耙吸船溢流泥沙回淤仿真研究

秦亮，李金峰，杨正军

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

耙吸船溢流泥沙回淤仿真研究

秦亮1，李金峰1，杨正军2

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

从泥沙沉降速度原理出发，在考虑流速垂向分布、船型、潮流、颗粒级配等因素的情况下，针对风浪对沉降的影响、颗粒絮凝沉降进行了简化考虑。应用MATLAB等软件，编写了具有GUI界面的仿真程序，实现对耙吸船溢流施工过程中的泥沙扩散情况的仿真。将通途轮在某航道工程施工过程进行仿真和分析，验证了模型的适用性，并对该工程的溢流泥沙回淤情况做出了评价。

耙吸船；溢流；泥沙；回淤；仿真

0 引言

耙吸船在疏浚过程中溢流产生的悬浮泥沙，一部分会沉积在疏浚区内，另一部分将形成高浓度含沙水体，在重力、波浪、潮流、风吹流等因素作用下运动，沉积在疏浚区外。因此，研究耙吸船溢流泥沙扩散输移规律，以掌握溢流泥沙对航道、港池疏浚效果的影响具有重大意义。

1 泥沙沉降速度

泥沙在静止的清水中等速下沉时的速度，称为泥沙的沉降速度（或简称泥沙沉速），它是泥沙的重要水力特性之一。

单颗粒泥沙在沉降过程中受到重力、浮力、绕流阻力、附加质量力等影响，其运动状态与沙粒雷诺数Re有关。

当沙粒雷诺数Re<0.5时，泥沙颗粒基本上沿铅垂线下沉，附近的水几乎不发生紊乱现象，这时的运动属于层流状态，浑液面沉速符合均匀沉降的特点。

当沙粒雷诺数Re>1 000时，泥沙颗粒脱离铅垂线以极大的紊动状态下沉，附近的水产生强烈的绕动和涡动，这时的运动属于紊流状态，浑液面沉速符合压缩沉降的特点。

当沙粒雷诺数0.5

表达单颗粒泥沙沉降速度的通用公式为：

式中：γs为泥沙容重，γ为清水容重，c1及c2是按实测资料确定的无因次系数。参照有关资料，用c1=13.95，c2=1.09代入上式可得：

经实测资料的验证表明，式（2）可以同时满足层流区、紊流区及过渡区的要求。

泥沙在波动水流中的沉降与在静水中的沉降不同，即泥沙还受波浪紊动的举力作用而使沉降速度减慢[2]。波浪运动由水面向下逐渐衰减，因此波浪对泥沙沉降速度的减缓作用也由水面向下逐渐衰减。自航耙吸挖泥船溢流施工时吃水较大，在底部溢流时，泥沙开始沉降的水深h往往大于10 m，此时的波浪对溢流泥沙颗粒的沉降影响较小，故本文暂不考虑波浪对泥沙沉降的影响。

另外影响泥沙沉降的因素是含沙量。对于处在分散状态的粗颗粒泥沙，由于不存在絮凝现象，当含沙量从0开始逐渐增大时，沉速将从清水单颗粒沉速开始逐渐减小。而对于可能发生絮凝现象的细颗粒泥沙则不然，当含沙量从0开始逐渐增大时，沉速将从清水单颗粒沉速开始逐渐增大，当沉速达到1个峰值之后，则将随含沙量的增大而逐渐减小，一直到小于清水单颗粒沉速之后还继续减小。沉速大于清水单颗粒沉速的阶段，属于絮凝起主导作用的阶段，而沉速小于清水单颗粒沉速的阶段，则属于其它几种因素起主导作用的阶段，含沙量的进一步增加，絮凝结构将充分发展和迅速扩大，最后形成1个整体絮凝体的下沉，向上的补偿水流将穿过絮凝结构中的极不规则缝隙曲折上行，使阻力加大，因此沉速将进一步减小[3]。

无黏性泥沙高含沙浓度对沉速影响的公式表达为：

式中：ω表示体积含沙浓度为Sv时的群体泥沙沉速，m为指数。据Richardson等人的试验研究，在层流区m取值为4.65；郭慕孙等人则认为m为4.91；而钱宁等人在试验中发现m并非常数，而与雷诺数有关，且随着雷诺数的提高而减少，最小时为2.25；由此可见m值变化很大，本文中m视雷诺数大小取值2.5～4.2。

