CN105862654A - 桩群内淤积泥沙清除方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桩群内淤积泥沙清除方法，包括：在目标码头的两侧各设一纵向的导流板，两导流板之间形成供水流通过的导流空间，该导流空间的一端与目标码头下桩群内的空间相通、另一端通向海域，该导流空间在其一端的截面面积小于其另一端的截面面积；水流从导流空间的另一端流入、并从导流空间的一端以流速V_流流出，且V_流≥桩群内淤积泥沙起动流速V_起。本发明充分利用泥沙起动的力学机理，通过加设导流板并优化导流板参数，使桩群内水流流速达到泥沙起动条件，使码头桩基内形成防止泥沙淤积的水流环境，从根本上解决淤积问题。

Description

桩群内淤积泥沙清除方法

技术领域

本发明涉及一种清淤方法，尤其是一种桩群内淤积泥沙清除方法，属于港口航道泥沙工程领域。

背景技术

据申请人所知，近十年来我国桩基码头建设发展正值高峰期，而桩基码头建设后桩基内因为桩群阻碍使得水流动力减弱，造成桩基内泥沙淤积，严重影响到桩基码头结构稳定，甚至会导致码头不能正常运行，这就对桩基码头内泥沙清淤工程研究提出了新的挑战。

针对桩基码头内淤积泥沙，目前还没有较好的清淤设备及好的清淤措施出现，江帅等人认为：高桩码头平台下桩群间清淤是一个非常特殊的疏浚工程,目前国产现役清淤疏浚设备普遍存在技术落后、能耗高、工效低、泥浆浓度低、水深适应性差的问题（参见江帅、将基安、林风、周海，大埔口码头清淤试验研究，水运工程，2012.12，101-106）。国外的设备非常先进和专业，但价格昂贵，且其综合性能对我国不同地区的土质构造表现出明显的不适应性。

国内现有主要清淤设备如泥浆泵清淤船、绞吸船等均是以船为载体，考虑到桩基码头内桩结构稳定，挖泥船不能直接驶入桩群内清淤，以避免与桩碰撞引起桩结构安全问题。专利号200920235821.8、授权公告号CN201534985U的中国实用新型专利提出了“淤泥松吸一体化清淤装置”，利用高压水流清淤，然而，目前暂未见到这一装置的市场应用，无法获知其确切使用效果。

不管是绞吸船还是清淤装置，这些方法对桩基码头内淤积泥沙的清除均具有被动性，都没有从根本上解决桩基码头内泥沙淤积的环境，需要不断清淤维护，造成后续人、财、物的不断跟进消耗。

经检索发现，申请号CN201010522745.6、申请公布号CN102454178A的中国发明专利申请，提出了“一种码头底下清淤机具及其清淤方法”；申请号CN201110270816.2、申请公布号CN102995598A的中国发明专利申请，提出了“码头下淤积体清除动力管网”；专利号CN201120448679.2、授权公告号CN202440864U的中国实用新型专利，提出了“码头前沿冲淤器”。以这些专利为代表的现有技术均存在上面提到的问题，即没有从根本上解决桩基码头内泥沙淤积的环境，后续维护消耗大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种桩群内淤积泥沙清除方法，能在码头桩基内形成防止泥沙淤积的水流环境，从根本上解决泥沙淤积问题。

本发明解决其技术问题的技术方案如下：

一种桩群内淤积泥沙清除方法，其特征是，包括以下步骤：

实施步、在目标码头的两侧各设一纵向的导流板，两导流板之间形成供水流通过的导流空间，该导流空间的一端与目标码头下桩群内的空间相通、另一端通向海域，该导流空间在其一端的截面面积小于其另一端的截面面积；水流从导流空间的另一端流入、并从导流空间的一端以流速V_流流出，且V_流≥桩群内淤积泥沙起动流速V_起。

本发明进一步完善的技术方案如下：

优选地，所述方法在实施步之前还包括：

试验步、根据目标码头附近海域的水文条件，按预定模型比尺建立水槽正态物理模型，该预定模型比尺包括垂直比尺λ_h和水平比尺λ_l，且λ_h=λ_l；同时按预定模型比尺建立目标码头的微缩码头模型，并将该微缩码头模型安置于水槽正态物理模型内；将桩群内淤积泥沙起动流速V_起按预定水流流速比尺λ_v换算为模型内淤积泥沙起动流速V_型起；在微缩码头模型两侧各设一纵向的导流板，调整导流板参数并观察桩群内水流流速V_桩流的变化，并将使V_桩流≥V_型起的导流板参数作为备用参数；导流板参数包括导流板长度及导流板放置角度；将备用参数的导流板长度按预定模型比尺放大、且备用参数的导流板放置角度不变，以此作为实施步采用的导流板参数。

