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创新的自由落体式触探仪在疏浚工程勘察和评估以及适航深度确定中的应用
发布时间:2021-12-22 浏览次数:46404 来源:欧美大地

摘要

由于沉积物(泥沙)持续流入港口和航道,因此需要进行维护性的疏浚。为了确定疏浚工程的开工时间和土方量,必须对水下沉积物和淤泥层进行监测和分析。本文介绍了一种创新的垂直剖面测量技术,在单次自由落体轨迹上测量水下沉积层的深度、厚度、密度和强度。工作时触探仪先做自由落体运动,然后撞击水下沉积层。在撞击过程中,它测量贯入阻力和压力。该技术可用于疏浚工程的多个方面。与多波束回声测深仪等声学方法相结合,它可用于显示多波束表面下的沉积层。

软沉积物的另外一个重要方面是适航性。如果淤泥的物理参数低于临界极限值,船舶就可以在松散的淤泥层中航行。如今,在许多港口测量的物理参数是密度。密度在历史上被选为强度的替代指标。这种推荐的测量技术可以显示密度和强度剖面,并使港务局能够评估可替代的航海深度标准。

本文作者:K. Geirnaert, P. Staelens, S. Deprez A. Noordijk, A. Van Hassent

关键字:自由落体式触探仪,适航深度,维护性疏浚,密度,流变,抗剪强度,圆锥贯入阻力


自由落体式触探仪介绍

自由落体式触探仪(如图1)在其自身重力作用下加速垂直下落,然后贯入沉积层中。在贯入过程中,它测量水下的沉积层。这套仪器能贯入流体或固结淤泥层数米。它的重量为7-10千克,极限速度约为6.5米/秒,长度为0.9米,直径为0.05米,深度测量精度为0.05米。

图1

 自由落体式触探仪 


当前,欧洲大部分港口采用密度测量值来表征浮泥层的松散特性。密度以吨每立方米(t/m3)表示,并与水的密度进行比较。浮泥与水的密度比值的增加取决于浮泥中颗粒的含量。浮泥由惰性颗粒(如砂粒和粉粒)和活性颗粒(如粘粒和有机物质)组成。水与活性颗粒结合在一起,絮凝颗粒之中和之间的水是封闭的。浮泥的密度测量值给出了颗粒和水的体积密度。在欧洲的几个港口,采用浮泥密度为1.2T/m³的深度作为判定船舶能够通过浮泥层的适航深度标准。

这个判据最初是从假定的浮泥密度与强度或阻力之间的关系推导出来的。浮泥的流变是在外力作用下的塑性和弹性变形。

对于自由落体式触探仪来说,外力是重力。对于进入淤泥层的船来说,外力就是船的推进力。当像自由落体式触探仪这样的管状物使淤泥变形时,会产生两种阻力。第一种阻力作用在触探仪的圆锥体上,淤泥被推开并变形。把单位体积“V”(单位为立方米)的淤泥推开单位距离“d”所需的能量E(单位为焦耳)称为圆锥体贯入阻力或锥尖阻力(单位为J/m3或Pa)。

当触探仪套管贯入到淤泥层中,淤泥与套筒之间的摩擦会产生阻力。阻力(单位为牛顿)除以套筒表面积A(单位为立方米)得到抗剪强度。作用在触探仪上的力如图2中所示。

图2

 作用在触探仪上的力 


流变和密度随时间的演变不同,因此不存在一对一的关系。

自由落体式触探仪上的一组独立的板载传感器来测量沉积层的密度和流变。压力传感器用于测定软沉积层中的孔隙水压力并推算出密度,这里的要求是沉积物(泥沙)刚沉积不久,在这种情况下孔隙压力等于泥沙的重量。板载加速度传感器测得的数据被用来推导出速度,然后把速度导入到一个动态模型中。该模型补偿了阻力等外力因素。然后,使用该模型对在沉积物中完成的测量进行标准化。结果是高精度的圆锥贯入总阻力和抗剪强度,精度为2%,每贯入1厘米就有几个数据点。圆锥贯入总阻力是锥体移动单位体积沉积物(泥沙)所消耗的总能量。抗剪强度是沿仪器套筒上贯入每单位深度所消耗的能量。

