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  • ISSN 1007-6336
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沉沙池内拦沙帘拦沙特性试验研究

彭程 耿宝磊 陈松贵 赵鹏 张琪

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沉沙池内拦沙帘拦沙特性试验研究

    作者简介: 彭程(1989-), 男, 天津塘沽人, 助理研究员, 主要从事波浪与结构物作用研究, E-mail:pengcheng3127@163.com;
    通讯作者: 耿宝磊, tksgengbaolei@163.com
  • 基金项目: 国家自然科学基金 51409135
    中央级科研院所基本科研业务费专项 TKS160107
    天津市应用基础与前沿技术研究计划 15JCQNJC07300

  • 中图分类号: O652

Experimental study on sand blocking characteristics of silt curtain in the settling basin

    Corresponding author: Bao-lei GENG, tksgengbaolei@163.com ;
  • CLC number: O652

  • 摘要: 本文针对沉沙池内拦沙帘拦沙特性,以原型拦沙帘为研究对象,通过二维水槽物理模型试验研究了拦沙帘的渗透系数和不同潮位时的截沙率,分析了不同因素(流速、潮位、泥沙粒径)对拦沙帘截沙率的影响。研究结果表明,拦沙帘的渗透系数不仅与自身孔隙值大小、形状和连通性有关,也取决于所在含沙水体的运动变化情况,当水流流速越快时,拦沙帘横向渗透系数越小;拦沙帘对粒径较大泥沙的截沙率更高,且其他条件不变时,水流流速越快,拦沙帘下方逸沙空隙越大即潮位越高时,截沙率明显降低。
  • 图 1  沉沙池平面布置

    Figure 1.  Settling basin layout

    图 2  模型试验模型布置

    Figure 2.  Physical model layout

    图 3  模型实体照片

    Figure 3.  Physical model photo

    图 4  物理模型试验中的拦沙帘

    Figure 4.  Silt curtain in physical model

    图 5  工程区海沙级配曲线

    Figure 5.  Sand grading curve of project area

    图 6  拦沙帘截沙率试验结果

    Figure 6.  The results of blocking effectiveness

    表 1  拦沙帘物理特征参数

    Table 1.  Silt curtain characteristic

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    表 2  渗透系数试验工况组合

    Table 2.  Test condition of permeability coefficient

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    表 3  截沙率试验工况组合

    Table 3.  Test condition of sand blocking effectiveness

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    表 4  横向渗透系数结果

    Table 4.  The results of horizontal permeability coefficient K

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图(6)表(4)
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-12-08
  • 录用日期:  2018-01-10
  • 刊出日期:  2019-06-20

沉沙池内拦沙帘拦沙特性试验研究

    作者简介:彭程(1989-), 男, 天津塘沽人, 助理研究员, 主要从事波浪与结构物作用研究, E-mail:pengcheng3127@163.com
    通讯作者: 耿宝磊, tksgengbaolei@163.com
  • 1. 交通运输部天津水运工程科学研究院港口水工建筑技术国家工程实验室, 天津 300456
  • 2. 天津友邦助建工程咨询有限公司, 天津 300456
基金项目:  国家自然科学基金 51409135中央级科研院所基本科研业务费专项 TKS160107天津市应用基础与前沿技术研究计划 15JCQNJC07300

摘要: 本文针对沉沙池内拦沙帘拦沙特性,以原型拦沙帘为研究对象,通过二维水槽物理模型试验研究了拦沙帘的渗透系数和不同潮位时的截沙率,分析了不同因素(流速、潮位、泥沙粒径)对拦沙帘截沙率的影响。研究结果表明,拦沙帘的渗透系数不仅与自身孔隙值大小、形状和连通性有关,也取决于所在含沙水体的运动变化情况,当水流流速越快时,拦沙帘横向渗透系数越小;拦沙帘对粒径较大泥沙的截沙率更高,且其他条件不变时,水流流速越快,拦沙帘下方逸沙空隙越大即潮位越高时,截沙率明显降低。

English Abstract

  • 在海洋环境科学中,悬浮固体总量(total suspended solids)是衡量海水水质的重要指标[1-2],海上作业如疏浚和开挖施工过程均可能对周围海域水质造成一定影响,因此在保证正常施工进度的同时,采用环保疏浚和开挖对于创造清洁健康的海洋环境、防止海洋污染有着重要的意义[3]

