底开驳船抛投土沙水下运动特性室内试验研究

狄鑫平 刘鹏 蒋勤 应铭

摘要： 揭示抛投土沙的水下运动特性对指导疏浚土的水下抛投作业等具有重要意义。通过对底开驳船抛投土沙的室内物理模型试验研究，分析土沙的水下运动过程及其运动特性。以塑料沙、粉煤灰和长江口航道淤泥为研究对象进行静水抛投试验，分析泥沙粒径、含水率、黏性以及投放水深对抛投无黏性和黏性土沙水下运动特性的影响。采用长江口航道疏浚淤泥进行单向动水抛投试验，分析抛投黏性土沙床面落淤存留率与水流流速之间的定量关系。结果表明：黏性与无黏性抛投土沙在水下的运动过程均可分为拥挤下落、对流沉降、悬移输送、触底崩散和水平扩散5个阶段;泥沙的粒径越大、含水率越低或投放水深越大，泥沙的水下沉降速度越快;單向动水环境下，水流流速越大，现场疏浚淤泥的床面落淤存留率越低，通过对试验数据的回归分析给出了床面存留率与水流流速间的经验关系公式。

关 键 词： 土沙投放; 运动特性; 疏浚土; 底开驳船; 抛投土沙床面存留率

中图法分类号：  TV149

文献标志码：  A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.034

0 引 言

在港池开挖与航道维护等实际工程中，通常需要采用专业的底开式驳船将疏浚土沙抛投到指定的开敞水域。土沙抛投对周围水域的水质环境会造成较大的影响[1]。目前，关于疏浚土沙抛投问题的研究大多侧重于对波浪和潮流等水动力作用下抛投土沙的中长期、大范围运动及其对周围水质环境的影响[2-7]，对土沙抛投初期泥沙的短期、局部运动特性的研究成果甚少。揭示投放初期抛投土沙的沉降扩散运动特性，不仅是分析土沙抛投对周围水域环境影响、确定合理抛投地点并实施有效的污染防控措施的关键，也可以为中长期泥沙运动的数值模拟提供可靠的沙源初始边界条件。因此，对抛投土沙初期水下运动及其特性的研究具有重要意义。

关于土沙抛投初期泥沙运动的研究，目前国内外学者主要围绕抛投土沙在静水或波流动力作用下的运动形态、沉降速度、运动轨迹以及抛投土沙在床面的堆积体形态特征等开展了研究。Nakatsuji等[8]通过室内水槽试验研究发现，当抛投土沙颗粒较小时，泥沙的水下运动表现为各向同性的异重流运动。Li等[9]的试验研究结果表明，抛投土沙的群体沉降速度最终会接近单颗粒泥沙的沉降速度。詹咏等[10]提出了一种将单颗粒泥沙沉降速度计算和群体沉降速度计算统一的方法，并指出含沙量、水质和絮凝作用是影响沉降速度的重要因素。Yu等[11]对横向来流作用下抛投土沙云团运动轨迹随时间变化进行了试验研究，并用于相关数值模型的验证。章军军等[12]采用成像分析法对静水中抛泥形成的泥沙云团运动形态进行了试验，指出抛泥云团的水下运动可分为以沉降扩散为主的下沉阶段和以异重流为主的水平扩展阶段，且床面沉积形态类似于火山口形状。顾杰等[13]对泥沙抛入横流中的迁移扩散规律进行了试验研究，发现横流是产生泥沙对流输运的主要动力，横流的紊动作用可以增强泥沙的沉降扩散。 张兴无等[14]对波流联合作用下抛投泥沙的输送及其损失率进行了研究，发现波流联合作用下比单纯水流作用下的抛泥损失率变化要明显，且抛泥损失率随波高增加而加大。罗小峰等[15]通过试验对抛投泥沙的水下堆积形状进行了研究，指出不同水深条件下堆积形态略有不同，随着水深的增大，泥沙堆积体高度逐渐减小，范围增大，边坡趋于减小;相同水深条件下，随着泥沙粒径的减小，堆积体范围增大，高度减小，边坡趋缓;泥沙粒径越小，堆积体高度随水深变化越大。姬昌辉等[16]以灌河口现场泥沙为研究对象，采用波流水槽对不同水深、波高和周期以及初始浓度条件下泥沙的沉降特性和悬浮规律进行了试验研究，发现初始含沙量相同条件下，泥沙沉降速度随水深的增大呈增大趋势，且初始含沙量较小时泥沙沉降速度较大。然而，由于实际的抛投土沙运动过程十分复杂，尽管迄今已取得了一定的相关研究成果，但对土沙抛投瞬间或初期的水流和泥沙的运动特性及其相互作用机理尚缺乏系统深入的研究。

