渦流室式摻氣擾動疏浚耙具效果試驗研究

韓 露，郭文華，高祥宇，劉高峰

(1. 上海河口海岸科學研究中心，上海 201201; 2. 南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

長江口深水航道開通后，在徑、潮流及波浪作用下，以懸沙落淤為主的回淤特點使得航槽需進行常年維護疏浚，其疏浚施工工藝為采用自航耙吸船裝艙溢流進行航槽疏浚，疏浚土由耙吸船自航運至吹泥站或傾倒區拋泥。耙吸式挖泥船是一種裝備有耙頭挖掘機具和水力吸泥裝置的自航、裝倉式挖泥船，利用泥泵的真空作用，通過耙頭和吸泥管自河底吸收泥漿進入挖泥船的泥艙中。傳統耙吸式挖泥船疏浚施工中易造成點狀凹坑，受潮位影響或出現超挖、疏浚水深不足等問題。

近年來，耙吸式挖泥船在船型尺度上不斷向大型、特大型邁進[1-2]，提出耙吸挖泥船艕帶泥駁疏浚等優化[3]，創新提出適用于特定土質、特定環境的高效耙頭型式[4-5]，同時為提高耙吸效率，在耙頭處增設高壓沖水氣嘴[6-7]，增強其對固結回淤物的擾動，其研究成果多集中于探索高壓、淹沒射流的動力特征方面[8-9]，以期提高疏浚效率，最終實現疏浚成本的降低。借鑒擋潮閘下港道清淤機具耙具型式[10]、基于上述耙頭動力改進的思路，結合長江口深水航道沉積物較為松散、淤積物上覆有流動性較強的高密度浮泥層的特點，提出適用于長江口沉積物特性的摻氣擾動耙具。即通過改進耙頭動力，向近底高濃度懸沙水體注入具有一定能量的氣體，增強周圍水流的紊動切應力，通過改變近底水體紊動特性增強表層沉積物再懸浮能力，并實現隨潮流輸移。

基于前期現場試驗結果，摻氣擾動后水體中上層含沙量確有明顯增大，水體表層出現渾濁泥沙云團，在一定程度上說明采用摻氣擾動耙具可實現近底泥沙懸揚，但受限于現場條件的復雜性，無法量化其擾動效率，明確摻氣擾動疏浚的最佳作業形式。因此，本研究自主搭建了擾動疏浚試驗平臺，通過開展系列室內試驗，對比不同氣嘴孔徑、不同氣嘴布置型式下摻氣擾動后水體含沙量變化，探討渦流室式疏浚耙具設計型式，論證并推薦空壓機最佳作業流量、壓力等主要性能參數，估算擾動效果，旨在為后續摻氣擾動工藝創新提供思路和方向。

1 室內試驗

1.1 模型平臺

為開展系列擾動疏浚試驗研究，搭建了一個4 m×2 m×6 m的箱體試驗平臺，主體結構為鋼結構，兩側設置觀察孔，頂部為工作平臺、布置吊機機械，底部開設排泥孔、排水孔和進氣孔，布置見圖1。考慮到航道水深大、表層回淤物質以浮泥為主，根據浮泥運動特性，經反復論證，最終確定平臺深度為6 m(其中，有效水深5 m、浮泥厚度0.5 m，富裕水深0.5 m)。本試驗平臺為原型比尺試驗平臺，泥沙采用天然浮泥，中值粒徑7 μm，有效避免了比尺模型中模型沙和耙具、氣嘴等尺寸難統一、動力特性精度低等問題。

圖1 摻氣擾動疏浚試驗平臺布置Fig. 1 Platform for aero-dynamic dredging test

1.2 測量設備

本文試驗觀測重點在于獲得不同工況下水體含沙量垂向分布。中上層水體含沙量采用OBS密度儀測沙法；對于底部高濃度含沙水層，采用音叉密度儀補測失真區域的含沙量。水體含沙量與含沙水體密度存在理論換算公式：

ρ(S,c)=ρw(S)+{[1-ρw(S)/ρs]c}

式中：ρ為含沙水體密度，kg/m3；S為水體含沙量，kg/m3；c為渾水不含沙情況下水體密度，kg/m3；ρs為原狀土密度，kg/m3。

試驗前對OBS/音叉密度儀含沙量數據樣本與傳統采樣方法獲得的含沙量數據樣本進行對比分析。由圖2結果可知，兩種方法含沙量垂線分布趨勢基本吻合，均值較為接近。

圖2 不同測量方法測得含沙量對比Fig. 2 Comparison of sediment concentration with different measurements

