型进行数字仿真，计算抛泥坑位置的水动力，绘制流速过程线；参见图5所示的流速过程线实施例。

步骤(4)：基于泥沙流失率最小准则，确定对应抛泥坑的可抛泥时间段。由于抛泥流失主要发生在抛泥时刻，抛泥进坑后的疏浚土自然流失率一般较小。因此，若当地抛泥时刻的瞬时水动力满足小于临界起动流速的条件，则抛泥入坑的疏浚土在水动力作用下大部分都不会再起动悬浮，从而会显著减小疏浚土的流失；因此，本步骤以临界起动流速可作为选择抛泥时间段的主要控制指标。

根据临界起动流速的定义，若当地的瞬时垂线平均流速v大于临界起动流速vcr，则泥沙在水动力作用下会处于起动状态，可被水动力带动并随水体流动；其判断式为：

f＝f(v,vcr,s,…)＞0，当v>vcr时，泥沙大量起动(2)

在疏浚土抛泥时，若当地流速满足式(2)的条件，则大量抛泥土将无法抛泥进坑和沉积到河床上，而发生流失；为了保证疏浚土流失率尽可能小，抛泥时刻对应的水动力条件至少应满足下式：

|v|<vcr(3)

其中，v为瞬时垂线平均流速，vcr为步骤(2)所确定的临界起动流速。根据本发明的一个实施例，临界起动流速根据以下经验公式(武水公式)确定：

式中，vcr为临界起动流速,h为水深(m)，d50为疏浚土的泥沙中值粒径(mm)，γ为清水容重(kg/m³)，γs为浑水容重(kg/m³)。

本步骤从图5所示的流速过程线中，选择满足水动力条件|v|<vcr的时间段t1～t5，作为最佳抛泥时间段，完成基于泥沙流失率最小准则确定抛泥时间段的过程。

采用本发明基于泥沙流失率最小准则确定抛泥时间段，在确定的抛泥时间段内进行抛泥作业，其理论上可以保证抛泥流失率近似为0％，而不进行抛泥坑控制的抛泥作业，其抛泥流失率据统计一般在40％～70％左右，因此采用本发明的潮汐作用下确定航道疏浚船舶抛泥时间段的方法，可以大大提升抛泥疏浚土的利用效率，减小抛泥对周边滩槽的不利影响。

以长江口深水航道疏浚为例，年计划抛泥入坑量约4000万方，其主要用于周边圈围造地成陆工程，采用本发明的潮汐作用下确定航道疏浚船舶抛泥时间段的方法，进行航道疏浚船舶作业时间控制，可以大大降低疏浚土流失率，按照约浚土流失率减少30％计算，每年可减少约1200万方疏浚土的流失，可大大提高疏浚土的利用率，带来巨大的经济效益。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的技术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。