每落下一次,可获得以下特性曲线。图3显示了某个港口某次落下的特性曲线,该港口采用了1.2t/m3的标准来确定适航深度。在评估不排水抗剪强度时,可以清楚地看出,该点位于高阻力的固结淤泥层中。

图3

 某沉积层的密度-强度特性曲线 


在另一个港口(图4),使用相同的1.2吨/m³标准来确定适航深度。然而,在这一点处的不排水抗剪强度很低,并且深度增加一米后抗剪强度也没有改变,这表明存在优化的空间。

图4

 另一沉积层的密度-强度特性曲线 



应用领域

自由落体式触探仪可以用来精确测定水下沉积层的深度和厚度。它提供了关于沉积物结构和分层的额外信息,比如对于多波束回声测深仪数据来说。

图5

 声学法的互补数据 


在图5中,210KHz回声测深仪可确定沉积层的顶部,但33KHz回声测深仪却不能确定适航的底部,而自由落体式触探仪可以提供完整的强度或减速剖面曲线,从而能够正确评估沉积物。

自由落体式触探仪在松散淤泥层中的运行情况与船舶在淤泥中航行时的运行情况之间可能存在密切关系。在船舶航行通过淤泥时,船头会有一个与淤泥移动有关的影响区域,在船体下面摩擦力将占主导地位。摩擦参数可以从剪应力中推导出来。在淤泥是各向同性的假设下,这意味着在所有方向上预计的阻力都相等,在淤泥层中的每个位置处的圆锥贯入总阻力可以表示移动单位体积淤泥所需要的能量,而剪应力可以用来预测摩擦力。

根据Abelev(2009)文献,预测物体与淤泥层相互作用情况的另一个关键因素是相互作用的速度。自由落体式触探仪在松散淤泥层第一米处的平均冲击速度为5-6米/秒。船舶进入港口的速度为5-6节,也就是2.5-3米/秒。由于较高的速度,自由落体式触探仪预测的阻力可能会超过船舶实际受到的阻力。


新沉积物的流入

在鹿特丹港的Beerkanaal进行调查时,自由落体式触探仪被定期使用。选择了一个活跃的沉积带,并形成更密集的记录格网。目的是从密度和强度演变的角度评价新的沉积层。最近,两张间隔一个月的多波束图提供了一张揭示沉积物积累的差异图(图6)。  已观察到沉积物增高的最大值为1.5米,新沉积物淤积高度主要分布在0.5-1.0米之间,其中1.0米淤积可解释为旧的疏浚挖槽被填满。

图6

 多波束差异图 


调查了两个区域。1区在Beerkanaal西侧入口里面,没有新的沉积(深蓝色)。在Beerkanaal西侧入口外面,新的沉积物经历6周沉积下来。第一次测量称为T0测量,6周后的第二次测量称为T1测量。

其目的是调查现有淤泥层之上新沉积层的密度和流变之间的关系,并将它们与在某个试验场(Staelens(2013))进行的模拟试验联系起来。原始的淤泥层已固结,较长时间没有疏浚。原始淤泥层强度剖面(图7,蓝色曲线)显示出以下特征。

图7

 1区101位置处的两次测试 


自由落体式触探仪的两次测试位置标在图7上的1区101位置。第一次的测试时间为T0,第二次测试时间为六周后的T1。沉积层的圆锥贯入总阻力剖面无显著差异,淤泥顶部的深度为18.7米。

图8

 2区107位置处的两次测试 


触探仪的两次测试位置标在图8上的107位置。对于107位置,在多波束图上有大约1米的差异。在强度剖面图上也可以看到类似的差异。在T0时,强度剖面曲线从23.6米开始,在T1时,淤泥顶部深度为22.6米。