更优选地，；水槽正态物理模型具有水槽和提供水流的潮流系统；在水槽正态物理模型中，模型水流为雷诺数大于2000的紊流，模型水深，水槽宽B/微缩码头模型桩基基础宽b大于8、且微缩码头模型桩基基础最小宽度≥0.03m；采集目标码头附近海域的水体平均流速V₁，并按预定水流流速比尺λ_v换算为模型内水体平均流速V_型1，潮流系统按V_型1向水槽提供水流。

更优选地，在水槽正态物理模型中，所述导流板的长度方向平行于水流方向，导流板的长度L_型大于微缩码头模型桩基基础宽b的三分之二，且导流板长度L_型按预定模型比尺放大后为导流板长度L；导流板放置角度为导流板与其所在微缩码头模型侧面的延长面之间形成的夹角θ，且0°＜θ≤60°。

采用以上优选技术方案，可使实施步取得更好地清淤效果。

优选地，实施步中，所述导流板的高度H满足以下条件：当目标码头附近海域处于最低潮位时，导流板整体位于水面以下。

优选地，实施步中，所述导流板的底部与海底基面相接。

优选地，所述导流板为网状板，由高分子聚合物制成；所述高分子聚合物包括聚氯乙烯。

优选地，实施步中，各导流板与目标码头的连接处还分别设有纵向布置的挡板，所述挡板与目标码头的相应侧面固定连接，所述挡板位于导流空间之外。

更优选地，所述挡板沿目标码头内水流方向的长度随桩群内淤积泥沙清除程度的加大而加长，直至桩群内淤积泥沙全部被清除。

优选地，桩群内淤积泥沙起动流速V_起经如下具体过程得出：

采集目标码头附近海域的水体泥沙中值粒径d₅₀以及水深h，并通过预定算法得出目标码头附近海域的淤积泥沙起动流速V_起；

所述预定算法为Ⅰ式或Ⅱ式，

Ⅰ式：，

其中，水深h的单位为m；水体泥沙中值粒径d₅₀的单位为mm；沙粒的容重和水的容重的单位分别为kg/m³；

Ⅱ式：，

其中，水深h的单位为m；水体泥沙中值粒径d₅₀的单位为mm；常数e为0.4。

与现有技术相比，本发明充分利用泥沙起动的力学机理，通过加设导流板并优化导流板参数，使桩群内水流流速达到泥沙起动条件，使码头桩基内形成防止泥沙淤积的水流环境，从根本上解决淤积问题；工程量不大，施工方便，导流板制作简单，可长久使用，拆装方便。

附图说明

图1为本发明具体实施方式试验案例的桩基码头内泥沙淤积图。

图2为图1试验案例的导流板工程整体示意图。

图3为图2的局部示意图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

本发明具体实施的桩群内淤积泥沙清除方法包括：

试验步、根据目标码头附近海域的水文条件，按预定模型比尺建立水槽正态物理模型，该预定模型比尺包括垂直比尺λ_h和水平比尺λ_l，且λ_h=λ_l；同时按预定模型比尺建立目标码头的微缩码头模型，并将该微缩码头模型安置于水槽正态物理模型内；将桩群内淤积泥沙起动流速V_起按预定水流流速比尺λ_v换算为模型内淤积泥沙起动流速V_型起；在微缩码头模型两侧各设一纵向的导流板，调整导流板参数并观察桩群内水流流速V_桩流的变化，并将使V_桩流≥V_型起的导流板参数作为备用参数；导流板参数包括导流板长度及导流板放置角度；将备用参数的导流板长度按预定模型比尺放大、且备用参数的导流板放置角度不变，以此作为实施步采用的导流板参数。

具体而言，；水槽正态物理模型具有水槽和提供水流的潮流系统；在水槽正态物理模型中，模型水流为雷诺数大于2000的紊流，模型水深，水槽宽B/微缩码头模型桩基基础宽b大于8、且微缩码头模型桩基基础最小宽度≥0.03m；采集目标码头附近海域的水体平均流速V₁，并按预定水流流速比尺λ_v换算为模型内水体平均流速V_型1，潮流系统按V_型1向水槽提供水流。

在水槽正态物理模型中，导流板的长度方向平行于水流方向，导流板的长度L_型大于微缩码头模型桩基基础宽b的三分之二，且导流板长度L_型按预定模型比尺放大后为导流板长度L；导流板放置角度为导流板与其所在微缩码头模型侧面的延长面之间形成的夹角θ，且0°＜θ≤60°。

