CN107042871B - 确定淤泥质港口适泊淤泥密度值的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种确定淤泥质港口适泊淤泥密度值的方法，包括1)水深测量；2)淤泥密度垂线分布测量；3)船舶停泊时的潮位和吃水观测记录及监测船舶状态；4)触泥深度数值计算；5)获得适泊淤泥密度值。该发明克服了现有确定适泊淤泥密度值的方法未能反映出现场的淤泥密度分布情况和船舶停泊实际上是处于静止状态的特征的缺点，具有所得的适泊淤泥密度值能反映出现场的淤泥密度分布情况和船舶停泊的静止状态特征、实用价值高的优点。

Description

确定淤泥质港口适泊淤泥密度值的方法
技术领域
本发明涉及一种确定淤泥质港口适泊淤泥密度值的方法，应用在水运工程研究领域。
背景技术
如图1所示，许多淤泥质港口存在大量由细颗粒泥沙组成的浮泥，密度较小的浮泥具有与水类似的流动特性，不会对航行与停泊作业过程中的船底龙骨造成伤害，对其操作性能也无明显影响，部分可作为水深使用以增加港口使用水深，即适航水深(适航水深为理论基面到适航淤泥密度界面的距离)。在高频回声仪所测水深加上其反射面以下能确保船舶安全航行与停泊作业的小密度回淤层的厚度，小密度回淤层的厚度称为适航厚度(适航厚度为高频反射界面到适航淤泥密度界面的距离)。但为了进一步减少维护疏浚频率和疏浚量，船舶可以乘高潮靠、离码头，在泊位停泊期间应用“适泊水深(适泊水深为理论基面到适泊淤泥密度界面的距离)”，即将泊位中密度大于适航淤泥密度值的部分淤泥层仍视为水深，则可利用的淤泥层厚度就会增加很多。适泊厚度为高频反射界面到适泊淤泥密度界面的距离。但不论是适航水深还是适泊水深，对应的适航淤泥密度或适泊淤泥密度值都是最重要的参数之一，即能够满足作业安全的最大淤泥密度。
对于适航淤泥密度值的确定，《淤泥质海港适航水深应用技术规范》(JTJ/T 325-2006)、《海港总体设计规范》(JTS 165-2013)明确给出了方法，主要是通过淤泥流变试验和船模阻力试验这两种室内试验来确定，即建立屈服应力与淤泥密度的关系曲线、船模阻力与淤泥密度的关系曲线，进而以曲线中的拐点作为适航淤泥密度值。也有学者如金鏐等人(《淤泥质港口航道适航密度确定方法的改进》，水运工程，2013.2)从淤泥流态角度来确定适航淤泥密度值。但是当船舶停靠在泊位中处于静止状态时，没有上述的淤泥屈服应力、船模阻力或淤泥流态等问题，也就不能采用上述方法来确定适泊淤泥密度值。
刘富强和孙建澎(见《天津港适航水深资源的开发》水道港口,2002，23(增刊)：161-169)提出了“适泊水深”的概念，并采用以下方法确定适泊淤泥值：考虑到能静态托起张网三爪砣的浮泥为“适泊水深”的下界面，对船舶停泊不会有什么影响，况且，利用“适泊深度”时主要为低潮时船舶的下沉(无航行)，为此，建议天津港深水泊位“适泊深度”下界面浮泥重度取13.0kN/m3，即将“塑性体”浮泥层也计入水深。由此可知，他们主要是采用了三爪砣来确定适泊重度(或密度)，即能够静态托起张网三爪砣的淤泥界面的密度。这种方法存在以下问题：(1)没有跟船舶联系起来，并不能知道船舶接触这个密度的淤泥是否安全；(2)三爪砣的重量是固定的，则能够静态托起张网三爪砣的淤泥密度值也是固定的，即采用三爪砣只能测量出单层的淤泥密度，并不能测量出其上层和下层的淤泥密度，所以即便进行实船试验，也不能知道船底接触层的密度。(3)三爪砣由于严重依赖于操作人员的操作过程，精度较低。所以这种确定适泊淤泥密度值的方法并没有在其它港口推广应用，也没有写进《淤泥质海港适航水深应用技术规范》(JTJ/T 325-2006)和《海港总体设计规范》(JTS165-2013)。事实上正是由于缺少适泊淤泥密度值的确定方法，在编写规范时就没有提及该项内容(申请人参加了《淤泥质海港适航水深应用技术规范》(JTJ/T 325-2006)的相关编写工作)。