1.3 沙樣準備

泥沙沉降試驗是為確保疏浚試驗平臺底部高含沙量水體有效形成的預備試驗。考慮到泥沙沉降速度緩慢，為縮短沙樣準備時間，每噸水體中按比例摻入絮凝劑0.17 kg，并控制水體含鹽度為0.15‰，以實現快速沉降。

經試驗率定，節流閥后絕對壓力與瞬時氣流量存在較好的正相關性(圖9)。考慮到耙具施工作業水深近15 m，比試驗水深增深10 m，按1 m水柱壓力約0.1×105Pa等效換算，以室內試驗推薦壓力4.5×105Pa為基礎，現場耙具實際壓力應為5.5×105Pa，耙具氣流量約為40.1 m3/min。

圖3 不同時刻水體密度垂向分布Fig. 3 Vertical density distribution of sediment-concentrated water bodies at different time

1.4 氣力輸送

式中：SSC為水體含沙量，kg/m3；ρs為泥沙密度，取2 650 kg/m3；ρw為水體密度，取998 kg/m3。

經對比，30 s工況中含沙量垂線突變點位于3.7 m水深處，對應含沙量為8.9 kg/m3(圖4)；60 s工況中含沙量垂線突變點位于2.0 m水深處，對應含沙量為8.8 kg/m3(圖4)；且突變點上、下水體含沙量呈明顯梯度分布(圖4)，均可作為疏浚試驗條件。綜合考慮空壓機性能，后續擾動試驗選擇30 s氣力輸送歷時作為輸入條件。

圖4 不同吹氣時程水體含沙量垂向分布Fig. 4 Vertical sediment concentration distribution of sediment-concentrated water bodies in different blowing time periods

1.5 耙具型式

渦流室式摻氣擾動疏浚耙具主要包括渦流室耙具部件、供氣部件和擾動部件： 1)渦流室單元可根據需要增減(組裝式)，每單元腔室單側布置雙排氣嘴，氣嘴孔徑大小可根據需要進行調節； 2)通過空壓機供氣，進出口設置氣體壓力計監測控制氣體壓力； 3)高壓氣體經氣嘴噴出，不同的氣嘴孔徑、氣嘴數量、氣嘴排列型式、氣體壓力、氣體流量產生不同的氣體渦動強度。具體設計見圖5。

圖5 渦流室式摻氣擾動疏浚耙具示意Fig. 5 Sketch of of the swirl-chamber-type aero-dynamic dredge rake

2 擾動耙具氣嘴布置效率分析

2.1 氣嘴孔徑比選

在實際開展不動產測繪工作中，具備資質和條件的測繪機構在進行房產測繪時，需要不動產登記部門進行有效的監督管理，這不僅可以實現不動產測繪市場化運營，同時對于測繪機構自身發展也有一定的促進作用。另外，測繪機構在接受開發商委托后開展相應的測繪工作，同時將一系列信息會公布到相應的網站上，不僅給監督管理部門開展工作提供了便利，同時也使得社會群眾可以對其進行監督。在完成測繪工作后，如果購房者對測繪質量存在異議，可以隨時申請復測，以確保房產測繪質量水平的提升。

1.2.1.1 細胞培養 將SiHa、Hela、MS751人宮頸癌細胞、HcerEpic人正常子宮頸上皮細胞復蘇后轉入DMEM細胞培養基（含10%胎牛血清），加入鏈霉素、青霉素，置于CO2培養箱（5%CO2，37℃）常規培養，傳代2～3代，無菌操作。收集對數生長期細胞進行實驗。

表1 試驗工況布置Tab. 1 Arrangement of test conditions

對擾動后中上層水體含沙量變化進行統計分析，以評價擾動效果。表2為控制氣嘴氣流量為2.0 m3/min時，不同氣嘴孔徑下0～3 m水層含沙量變化情況。結果表明，相同氣嘴孔徑下，氣流量增加，氣體對泥沙的擾動效果增強；在試驗流量范圍內(0.95～4.1 m3/min)沒有出現明顯拐點，含沙量增大呈線性變化。在相同的氣流量下，2 mm氣嘴擾動后水體含沙量增幅在6～10 kg/m3，大于1 mm、3 mm、5 mm氣嘴(圖6)。總的來看，1 mm氣嘴，孔徑太細、氣體出流不暢；3 mm與5 mm氣嘴雖利于出流，但氣體壓力較小，擾動結果并不理想。因此，推薦孔徑2 mm氣嘴作為耙具最終確定氣嘴。

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