注：建立的水槽正态物理模型主要基于正态定床物理模型。

实施步、在目标码头的两侧各设一纵向的导流板，两导流板之间形成供水流通过的导流空间，该导流空间的一端与目标码头下桩群内的空间相通、另一端通向海域，该导流空间在其一端的截面面积小于其另一端的截面面积；水流从导流空间的另一端流入、并从导流空间的一端以流速V_流流出，且V_流≥桩群内淤积泥沙起动流速V_起。

具体而言，导流板的高度H满足以下条件：当目标码头附近海域处于最低潮位时，导流板整体位于水面以下。导流板的底部与海底基面相接。

各导流板与目标码头的连接处还分别设有纵向布置的挡板，挡板与目标码头的相应侧面固定连接，挡板位于导流空间之外。挡板沿目标码头内水流方向的长度随桩群内淤积泥沙清除程度的加大而加长，直至桩群内淤积泥沙全部被清除。

此外，导流板为网状板，由高分子聚合物制成；高分子聚合物包括聚氯乙烯。

桩群内淤积泥沙起动流速V_起经如下具体过程得出：

采集目标码头附近海域的水体泥沙中值粒径d₅₀以及水深h，并通过预定算法得出目标码头附近海域的淤积泥沙起动流速V_起；

预定算法为Ⅰ式或Ⅱ式，

Ⅰ式：，

其中，水深h的单位为m；水体泥沙中值粒径d₅₀的单位为mm；沙粒的容重和水的容重的单位分别为kg/m³；

Ⅱ式：，

其中，水深h的单位为m；水体泥沙中值粒径d₅₀的单位为mm；常数e为0.4。注：Ⅰ、Ⅱ式参见王昌杰，河流动力学，人民交通出版社，2001，33。

具体试验案例如下：

某海域桩基码头离岸顺水流布置，水文测验表明该海域潮流较强，大潮平均流速约为1.50m/s，水体含沙量S平均为1.0kg/m³，水体泥沙中值粒径d₅₀约为0.01 mm，桩基码头建设前该海域地形冲淤基本平衡，水深h为10.0m。

桩基码头平面布置为宽30 m，长200 m，桩直径0.80 m，桩间距8.0 m，桩排距10.0m。桩基码头建设后，因桩基码头内水流动力减少较多，水流动力不足以携带较大含沙量，桩基码头内泥沙淤厚较大。本例中桩基码头轴线及水流流向一致。

首先，根据目标码头附近海域的水体泥沙中值粒径d₅₀以及水深h，通过预定算法得出目标码头附近海域的淤积泥沙起动流速V_起=1.50 m/s。

然后，进行本实施例方法的试验步：

预定模型比尺λ_h=λ_l=40，则预定水流流速比尺=6.32。

按预定模型比尺建立目标码头的微缩码头模型，该模型平面布置为宽0.75 m，长5m，桩直径0.02 m，桩间距0.2 m，桩排距0.25 m，满足桩基基础最小宽度≥0.03m。

模型内淤积泥沙起动流速V_型起=V_起/λ_v=0.24 m/s；目标码头附近海域的水体平均流速V₁=1.50 m/s，经换算，模型内水体平均流速V_型1=0.24 m/s，潮流系统按V_型1向水槽提供水流。

建立的水槽正态物理模型中，模型水流为雷诺数大于2000的紊流，模型水深h_m=h/λ_h=0.25m，水槽长30 m，宽8 m，满足水槽宽B/微缩码头模型桩基基础宽b大于8。

将微缩码头模型安置于水槽正态物理模型内，检测数据表明微缩码头模型桩群内水流流速比V_型1减少达到50%；在微缩码头模型两侧各设一纵向的导流板，调整导流板的长度L_型和导流板放置角度θ并观察桩群内水流流速V_桩流的变化，并将使V_桩流≥V_型起的导流板参数作为备用参数；将备用参数进行换算并作为实施步采用的导流板参数。

理论上，对于导流板而言，在角度θ一定的情况下，长度L越长越有效；在长度L一定的情况下，角度θ越大越有效。但长度L和角度θ不能影响码头的正常使用，也不能影响附近其他建筑设施。

通过试验发现实施步能采用的导流板参数有：

角度15°且长度为58 m；角度20°且长度为44 m；角度30°且长度为30 m；角度45°且长度为21 m。最终确定选择角度θ为30°且长度L为30 m。

最后，进行本实施例方法的实施步：

确定导流板高度H为10.0 m可满足前文所述条件。按角度θ为30°、长度L为30 m、高度H为10.0 m的条件，将导流板安装在目标码头的两侧，即可使V_流≥桩群内淤积泥沙起动流速V_起，起到清淤作用。此外，试验表明，挡板a1、a2沿目标码头内水流方向的长度刚开始时取15m较好，随桩群内淤积泥沙清除程度的加大，逐级15m增加，直至桩群内淤积泥沙全部被清除。