另外，申请人在开展连云港适航水深应用研究时，曾经提出了一种适泊淤泥密度值的确定方法如下(该成果已被文章《适航水深在连云港港口的初步应用》(谢春秋、叶建林，《港工技术》2009.3)所引用)：流变试验得出的屈服应力与淤泥密度的关系曲线、船模阻力试验得出的阻力与淤泥密度的关系曲线，其实都不存在真正的拐点(曲线可以用指数关系式来很好地拟合)，只是表观上有个拐点，因此从两条关系曲线得出的拐点都是范围值，将下限值12.2kN/m3作为适航重度值，而上限值12.4kN/m3作为适泊重度值。由此可知，这种方法确定的适泊淤泥密度值仍是基于试验室内的流变或船模结果得出的运动状态下的数值，未能反映出现场的淤泥密度分布情况和船舶停泊实际上是处于静止状态的特征，也就导致事实上这种取上限值的方法所确定的适泊水深在港口现场并没有太大的实用价值，因为淤泥密实一段时间后上、下限值间的淤泥层厚度也会很薄。
因此，目前尚没有真正能够依据现场密度垂线分布特征和船舶实际状态等来动态测量确定适泊淤泥密度值的方法，导致《淤泥质海港适航水深应用技术规范》(JTJ/T 325-2006)和《海港总体设计规范》(JTS 165-2013)都不能做出相关规定，适泊水深也没有真正地被应用。因此提供一种能依据港口现场密度垂线分布特征和船舶实际状态动态测量确定淤泥质港口适泊淤泥密度值的方法己成为当务之亟。
发明内容
为了克服现有确定适泊淤泥密度值的方法未能反映出现场的淤泥密度分布情况和船舶停泊实际上是处于静止状态的特征的缺点，本发明提供一种确定淤泥质港口适泊淤泥密度值的方法，其通过实船试验及现场系统测量的方法得出适泊淤泥密度值，具有所得的适泊淤泥密度值能反映出现场的淤泥密度分布情况和船舶停泊的静止状态特征、实用价值高的优点。
本发明的技术方案如下：
一种确定淤泥质港口适泊淤泥密度值的方法，包括以下步骤：
1)水深测量：在船舶进港前对水深进行测量，并将水深测量数值修正为理基水深(理基水深的测定方法可参照水运工程测量规范(JTS 131-2012)执行)；
2)淤泥密度垂线分布测量：于船舶进港前在覆盖整个泊位区域内选定的多个泊位内布设多个测量点，对泥-水交界面以下的各泥层深度所对应的淤泥密度进行垂线分布测量，并将各泥层深度都修正到所述理基水深(方法为用实测泥层深度值减去测量时刻所对应的潮位值所得值)，绘制出各测量点的淤泥密度垂线分布图；
3)船舶停泊时的潮位、吃水观测记录及监测船舶状态：让试验船舶乘高潮停泊到码头上，从最高潮位开始至下一个最高潮位结束的观测时间内观测记录多个时间点的潮位和船舶任一指定部位的吃水数据，并同时观测船体倾斜情况以监测船舶状态，保证船舶停泊期间船体的倾斜度≤4°，且保证所述观测时间内至少有一次能观测到船舶底部接触到淤泥；
4)触泥深度数值计算：根据步骤3)得到的船舶停泊时的潮位、吃水数据和步骤1)得到的理基水深数据，并采用以下计算式计算出所述多个时间点的所述船舶多个指定部位的触泥深度：触泥深度＝指定部位的吃水-潮位-指定部位的理基水深，绘制出所述船舶多个指定部位底部至泥面距离的变化曲线图，并根据该图确定所述船舶多个指定部位各自的触泥最大深度；
5)获得适泊淤泥密度值：根据步骤2)所获得的各测量点的淤泥密度垂线分布图分别找到步骤4)所述船舶多个指定部位各自的触泥最大深度处所对应的各测量点淤泥密度值，即为所述船舶多个指定部位各自的适泊淤泥密度值，而所述船舶多个指定部位的适泊淤泥密度值中的最大值即该港口的适泊淤泥密度值。