新淤泥层的圆锥贯入总阻力最大为8KPa。8 kPa的圆锥贯入总阻力相当于100Pa的抗剪强度所需的能量损失。在PIANC(国际航运协会,1997)和Wurpts R.(2005)的报告中,100Pa被建议作为可通航淤泥的最大屈服强度。

基于这些假设, 因为在PIANC(1997)屈服极限值之内,新的沉积层仍然是可以通航的。

在相同的位置,用垂直的Beeker采样器来测量密度。在107位置(在这里还测量了新沉积层)的第1米处采集了试样。该取样器的测量结果显示,从淤泥层顶部到顶部以下约1米的范围内,密度几乎保持不变。

图9

 新沉积层的密度曲线 


根据在某个试验场对这种淤泥进行的足尺模拟试验结果,这个密度说明这些沉积物的沉积发生在不到20天前(图10,改编自Staelens(2013))。

图10

水桶水位以下鹿特丹浮泥的密度-时间随深度的变化,0值对应试验场17.75m水深



触探试验的外推法

在感兴趣的区域,用自由落体式触探仪做了24次测量。仅考虑T1多波束图,这些测量结果在整个区域内做内插。取三维生成的强度体的横截面(图11)。

图11

 第400行剖面图 


图11描绘了采样区的概况。在第400行取了一个横截面。图12显示了该横截面。有两条洋红色的线,它们分别是T0和T1时的多波束测量的深度。这两条线之间就是新淤积的沉积物。在这个横截面上该沉积层的强度远低于8KPa的圆锥贯入阻力或100KPa的抗剪强度。

图12

插值后的触探仪强度剖面图,色标表示圆锥贯入阻力(KPa),所有大于8KPa的贯入阻力都标记为红色



疏浚规划和效率

鹿特丹港目前正在使用密度标准来启动、控制和评估疏浚工程。目标深度是23.65米。当目标深度以上沉积层的体积密度(容重)超过1.2吨/米3时,需要疏浚这些沉积物。在上述情况下,新沉积层满足疏浚的条件。在这种情况下,沉积物顶部在23.65米以上,该沉积层的平均密度为1.22吨/米3。从强度上看,沉积层非常松散,其抗剪强度还没有达到PIANC(国际航运协会,1997)的100Pa水平。

在Staelens(2013)中提及的固结试验已证实,在固结的第一阶段,密度演变得速度远远快于强度。强度的演变似乎受沉积物的排水和沉积物的负荷共同驱动,而密度的演变只需要排水。由于大部分新沉积层的厚度在0.5-1.0米之间,所以在这种特定情况下,沉积物的负荷相对较低。因此,强度的演变缓慢。在试验场也观察到了这种现象;在试验场的观测似乎与在现场的观测相一致,从而能够准确地预测强度和密度的演变。

密度和强度随时间变化的这种差异为优化疏浚工程提供了机会。通过跟踪沉积物的强度参数而不是密度参数,可能会降低挖泥船动员和快速响应的成本。还可以通过控制沉淀物的强度来进一步延长反应时间,从而使生产过程中几乎所有的峰值变得平缓。

在沉积后的第一个月,松散的沉积层在自身重量和新沉积物重量作用下固结,其强度变大。通过疏浚固结层,并保持浮泥层不受影响或保持其松散,可能会优化疏浚工作。


结论

自由落体式触探仪能深入到沉积层中,从而能提供沉积层强度和地层的准确信息。自由落体式触探仪在不同时间多次测试的结果能提供沉积物的流变演变信息。原位测试可以在不扰动沉积物的情况下(采样会扰动沉积物)完成测量,从而实现更好的测量。此外,自由落体式触探仪以船舶最高航速贯入沉积物。因此预计的阻力将与船舶在淤泥中航行时可能受到的阻力持平或更高。忽略对测量参数的过高估计,通过采用强度参数来定义适航深度,仍然可以达到优化的效果。

参考文献

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