2 流场模型

近海岸疏浚工程时，大风浪天气对施工不利，所以施工过程多处于风浪较小的天气，分析溢流泥沙的回淤情况时，可将流速场适当简化，主要考虑潮流对流速的变化产生影响。

本文将近海岸流速场假定为三维层流考虑，时间步长Δt如果非常小，可近似地认为流速没有变化，对整个计算时域内进行离散，即计算区间中的某点的流速，在直角坐标系中x、y、z的分量是随时间变化的函数，可建立1个流速场分布的数据库，代入到数学模型中进行计算，仿真颗粒漂移情况。

三维层流模型中，x向有24个网格，y向80个网格，z向为8层。利用该模型，计算了水流垂直横越航槽时的水流流速分布，航道断面流场典型结果如图1所示。

3 溢流损失模型

挖泥船在装舱过程中，进入泥舱中的泥沙不能完全沉淀，当达到溢流桶高度时，未能沉淀的沙和水的混合物会通过溢流管排出舱外。排出舱外的部分即为溢流损失。考虑溢流过程中舱内泥浆液面稳定，可认为进舱与出舱流量相同。溢流模型见图2。

耙吸船在进入溢流施工阶段，航速较缓，运行轨迹主要受航槽内淤积情况控制，航速与海水流速在大小和方向上都在实时地变化，可假定出舱泥浆的初始水平速度与挖泥船航行速度一致，泥浆的最终速度与海水流速一致，此阶段泥沙颗粒完全随泥浆运动，泥浆受到海水阻力，流速呈变加速运动。最终泥沙沉降过程分为两部分，变加速沉降过程和匀速沉降过程。

泥沙出舱的垂向初始速度表示为出舱流量除以溢流桶面积。泥沙出舱后首先表现为变加速运动，随着速度的增加或减少，砂粒受到的阻力也在不断的增加或减少，当砂粒所受的各种力达到平衡时就表现为匀速运动。对于1颗质量为M的砂粒，其沉降一般运动方程可表达如下：

F=重力+浮力+阻力+附加质量力。

4 仿真程序开发

具体开发流程见图3。

耙吸船装舱溢流及泥沙在海水中的运动考虑以下过程：

1）挖泥船开始下耙施工，计算入舱浓度，推算出装舱生产率。

2）判断泥舱液面是否超出溢流桶高度，如果超出溢流桶高度则计算溢流损失率。

3）建立循环，对各粒径颗粒的运动分别进行计算。

4）计算该颗粒的初始水平和垂向速度。

5）判断是否达到匀速沉降。

6）对颗粒在该时间步长内进行沉降计算，并对水平漂移距离进行计算，与该点地形数据对比。

7）判断是否已经结束沉降，如未结束返回前步继续沉降计算。如果沉降结束输出结果，包括沉降耗时，沉降点坐标。

8）通过修正的溢流颗粒比重计算该点坐标的泥沙浓度值。

9）利用MATLAB中的cubic立方插值方法对溢流源强内的泥沙浓度进行插值。

5 工程实例

以某港口航道疏浚工程为例，浚深至设计底标高-22.0 m，航道有效宽度397 m，设计边坡坡比1∶5，潮流流速约1 kn，流向基本与航道轴线垂直。疏浚土质级配曲线如图4所示。

根据测图数据得到出地形边界条件，对通途轮某时间段的施工数据进行分析，并导入程序中计算结果如图5所示。

图5中可以看出，该段施工时间内，在退潮时段，潮位逐渐变低，泥沙沉降时间变短，粒径在0.05～0.1 mm之间的颗粒主要回淤到航槽底部，粒径在0.02～0.05 mm之间的颗粒主要回淤到航槽斜坡处，粒径为0.02 mm的颗粒主要沉积在航槽边缘，在涨潮时，海水流向调转，在大风浪的影响下，都会回淤航槽，粒径小于0.01 mm的颗粒漂移到较远区域，回淤航道的可能性较小。

根据级配曲线所示，本模型计算的结果是有19.6%的疏浚泥沙将会漂移到航槽外部。对施工区的整体溢流泥沙落淤仿真效果如图6、7所示。

6 结语

本文主要针对疏浚土的泥沙特性展开研究，耙吸船溢流施工过程中，若根据潮型水流速度合理选择疏浚时间和方案，使溢流的浮泥扩散后落淤到疏浚区外，能大大缩短工期，提高疏浚效率；若选择不当，在水流、底面坡度等环境因素作用下，溢流的浮泥扩散后将落淤到疏浚区。本文在考虑三维流场、泥沙沉降过程中多处做了简化处理，在后续研究中需要进一步细化和完善。

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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，教授级高级工程师，主要从事疏浚技术研究管理工作。E-mail：63223944@qq.com