    本研究以迪拜某电厂工程为依托,该工程位于波斯湾内一珊瑚礁保护区附近,海上疏浚和开挖施工过程中,施工区水体会产生剧烈的扰动,吹填排放的含沙水体经沉沙池沉淀后直接排放至周围海域,这都会使海水悬浮固体总量(TSS)高于自然状态;水体中的悬沙经自由沉降后,附着在礁区珊瑚表面时,会对珊瑚的生长造成不利影响,从而破坏珊瑚种群多样性和珊瑚生物群落多样性[4-5]

    根据不同海水用途,我国对海水水质中悬浮的物浓度规定造成增加量不得超过10~150 mg/L[6];本项目中,工程当地政府要求吹填尾水导致临近海域TSS值的增加量不超过70 mg/L。为满足吹填尾水水质的排放要求,在吹填区域沿岸设多级沉沙池,并在沉沙池后半段的堰顶设置多个溢流槽引取表层清水,并在末级沉沙池内布置一道长约85m的拦沙帘,最大程度上降低排放尾水中TSS数值。当扰动的含沙水体中的泥沙经过沉沙池沉淀后,水体含沙量明显降低[7]。本研究中沉沙池及拦沙帘平面布置见图 1

    图  1  沉沙池平面布置

    Figure 1.  Settling basin layout

    许多学者对沉沙池相关问题做了大量研究。在国外有关研究中,M Al-Sammarraee等[8]对沉沙池中的颗粒沉降进行大涡模拟;AI Stamou等[9]通过湍流模型对矩形沉淀池中的水体流动和颗粒沉降进行了数值模拟;S Zhou等[10]建立了平流沉淀池中速度场和悬浮物输移场的预测模型。国内学者研究中,周益人[11]对沉淀粒径较细的粉沙质沉沙池设计进行了优化;蔡金傍[12]等建立了沉淀池二维水流模型和悬浮物输移模型,并利用实测资料进行了验证;魏炳乾等[13]基于ADI技术和双扫描法,对沉沙池沉沙效果进行了平面二维数值模拟;华根福等[14]采用湍流模型对沉沙池内的水流流态进行了模拟;宗全利等[15]通过模型试验分析了溢流槽对沉沙池溢流堰长度的影响;王仁龙[16]论述了水利工程沉沙池泥沙沉降的各种计算方法,并结合实例进行了分析验证。多数学者围绕沉沙池内水流流态和沉沙池本身布局设计进行了研究,而对于沉沙池内布置拦沙帘的相关研究成果较少。

    本文基于物理模型试验,研究拦沙帘横向渗透系数及在不同潮位时的截沙率,分析不同因素对拦沙帘截沙率的影响,为相关三维泥沙输移扩散数学模型中拦沙帘处边界条件的给定提供数据支持,为海洋工程中的海洋环境保护措施提供一定的参考。

    • 试验在交通运输部天津水运工程科学研究院波流水槽中进行,水槽长45 m,宽0.5 m,高1.2 m。水槽底部设有造流连通装置,循环造流系统可通过计算机自动控制产生双向流场,造流流量为400 m3/h。流速采用声学多普勒流速仪测量。

    • 试验选取与水槽等宽的拦沙帘固定在水槽一端,拦沙帘底部设置不同宽度的逸沙空隙,以模拟不同水位时拦沙帘底部与沉沙池底部的距离。拦沙帘上游3 m区域内为模型沙加沙区。下游距拦沙帘10 m设置一流速测量仪,用于测定水槽内流速情况。对水槽底部光滑玻璃表面加糙,尽可能与沉沙池内天然海床情况一致。水槽模型布置图见图 2,模型实体照片见图 3