如图1所示，理基水深，又称为图载水深，为理论基面到高频反射界面的距离。本申请的确定淤泥质港口适泊淤泥密度值的方法利用实船试验及现场系统测量的方法，测量并绘制出淤泥密度垂线分布图，根据理基水深及观测记录船舶停泊时的潮位、吃水数据，确定船舶多个指定部位的触泥最大深度，进而再根据淤泥密度垂线分布图得出所述船舶多个指定部位各自的适泊淤泥密度值，所述多个适泊淤泥密度值中的最大值即该港口的适泊淤泥密度值。其相比现有的适泊淤泥密度值的确定方法而言，实用价值高，能有效反应出现场的淤泥密度分布情况和船舶停泊的静止状态特征。
所述步骤2)淤泥密度垂线分布测量的两两相邻深度的测量点的垂线间距<0.01m，淤泥密度的测量精度为1.0kg/m3；所述淤泥密度测量范围的最顶层淤泥密度≤1030kg/m3，最底层淤泥密度为1300-1500kg/m3。
所述测量点的垂线间距的设定和淤泥密度测量精度使得绘制的淤泥密度垂线分布图更加准确。淤泥密度测量范围的限定使得对适泊淤泥的位置定位更加准确。
所述淤泥密度测量范围的最顶层淤泥密度的优选值为1030kg/m3。
所述船舶指定部位为船艏、船中和船尾。
所述步骤3)中试验船舶高潮位时实际水深或适航水深数值>1.12倍船舶指定部位的吃水数值。
该限定可满足船舶的操作性要求。
所述步骤3)的观测时间为低潮位前后至少各3h。
该观测时间设计合理，能保证覆盖涨落潮的全过程。
所述步骤3)的吃水和潮位的观测记录频率为每1次/10min，且测量精度<0.01m，所述实际水深的测量精度≤0.01m，船舶状态的监测频率为每1次/10min。
以上观测记录频率和测量精度的限定，使得观测数值更加全面和精确，保证了触泥最大深度的获得。
所述淤泥质港口的泥沙为粒径<0.01mm的粘性细颗粒泥沙，该粘性细颗粒泥沙中粘土重量比例>30％。
与现有技术相比，本发明申请具有以下优点：
1)本申请的确定淤泥质港口适泊淤泥密度值的方法采用的是实船试验及现场系统测量，实用价值高，能有效反应出现场的淤泥密度分布情况和船舶停泊的静止状态特征；
2)对所述淤泥密度垂线分布测量点的垂线间距和淤泥密度测量范围的限定使得淤泥密度垂线分布图的数据更加全面、对适泊淤泥的位置定位更加准确；
3)对各观测项目观测频率和观测精度的限定，使得所得观测数据更加全面且精确，保证了适泊淤泥密度值的正确性。
附图说明
图1是船舶停泊时各水位线示意图；
图2是测量点1#淤泥平均密度垂线分布曲线图；
图3是测量点2#淤泥平均密度垂线分布曲线图；
图4是测量点3#淤泥平均密度垂线分布曲线图；
图5是船尾底部至泥面距离及实际吃水的变化曲线图；
图6是船艏底部至泥面距离及实际吃水的变化曲线图；
图7是船中底部至泥面距离及实际吃水的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明所述的一种确定淤泥质港口适泊淤泥密度值的方法，包括以下步骤：
1)水深测量：在船舶进港前对水深进行测量，并将水深测量数值修正为理基水深；
2)淤泥密度垂线分布测量：于船舶进港前在覆盖整个泊位区域内选定的多个泊位内布设多个测量点，对泥-水交界面以下的各泥层深度所对应的淤泥密度进行垂线分布测量，并将各泥层深度都修正到所述理基水深以下，绘制出各测量点的淤泥密度垂线分布图；
3)船舶停泊时的潮位、吃水观测记录及监测船舶状态：让试验船舶乘高潮停泊到码头上，从最高潮位开始至下一个最高潮位结束的观测时间内观测记录多个时间点的潮位和船舶任一指定部位的吃水数据，并同时观测船体倾斜情况以监测船舶状态，保证船舶停泊期间船体的倾斜度≤4°，且保证所述观测时间内至少有一次能观测到船舶底部接触到淤泥；
4)触泥深度数值计算：根据步骤3)得到的船舶停泊时的潮位、吃水数据和步骤1)得到的理基水深数据，并采用以下计算式计算出所述多个时间点的所述船舶多个指定部位的触泥深度：触泥深度＝指定部位的吃水-潮位-指定部位的理基水深，绘制出所述船舶多个指定部位底部至泥面距离的变化曲线图，并根据该图确定所述船舶多个指定部位各自的触泥最大深度；