本文以塑料沙、粉煤灰和长江口航道淤泥作为研究对象，通过室内水槽土沙抛投试验，研究静水环境下抛投土沙的水下运动以及泥沙粒径、含水率、黏性和投放水深对抛投土沙水下运动特性的影响，并通过单向动水抛投试验，分析长江口航道疏浚淤泥床面落淤存留率与水流流速之间的定量关系，以期为指导实际的土沙抛投过程提供理论依据。

1 室内模型试验

1.1 试验材料

采用塑料沙、粉煤灰和长江口航道疏浚淤泥作为土沙抛投试验的模型沙。塑料沙和粉煤灰与长江口航道淤泥分别用于模拟无黏性和黏性泥沙的水下运动。模型沙的物理特性参数如表1所示。

1.2 试验装置

试验在长宽高为30 m×0.5 m×0.97 m的室内水槽中进行，模型装置如图1所示。近岸地区土沙抛投地的实际水深通常为12～20 m，且土沙抛投过程中泥沙运动以水中沉降为主。因此，基于重力相似准则取模型的几何比尺为1/40，模型试验水深取0.3～0.5 m。底开式驳船通常设有一个或多个泥舱，通过液压装置启闭设于泥舱底部的舱门将土沙抛投入水。试验中，参照实际的驳船舱门开启方式，以舱容为128 m3的单舱为例，设计制作了底开式抛泥船的单舱模型装置，其最大舱容为2 000 cm3。

在静水抛投试验时，水槽底床为水平床。在动水抛投试验时，为模拟现场抛泥区的实际情况，在抛泥区底床两侧各设置了边坡坡度为0.3，高为0.3 m的潜堤，以形成一个高为0.3 m的投放坑。此外，为获得恒定的单向水流速度，在水槽两端分别布置了4台功率为500 W的水泵，通过调节进水阀门和出水阀门的开度来控制单向流的流速，采用旋浆式流速仪测定单向流流速大小。此外，试验中使用高清摄像机记录抛投土沙的水下运动过程;采用OBS-3+光学浊度仪记录水体浊度变化，并通过相关分析，建立水体浊度与泥沙浓度的相关关系，进行浊度与悬沙浓度的转化，得到悬沙浓度。1号测点和2号测点距槽底分别为15 cm和10 cm。

1.3 试验方法

土沙抛投试验的主要步骤包括：① 配置特定含水率沙样，仪器率定与调试;② 将沙样装入泥舱模型;③ 开启摄像机、浊度仪等量测与记录装置;④ 拉动控制开关开启船舱舱门，进行土沙抛投;⑤ 记录泥沙的水下沉降与扩散过程;⑥ 关闭测量仪器设备，回收残留土沙，清洗水槽准备下一组试验。此外，在进行动水投放试验前要在抛投坑底铺设土工布以便回收残留土沙。

为了分析土沙抛投过程中泥沙在水中的沉降扩散特性，采用基于图像色差判别法的图像处理技术进行编程，对所记录的土沙下落影像进行处理，求得不同时刻抛投泥沙的沉降距离和扩散宽度。

如图2所示，定义ab为泥沙云团扩散宽度，cd为泥沙云团的沉降距离。其中，a对应于土沙云团水平扩散左侧最远点竖直线，b对应于土沙云团水平扩散右侧最远点的竖直线，c对应于舱门下端的水平线，d对应于土沙云团下端最低点直线。

1.4 试验工况

静水试验侧重于分析抛投土沙的水下运动过程以及泥沙粒径、含水率、黏性和投放水深对抛投土沙水下运动特性的影响，试验工况如表2所示。其中，沙样的含水率的计算公式为：

a= Vl Vl+Vs  （1）

式中：a为沙样含水率;Vl为水的体积;Vs为沙样体积。

沙样的容重计算公式为：

γs= ms Vl+Vs  （2）

式中：γs为沙样容重;ms为沙样质量。

动水试验着重分析单向水流对抛投土沙床面存留量的影响，并建立抛投土沙床面存留率与水流速度之间的定量关系，试验工况如表3所示。根据初始投放土沙的质量和回收的投放坑中残留土沙质量计算土沙床面存留率。