      图  2  模型试验模型布置

      Figure 2.  Physical model layout

      图  3  模型实体照片

      Figure 3.  Physical model photo

      本次试验中使用的拦沙帘,与工程现场沉沙池内拟采用拦沙帘相同,如图 4所示。主要由缆绳、漂浮筒、拦沙网衣和均衡重锤组成。拦沙帘物理特征参数见表 1

      图  4  物理模型试验中的拦沙帘

      Figure 4.  Silt curtain in physical model

      表 1  拦沙帘物理特征参数

      Table 1.  Silt curtain characteristic

      本次试验中,需考虑沉沙过程中的水流条件相似,泥沙运动相似和拦沙帘物理特性相似。结合试验所研究问题的性质和试验设备能力,决定采用几何比尺λ=1的正态泥沙模型试验。其设计的相似条件如下:

      (1) 水流运动相似

      式中:λvλn分别为流速比尺和糙率系数比尺。

      (2) 泥沙运动相似

      沉沙池内的泥沙来源为吹填疏浚和吹填过程中,挖泥船挖泥后通过管线排放出的含沙水体。排放源附近水体紊动剧烈,泥沙以悬浮和半悬浮状态运动;泥沙逐渐远离排放源的运动过程中,泥沙以沉降和悬移运动为主;在拦沙帘下方的逸沙空隙附近,泥沙会出现部分起动和扬动的运动状态。因此,确定模型泥沙运动相似的基本条件是:悬浮相似、沉降相似、挟沙能力相似、起动相似和扬动相似。

      式中:λωλuλsλv0λvf分别为沉速、摩阻流速、含沙量、起动流速和扬动流速比尺。

    • 试验水位h选取沉沙池所在海域高潮位和低潮位两种情况。高潮位时,沉沙池内水深为6.3 m,拦沙帘和海床间空隙为1.5 m;低潮位时,沉沙池内水深为5 m,拦沙帘和海床间空隙为0.2 m。试验水深为0.8 m,根据水流垂线流速分布的特征,试验中保证模型逸沙空隙处流速与原型一致,即:

      式中:lmlp为逸沙空隙的模型值和原型值;hmhp为水深的模型值和原型值。

      因此,试验中空隙分别为0 m,0.03 m和0.19 m,分别模拟原型中拦沙帘下方不过水,低潮位时逸沙空隙0.2 m和高潮位时逸沙空隙0.5 m三种情况。

    • 沉沙池内水动力条件主要影响因素为水流流速,拦沙帘处流速由前期数学模型结果中提取,不同位置拦沙帘处平均流速为0.02~ 0.039 m/s。

    • 在本次试验中,试验沙样的选取由疏浚和吹填海域的底质取样结果决定。图 5为疏浚和吹填区域海沙级配曲线,试验中选择两种粒径的石英沙作为试验沙样。其中一种沙样粒径为0.125 mm,为海沙中值粒径,模拟疏浚期间的悬沙情况;另一种沙样粒径为0.075 mm,组分含量约15%,模拟沉沙池内沙子悬移运动和堰顶溢流槽的水体含沙情况。

      图  5  工程区海沙级配曲线

      Figure 5.  Sand grading curve of project area

    • 根据以上试验条件,提出本次试验的试验工况组合,拦沙帘渗透系数试验组次见表 2,拦沙帘截沙率实验组次见表 3。在模型中,拦沙帘下方空隙变化范围为0~0.19 m,流速变化范围为0.020~ 0.039 m/s。以下几种试验工况组合可模拟不同潮位、不同海流条件下的拦沙帘对沙样的拦截情况。

      表 2  渗透系数试验工况组合

      Table 2.  Test condition of permeability coefficient

      表 3  截沙率试验工况组合

      Table 3.  Test condition of sand blocking effectiveness

    • 依据《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》(JTS/T 231-2-2010)[17],在正式试验之前对每一组流速进行率定。试验中采用三点法(测量位置为0.2 h,0.6 h和0.8 h)测量垂线平均流速Vm,率定流速的允许偏差±5%以内,计算公式如下:

    • 试验时,首先固定拦沙帘,将水深放至目标水位。启动造流装置,通过调节变频器将流速调节至率定流速v,记录拦沙帘两侧的水位差△h。在前图 2中所示的加沙区注入称好重量的模型沙Wp,模型沙重量根据疏浚的产沙源强确定,保证模型试验中加沙区含沙水体浓度与原型中一致。加沙完毕后,将加沙区水体搅拌均匀,观察拦沙帘下方逸沙空隙的过沙情况。当逸沙空隙处无沙子通过时,视为该工况时的稳定情况,停止试验后收集加沙区的剩余沙,对其进行烘干处理并称重Wr。每组试验重复3次。试验结果给出拦沙帘下方空隙为零时的拦沙帘横向渗透系数k和拦沙帘下方不同空隙宽度条件下的截沙率η,计算公式分别如下:

    • 本节对拦沙帘自身的横向渗透系数进行试验,即拦沙帘渗透系数结果见表 4,试验结果给出了沉沙池内悬移运动为主的沙样(粒径为0.075 mm)在不同流速条件下通过拦沙帘的情况。

      表 4  横向渗透系数结果

      Table 4.  The results of horizontal permeability coefficient K

      根据试验结果可知:当拦沙帘下方逸沙空隙为零时,水质点仅从拦沙帘孔隙中穿过。当平均流速为0.02 m/s时,拦沙帘两侧水位差为0.072 m,横向渗透系数为0.000667;当平均流速上升至0.025 m/s时,拦沙帘两侧水位差亦增大,为0.110 m,此时悬沙的输移运动增多,沉降运动减少,部分沙洋在水流的横向作用下附着在拦沙帘孔隙结构表面,穿过拦沙帘水流速度减小,拦沙帘阻水效果增强,横向渗透系数减小,为0.000545。

      这表明拦沙帘横向渗透系数并非为一个常数,其大小不仅取决于自身孔隙值大小、形状和连通性,也取决于所在含沙水体的运动变化情况。

    • 本节对拦沙帘在不同条件下(不同沙样粒径、流速和逸沙空隙)的截沙率进行试验,结果见图 6。根据试验结果可知:对于细沙(粒径为0.075 mm),当逸沙空隙为0.03 m即模拟沉沙池内低潮位时,随着流速从0.020 m/s增大至0.039 m/s,拦沙帘截沙率从28%降至11%;当逸沙空隙为0.19 m即模拟沉沙池内高潮位时,随着流速从0.020 m/s增大至0.039 m/s,拦沙帘截沙率从18%降至8%。

      图  6  拦沙帘截沙率试验结果

      Figure 6.  The results of blocking effectiveness

      对于粗沙(粒径为0.125 mm),当逸沙空隙为0.03 m即模拟沉沙池内低潮位时,随着流速从0.020 m/s增大至0.039 m/s,拦沙帘截沙率从59%降至44%;当逸沙空隙为0.19 m即模拟沉沙池内高潮位时,随着流速从0.020 m/s增大至0.039 m/s,拦沙帘截沙率从53%降至40%。

      上述结果表明拦沙帘的截沙率与所在水体流速和下方逸沙空隙尺度有关。其他条件不变时,水流流速越快,逸沙空隙越大截沙率越低。这是由于在泥沙沉降过程中,更快的横向流速、更大的逸沙空隙尺度为悬沙横向输移运动提供了更有利的条件,通过逸沙空隙的沙量增多,最终导致拦沙帘的截沙率降低。这意味着沉沙池内更多的泥沙在高潮位时会流失的更快。

      此外,当其他条件不变时,拦沙帘对粒径较大(0.125 mm)的粗沙截沙率更高。这是由于粒径较大的粗沙沉降速度更快,同时需要的起动流速更大。这表明泥沙在沉沙池内运动过程中,水体中的细沙是影响排放水体中总悬浮物浓度的重要因素。

    • (1) 拦沙帘横向渗透系数与所在含沙水体的运动变化情况有关,在试验条件下,拦沙帘的平均横向渗透系数为0.0006。

      (2) 当水体流速增加,逸沙空隙增大,泥沙粒径减小时,拦沙帘的截沙率有所降低。当泥沙粒径为0.075 mm,流速0.02 m/s,逸沙空隙0.03 m时拦沙帘截沙率最高,为59%;当泥沙粒径为0.125 mm,流速0.039 m/s,逸沙空隙0.19 m时截沙率最低,仅为8%。

      (3) 本试验结果可为泥沙输移扩散数学模型中拦沙帘处边界条件的给定提供数据支持,为优化拦沙帘在沉沙池内的布置方式提供参考。

参考文献 (17)

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