5)获得适泊淤泥密度值：根据步骤2)所获得的各测量点的淤泥密度垂线分布图分别找到步骤4)所述船舶多个指定部位各自的触泥最大深度处所对应的各测量点淤泥密度值，即为所述船舶多个指定部位各自的适泊淤泥密度值，而所述船舶多个指定部位的适泊淤泥密度值中的最大值即该港口的适泊淤泥密度值。
所述步骤2)淤泥密度垂线分布测量的两两相邻深度的测量点的垂线间距<0.01m，淤泥密度的测量精度为1.0kg/m3；所述淤泥密度测量范围的最顶层淤泥密度≤1030kg/m3，最底层淤泥密度为1300-1500kg/m3。所述淤泥密度测量范围的最顶层淤泥密度优选为1030kg/m3。所述船舶指定部位为船艏、船中和船尾。所述步骤3)中试验船舶高潮位时实际水深或适航水深数值>1.12倍船舶指定部位的吃水数值。所述步骤3)的观测时间为低潮位前后至少各3h。所述步骤3)的吃水和潮位的观测记录频率为每1次/10min，且测量精度<0.01m，所述实际水深的测量精度≤0.01m，船舶状态的监测频率为每1次/10min。所述淤泥质港口的泥沙为粒径<0.01mm的粘性细颗粒泥沙，该粘性细颗粒泥沙中粘土重量比例>30％。
实施例
一种确定淤泥质港口适泊淤泥密度值的方法，包括以下步骤：
一)现场采集泥沙判断本方法是否适用于该港口
现场采集某港口泊位水域的回淤泥沙，经颗分试验得知，泥沙样品的中值粒径D50相对较为均匀，介于0.0038～0.0103mm，平均值为0.0065mm；粘土重量比例介于29～52％，平均为39.8％，属粉砂质粘土或粘土质粉砂。另外，泥沙回淤资料表明该泊位淤泥严重，有较厚的淤泥层。可知该港口泊位水域满足应用本方法确定适泊淤泥密度值的基本条件。
二)实船试验及现场系统测量
2016年1月15日，利用某船舶开展实船试验。在最高潮位前1小时，该船停靠到码头上，然后进行装、卸货作业。装、卸货作业满足两点要求：一是至少在最低潮位的一段时间内船舶能够接触到淤泥(可预先根据潮汐表和理基水深估算最低潮位时的实际水深，进而控制装、卸货速度，以保证最低潮位附近时刻船舶吃水大于实际水深。另外，本实例在最低潮位前后时刻还停止了装、卸货，以便于观测)，二是要求船上货物装配基本平衡以避免船体发生过大倾斜。
开展了以下5项现场系统测量：(1)泊位内布设测量点1-3#进行淤泥密度垂线分布精密测量(测量仪器采用音叉密度计，得出该3个测量点各泥层深度对应淤泥平均密度分布曲线(如图2-4所示)，其纵坐标为泥-水交界面(最顶层淤泥密度取1030kg/m3)以下的泥层深度(即泥面下距离)，横坐标为各泥层深度所对应的淤泥密度值。)；(2)水深测量；(3)船舶吃水定时观测；(4)潮位定时观测；(5)船舶状态定时观测。其中淤泥密度垂线分布测量和水深测量工作在船舶进港前测量完成，并将水深测量的水深数值修正为理基水深。
三)根据船舶船尾、船艏和船中分别在测量点1-3#的吃水、潮位动态监测数据以及理基水深，计算出船尾、船艏和船中各自的触泥深度(如表1-3所示)，并绘制出船舶在停靠码头期间船尾、船艏和船中底部至泥面距离及实际吃水的变化曲线图(如图5-7所示)。
表1船舶停泊期间数据检测表(船尾)
表2船舶停泊期间数据检测表(船艏)
表3船舶停泊期间数据检测表(船中)
四)由图6-7可知，在低潮时船尾、船艏、船中已经“坐”入淤泥当中，船尾、船艏、船中的触泥最大深度分别为0.56m、0.14m、0.36m。
五)采用测量点1、2、3#的淤泥平均密度垂线分布曲线图(如图2-4所示)，分别找出上述船尾、船艏、船中的触泥最大深度处对应的密度值。可知，泥面下0.39m、、0.14m、0.36m处的淤泥层的平均密度分别为1316kg/m3、1250kg/m3、1322kg/m3，其中平均密度最大值为1322kg/m3，即为该港口的适泊淤泥密度值。