其中，土沙床面存留率可由下式计算：

p= m1 m2  （3）

式中：p为土沙床面存留率;m1为抛投土沙床面残留量;m2为抛投土沙总质量。

1.5 可重复性测试

为了检验试验的可重复性，采用中值粒径为0.4 mm的塑料沙在水深50 cm的静水环境下重复进行了4次投放量为1 000 cm3的土沙抛投试验。图3给出了4次试验得到的抛投土沙在水下沉降过程中土沙云团的扩散宽度和沉降距离随时间变化的关系曲线。由图3可见，4组试验得到的土沙在水中的沉降距离和扩散宽度随时间变化趋势基本一致，证明试验具有良好的可重复性。

2 试验结果与分析

通过不同工况条件下得到的土沙抛投试验结果，首先分析静水环境下抛投土沙的水下运动过程及泥沙粒径、含水率、黏性和投放水深对抛投土沙水下运动特性的影响，在此基础上分析单向流的动水环境下水流速度对抛投土沙落淤在床面残留量的影响。

2.1 静水环境抛投土沙水下运动基本特征

采用塑料沙、粉煤灰以及现场淤泥进行的土沙抛投试验结果表明，无黏性和黏性抛投土沙的水下运动过程基本相似，可划分为拥挤下落、对

流沉降、悬移输送、触底崩散和水平扩散5个主要阶段。图4为工况2条件下得到的抛投土沙水下运动过程的实测结果，从该图可以清晰看出上述抛投土沙的几个基本运动过程。① 拥挤下落阶段（0～0.5 s）：抛投土沙以高浓度粒子团的形式在重力作用下从舱底落入水体;② 对流沉降阶段（0.5～7 s）：离开泥舱的土沙以泥沙粒子云团的形式，在水中发生自由沉降，伴随着与周围水体的相互作用向两侧扩展，并以双螺旋涡流的形式运动;③ 悬移输送：伴随抛投土沙泥沙云团的水下沉降，在周围水流拖曳力的作用下泥沙云团外侧的泥沙粒子从下落泥沙主体分离，并随水流发生悬移输送;④ 触底崩散阶段（7～12 s）：抛投土沙的泥沙云团下落至床面，垂直撞击床面，发生向外的泥沙崩散分离，泥沙云团的对流沉降受到抑制，并产生巨大的能量耗散，同时获得一定的水平动量;⑤ 水平扩散阶段（12～40 s）：随着抛投土沙撞击床面，泥沙获得了一定的水平动能，并沿床面向落地点两侧作水平扩展，泥沙发生沿着水平床面向外的输送。

2.2 泥沙粒径对抛投土沙水下运动的影响

图5给出了工况2和工况5条件下采用不同粒径塑料沙得到的抛投土沙水下运动形态，其中抛投量均为1 000 cm3。由图5可见，不同中值粒径的抛投土沙在重力和水流力的共同作用下其水下运动现象相似，均表现为拥挤下落、对流沉降、悬移输送、触底崩散和水平扩散5个主要运动过程。所不同的是，在抛投土沙水下沉降扩散的过程中，土沙的中值粒徑越大，沉降速度越快，水平扩散也相应越快。

图6为不同粒径下抛投土沙的扩散宽度和沉降距离随时间变化过程曲线以及OBS浊度仪2号测点测得的悬沙浓度随时间变化过程曲线，均印证了上述分析结果。

参照陈立等[17]关于泥沙对挟沙水流流动结构影响的成果，土沙在水体中悬浮扩散主要受水流紊动扩散作用，水流挟沙后紊动强度的变化与颗粒的粒径大小有关，粗粒径能够增大水流的紊动强度，水流紊动增强会加剧土沙的悬浮扩散。此外，Li等[9]的试验结果表明，抛投土沙的群体沉降速度最终会接近单颗粒泥沙的沉降速度，而单颗粒泥沙的沉降速度与其中值粒径成正比，即泥沙粒径越大，沉降速度就越快，所引起的水流紊动以及紊动水体的携沙能力越强，这也从另一个方面说明抛投土沙的中值粒径越大土沙扩散越快。