试验结果表明，采用本实施例方法，能非常便捷而有效地在码头桩基内形成防止泥沙淤积的水流环境，从根本上解决淤积问题。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种桩群内淤积泥沙清除方法，其特征是，包括以下步骤：

实施步、在目标码头的两侧各设一纵向的导流板，两导流板之间形成供水流通过的导流空间，该导流空间的一端与目标码头下桩群内的空间相通、另一端通向海域，该导流空间在其一端的截面面积小于其另一端的截面面积；水流从导流空间的另一端流入、并从导流空间的一端以流速V_流流出，且V_流≥桩群内淤积泥沙起动流速V_起。

2.根据权利要求1所述桩群内淤积泥沙清除方法，其特征是，所述方法在实施步之前还包括：

试验步、根据目标码头附近海域的水文条件，按预定模型比尺建立水槽正态物理模型，该预定模型比尺包括垂直比尺λ_h和水平比尺λ_l，且λ_h=λ_l；同时按预定模型比尺建立目标码头的微缩码头模型，并将该微缩码头模型安置于水槽正态物理模型内；将桩群内淤积泥沙起动流速V_起按预定水流流速比尺λ_v换算为模型内淤积泥沙起动流速V_型起；在微缩码头模型两侧各设一纵向的导流板，调整导流板参数并观察桩群内水流流速V_桩流的变化，并将使V_桩流≥V_型起的导流板参数作为备用参数；导流板参数包括导流板长度及导流板放置角度；将备用参数的导流板长度按预定模型比尺放大、且备用参数的导流板放置角度不变，以此作为实施步采用的导流板参数。

3.根据权利要求2所述桩群内淤积泥沙清除方法，其特征是，；水槽正态物理模型具有水槽和提供水流的潮流系统；在水槽正态物理模型中，模型水流为雷诺数大于2000的紊流，模型水深，水槽宽B/微缩码头模型桩基基础宽b大于8、且微缩码头模型桩基基础最小宽度≥0.03m；采集目标码头附近海域的水体平均流速V₁，并按预定水流流速比尺λ_v换算为模型内水体平均流速V_型1，潮流系统按V_型1向水槽提供水流。

4.根据权利要求3所述桩群内淤积泥沙清除方法，其特征是，在水槽正态物理模型中，所述导流板的长度方向平行于水流方向，所述导流板的长度L_型大于微缩码头模型桩基基础宽b的三分之二，且导流板长度L_型按预定模型比尺放大后为导流板长度L；导流板放置角度为导流板与其所在微缩码头模型侧面的延长面之间形成的夹角θ，且0°＜θ≤60°。

5.根据权利要求1至4任一项所述桩群内淤积泥沙清除方法，其特征是，实施步中，所述导流板的高度H满足以下条件：当目标码头附近海域处于最低潮位时，导流板整体位于水面以下。

6.根据权利要求1至4任一项所述桩群内淤积泥沙清除方法，其特征是，实施步中，所述导流板的底部与海底基面相接。

7.根据权利要求1至4任一项所述桩群内淤积泥沙清除方法，其特征是，所述导流板为网状板，由高分子聚合物制成；所述高分子聚合物包括聚氯乙烯。

8.根据权利要求1至4任一项所述桩群内淤积泥沙清除方法，其特征是，实施步中，各导流板与目标码头的连接处还分别设有纵向布置的挡板，所述挡板与目标码头的相应侧面固定连接，所述挡板位于导流空间之外。

9.根据权利要求8所述桩群内淤积泥沙清除方法，其特征是，所述挡板沿目标码头内水流方向的长度随桩群内淤积泥沙清除程度的加大而加长，直至桩群内淤积泥沙全部被清除。

10.根据权利要求1至4任一项所述桩群内淤积泥沙清除方法，其特征是，桩群内淤积泥沙起动流速V_起经如下具体过程得出：

采集目标码头附近海域的水体泥沙中值粒径d₅₀以及水深h，并通过预定算法得出目标码头附近海域的淤积泥沙起动流速V_起；

所述预定算法为Ⅰ式或Ⅱ式，

Ⅰ式：，

其中，水深h的单位为m；水体泥沙中值粒径d₅₀的单位为mm；沙粒的容重和水的容重的单位分别为kg/m³；

Ⅱ式：，

其中，水深h的单位为m；水体泥沙中值粒径d₅₀的单位为mm；常数e为0.4。