动态监测并没有发现船舶出现任何异常，船上相关操作人员也表示一切正常。因此，可取该泊位的适泊淤泥密度值为1322kg/m3。
本发明所述的确定淤泥质港口适泊淤泥密度值的方法并不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本发明原理的任何改进或替换，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种确定淤泥质港口适泊淤泥密度值的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)水深测量：在船舶进港前对水深进行测量，并将水深测量数值修正为理基水深；
2)淤泥密度垂线分布测量：于船舶进港前在覆盖整个泊位区域内选定的多个泊位内布设多个测量点，对泥-水交界面以下的各泥层深度所对应的淤泥密度进行垂线分布测量，并将各泥层深度都修正到所述理基水深，绘制出各测量点的淤泥密度垂线分布图；
3)船舶停泊时的潮位、吃水观测记录及监测船舶状态：让试验船舶乘高潮停泊到码头上，从最高潮位开始至下一个最高潮位结束的观测时间内观测记录多个时间点的潮位和船舶任一指定部位的吃水数据，并同时观测船体倾斜情况以监测船舶状态，保证船舶停泊期间船体的倾斜度≤4°，且保证所述观测时间内至少有一次能观测到船舶底部接触到淤泥；
4)触泥深度数值计算：根据步骤3)得到的船舶停泊时的潮位、吃水数据和步骤1）得到的理基水深数据，并采用以下计算式计算出所述多个时间点的所述船舶多个指定部位的触泥深度：触泥深度=指定部位的吃水-潮位-指定部位的理基水深，绘制出所述船舶多个指定部位底部至泥面距离的变化曲线图，并根据该图确定所述船舶多个指定部位各自的触泥最大深度；
5)获得适泊淤泥密度值：根据步骤2)所获得的各测量点的淤泥密度垂线分布图分别找到步骤4）所述船舶多个指定部位各自的触泥最大深度处所对应的各测量点淤泥密度值，即为所述船舶多个指定部位各自的适泊淤泥密度值，而所述船舶多个指定部位的适泊淤泥密度值中的最大值即该港口的适泊淤泥密度值。
2.根据权利要求1所述的确定淤泥质港口适泊淤泥密度值的方法，其特征在于：所述步骤2)淤泥密度垂线分布测量的两两相邻深度的测量点的垂线间距<0.01m，淤泥密度的测量精度为1.0kg/m3；淤泥密度测量范围的最顶层淤泥密度≤1030kg/m3，最底层淤泥密度为1300-1500kg/m3。
3.根据权利要求1所述的确定淤泥质港口适泊淤泥密度值的方法，其特征在于：淤泥密度测量范围的最顶层淤泥密度为1030kg/m3。
4.根据权利要求1所述的确定淤泥质港口适泊淤泥密度值的方法，其特征在于：所述船舶指定部位为船艏、船中和船尾。
5.根据权利要求1所述的确定淤泥质港口适泊淤泥密度值的方法，其特征在于：所述步骤3)中试验船舶高潮位时实际水深或适航水深数值>1.12倍船舶指定部位的吃水数值。
6.根据权利要求1所述的确定淤泥质港口适泊淤泥密度值的方法，其特征在于：所述步骤3)的观测时间为低潮位前后至少各3h。
7.根据权利要求1所述的确定淤泥质港口适泊淤泥密度值的方法，其特征在于：所述步骤3)的吃水和潮位的观测记录频率为每1次/10min，且测量精度<0.01m，实际水深的测量精度≤0.01m，船舶状态的监测频率为每1次/10min。
8.根据权利要求1-7任一项所述的确定淤泥质港口适泊淤泥密度值的方法，其特征在于：所述淤泥质港口的泥沙为粒径<0.01mm的粘性细颗粒泥沙，该粘性细颗粒泥沙中粘土重量比例>30%。
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