2.3 含水率对抛投土沙水下运动的影响

图7为工况4和工况5条件下采用不同含水率塑料沙得到的抛投土沙水下运动形态，其中抛投量均为1 000 cm3。由图7可见，初始含水率不同的抛投土沙在水下的运动形态基本相同。所不同的是，在伴随抛投土沙水下沉降的过程中，抛投土沙初始含水率越高，泥沙在水下的水平扩散越快。此外，就抛投土沙的水下群体沉降速度而言，相对于含水率较高的投放土沙，低含水率的抛投土沙表现出较快的水中沉降速度，这是由于含水率低的沙样容重相对较大，而单颗粒泥沙的沉降速度与容重成正比，泥沙容重越大，沉降速度就越快。

图8为不同含水率抛投条件下土沙的扩散宽度和沉降距离随时间变化过程曲线以及OBS浊度仪2号测点测得的悬沙浓度随时间变化过程曲线，均印证了上述分析结果。另外，从图8中浓度变化曲线中发现，含水率0%的沙样浓度出现了第二个峰值，这是由于土沙云团触底后在床面的反作用下再悬浮引起的浓度增加。

2.4 泥沙黏性对抛投土沙水下运动的影响

图9是工况1、工况6和工况7条件下采用塑料沙、粉煤灰和疏浚淤泥得到的不同黏性抛投土沙水下运动形态，其中抛投量均为1 000 cm3。从图9可以发现，在静水环境下，粉煤灰和疏浚淤泥的水下沉降与扩散运动过程与塑料沙十分相近，也即抛投黏性和无黏性泥沙的水下运动遵循前述的拥挤下落、对流沉降、悬移输送、触底崩散和水平扩散运动过程。不同的是，黏性疏浚淤泥和粉煤灰的沉降速度明显快于无黏性塑料沙，表现为疏浚淤泥的水下沉降速度略快于粉煤灰，粉煤灰快于塑料沙。这主要是由抛投土沙的容重大小决定的，3组试验中采用的塑料沙、粉煤灰和疏浚淤泥的容重分别为0.68，1.24 g/cm3和1.6 g/cm3，容重越大，土沙沉降速度越快。

图10为黏性与无黏性抛投土沙的沉降距离随时间变化过程曲线及相应的水平扩散宽度与沉降距离间的变化关系曲线，图中结果印证了上述物理现象。另外可以看出沉降距离相同时，三者在水中的扩散宽度差别不大，说明黏性与无黏性土沙在水中沉降过程中水平扩散差别较小。

接近床底的塑料沙扩散宽度较粉煤灰和疏浚淤泥偏小，其原因是后者沉降速度较塑料沙大，引起水流扰动触底后的水平动量较大，水流携沙力较强，表现为土沙水平扩散宽度较大。

2.5 水深对抛投土沙水下运动的影响

图11是工况3和工况4条件下采用塑料沙得到不同抛投水深下抛投土沙水下运动形态的试验结果，其中抛投量均为1 000 cm3。由图11可见，尽管不同初始水深条件下抛投土沙在水下的运动形态基本相同，但在抛投泥沙接近水槽底部时沉降速度有所不同，初始水深较小时，泥沙沉降相对较慢。这是由于水深较浅时泥沙沉降引起的水流扰动会较快地传递到水槽底部，在与底床的相互作用过程中形成向上的水流扰动，致使水流对泥沙运动的阻滞作用增强，接近底部的抛投土沙云团的沉降速度降低。

图12为不同水深条件下抛投土沙的扩散宽度和沉降距离随时间变化过程曲线及OBS浊度仪1号测点测得的相应悬沙浓度随时间变化过程曲线，也均印证了上述分析结果。

2.6  环境水流对抛投土沙水下运动及其床面残留量的影响

图13是工况7和工况8条件下采用现场淤泥得到的静水和单向流环境下抛投土沙水下运动形态，其中投放量均为1 000 cm3。

相比静水条件，水流对抛投土沙的水下沉降及其扩散有显著影响。一方面水流会改变土沙的下沉运动轨迹，使得抛投土沙在横向水流作用下沿着水流流动方向扩散沉降;另一方面水流也会影响抛投土沙的输送，抛投土沙沉降到底床后，其中一部分会落淤在投放点附近床面，而另一部分则在水流力的作用下被再次掀起带到下游，落淤在投放点下游。

为了分析动水环境下水流速度对抛投土沙落淤后床面存留量的影响，采用现场淤泥，针对9、10和11三组工况，进行了在相同土沙抛投量（1 000 cm3）、不同单向水流流速和抛投入水深度条件下的抛投土沙水下运动试验。

图14为抛投土沙床面存留率与水流速度（无量纲流速）间定量关系的实测结果及其拟合曲线。

由图14可见，随着水流流速的增大，抛投土沙床面存留率呈逐渐减小的趋势。在水流流速较小时曲线变化平缓，表明此时因流速的变化引起的土沙床面存留率的变化幅度较小;当水流流速较大时，随着水流流速的增加，落淤在床面的土沙存留率急剧下降。

通过对实测数据的回归分析，可得抛投现场疏浚土沙床面存留率与水流流速间的定量关系为：

p=-22.61（ u  gh  ）2-0.81（ u  gh  ）+1.01 （4）

式中：p为土沙床面存留率; u  gh  为无量纲流速。

3 结 论

本研究采用塑料沙、粉煤灰和长江口航道疏浚淤泥作为模型沙，对静水和单向水流环境下底开式驳船土沙抛投作业中抛投土沙的水下运动进行了室内水槽模型试验。主要研究结论为：

（1） 在靜水和单向水流环境下，无黏性和黏性抛投土沙的水下运动现象较为复杂，可划分为土沙的拥挤下落、对流沉降、悬移输送、触底崩散和水平扩散5个主要运动过程。

（2） 无黏性塑料沙在土沙抛投过程中的沉降扩散受到泥沙粒径、含水率和抛投水深的影响。泥沙粒径越大、含水率越低或抛投水深越大，泥沙的水下沉降越快，其中泥沙粒径和含水率对土沙水下扩散影响较为显著，粒径越大或含水率越高，抛投土沙云团的水平扩散越显著。

（3） 在单向动水环境下，抛投疏浚淤泥的水下沉降扩散轨迹会沿着水流运动方向发生偏离。水流速度对抛投疏浚淤泥的床面存留率具有显著影响，水流速度越大，抛投疏浚淤泥的床面存留率越低。基于疏浚淤泥抛投试验得到的抛投土沙床面存留率与水流速度间的经验公式，可供实际土沙抛投工程参考。

理论上抛投疏浚淤泥的床面留存率不仅与水流速度有关，还会受到泥沙粒径、黏性、抛投方式和抛投量影响，多种因素对抛投土沙床面残留量的影响还有待进一步研究。

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（编辑：李 慧）

引用本文：

狄鑫平，刘鹏，蒋勤，等.底开驳船抛投土沙水下运动特性室内试验研究

[J].人民长江，2021，52（8）：222-229.

Laboratory experiments study on underwater movement characteristics

of sand dumped from hopper barge

DI Xinping1，LIU Peng1，JIANG Qin1，YING Ming2

（ 1.College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China; 2.Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.，Ltd.，Shanghai 200120，China ）

Abstract：

Understanding the underwater movement characteristics of sand dumped from hopper barge is of great importance to the disposal operation of dredged material in channel engineering.Through laboratory physical model experiments on the sand dumped from hopper barge，we clarify the underwater movement process and characteristics of disposed sand.Firstly，we use plastic sand，fly ash，and the dredged silt from Changjiang River Estuary channel as model materials to conduct sand disposal experiments in still water.The experiment results demonstrate the influence of particle size，water content ratio，viscosity and water depth on the underwater movement characteristics of viscous and inviscid sand.In addition，we carry out sand disposal experiments with the dredged silt from the Changjiang River Estuary channel in unidirectional flow to analyze the quantitative relationship between the current velocity and silt deposition remaining rate on bed.The experiment results indicate that both the underwater movement process of viscous and inviscid disposed sand can be divided into five stages，i.e.，crowded falling，convection settlement，suspended transportation，disintegration at the bottom and horizontal diffusion.The sand settlement speeds up with the enlargement of sediment particle size，the decrease of water content ratio，or the increment of water depth.In unidirectional flow environment，the silt deposition remaining rate on bed declines as the current velocity increases.A empirical relation formula is constituted through regression analysis of the experiment data，which describes the quantitative relationship between the silt remaining rate on bed and current velocity.

Key words：

dumping sand;movement characteristics;dredged soil;hopper barge;remaining rate of disposed silt on bed