本發(fā)明涉及一種確定淤泥質(zhì)港口適泊淤泥密度值的方法，應用在水運工程研究領域。

背景技術：

如圖1所示，許多淤泥質(zhì)港口存在大量由細顆粒泥沙組成的浮泥，密度較小的浮泥具有與水類似的流動特性，不會對航行與停泊作業(yè)過程中的船底龍骨造成傷害，對其操作性能也無明顯影響，部分可作為水深使用以增加港口使用水深，即適航水深(適航水深為理論基面到適航淤泥密度界面的距離)。在高頻回聲儀所測水深加上其反射面以下能確保船舶安全航行與停泊作業(yè)的小密度回淤層的厚度，小密度回淤層的厚度稱為適航厚度(適航厚度為高頻反射界面到適航淤泥密度界面的距離)。但為了進一步減少維護疏浚頻率和疏浚量，船舶可以乘高潮靠、離碼頭，在泊位停泊期間應用“適泊水深(適泊水深為理論基面到適泊淤泥密度界面的距離)”，即將泊位中密度大于適航淤泥密度值的部分淤泥層仍視為水深，則可利用的淤泥層厚度就會增加很多。適泊厚度為高頻反射界面到適泊淤泥密度界面的距離。但不論是適航水深還是適泊水深，對應的適航淤泥密度或適泊淤泥密度值都是最重要的參數(shù)之一，即能夠滿足作業(yè)安全的最大淤泥密度。

對于適航淤泥密度值的確定，《淤泥質(zhì)海港適航水深應用技術規(guī)范》(jtj/t325-2006)、《海港總體設計規(guī)范》(jts165-2013)明確給出了方法，主要是通過淤泥流變試驗和船模阻力試驗這兩種室內(nèi)試驗來確定，即建立屈服應力與淤泥密度的關系曲線、船模阻力與淤泥密度的關系曲線，進而以曲線中的拐點作為適航淤泥密度值。也有學者如金鏐等人(《淤泥質(zhì)港口航道適航密度確定方法的改進》，水運工程，2013.2)從淤泥流態(tài)角度來確定適航淤泥密度值。但是當船舶?？吭诓次恢刑幱陟o止狀態(tài)時，沒有上述的淤泥屈服應力、船模阻力或淤泥流態(tài)等問題，也就不能采用上述方法來確定適泊淤泥密度值。

劉富強和孫建澎(見《天津港適航水深資源的開發(fā)》水道港口,2002，23(增刊)：161-169)提出了“適泊水深”的概念，并采用以下方法確定適泊淤泥值：考慮到能靜態(tài)托起張網(wǎng)三爪砣的浮泥為“適泊水深”的下界面，對船舶停泊不會有什么影響，況且，利用“適泊深度”時主要為低潮時船舶的下沉(無航行)，為此，建議天津港深水泊位“適泊深度”下界面浮泥重度取13.0kn/m³，即將“塑性體”浮泥層也計入水深。由此可知，他們主要是采用了三爪砣來確定適泊重度(或密度)，即能夠靜態(tài)托起張網(wǎng)三爪砣的淤泥界面的密度。這種方法存在以下問題：(1)沒有跟船舶聯(lián)系起來，并不能知道船舶接觸這個密度的淤泥是否安全；(2)三爪砣的重量是固定的，則能夠靜態(tài)托起張網(wǎng)三爪砣的淤泥密度值也是固定的，即采用三爪砣只能測量出單層的淤泥密度，并不能測量出其上層和下層的淤泥密度，所以即便進行實船試驗，也不能知道船底接觸層的密度。(3)三爪砣由于嚴重依賴于操作人員的操作過程，精度較低。所以這種確定適泊淤泥密度值的方法并沒有在其它港口推廣應用，也沒有寫進《淤泥質(zhì)海港適航水深應用技術規(guī)范》(jtj/t325-2006)和《海港總體設計規(guī)范》(jts165-2013)。事實上正是由于缺少適泊淤泥密度值的確定方法，在編寫規(guī)范時就沒有提及該項內(nèi)容(申請人參加了《淤泥質(zhì)海港適航水深應用技術規(guī)范》(jtj/t325-2006)的相關編寫工作)。

另外，申請人在開展連云港適航水深應用研究時，曾經(jīng)提出了一種適泊淤泥密度值的確定方法如下(該成果已被文章《適航水深在連云港港口的初步應用》(謝春秋、葉建林，《港工技術》2009.3)所引用)：流變試驗得出的屈服應力與淤泥密度的關系曲線、船模阻力試驗得出的阻力與淤泥密度的關系曲線，其實都不存在真正的拐點(曲線可以用指數(shù)關系式來很好地擬合)，只是表觀上有個拐點，因此從兩條關系曲線得出的拐點都是范圍值，將下限值12.2kn/m³作為適航重度值，而上限值12.4kn/m³作為適泊重度值。由此可知，這種方法確定的適泊淤泥密度值仍是基于試驗室內(nèi)的流變或船模結果得出的運動狀態(tài)下的數(shù)值，未能反映出現(xiàn)場的淤泥密度分布情況和船舶停泊實際上是處于靜止狀態(tài)的特征，也就導致事實上這種取上限值的方法所確定的適泊水深在港口現(xiàn)場并沒有太大的實用價值，因為淤泥密實一段時間后上、下限值間的淤泥層厚度也會很薄。

因此，目前尚沒有真正能夠依據(jù)現(xiàn)場密度垂線分布特征和船舶實際狀態(tài)等來動態(tài)測量確定適泊淤泥密度值的方法，導致《淤泥質(zhì)海港適航水深應用技術規(guī)范》(jtj/t325-2006)和《海港總體設計規(guī)范》(jts165-2013)都不能做出相關規(guī)定，適泊水深也沒有真正地被應用。因此提供一種能依據(jù)港口現(xiàn)場密度垂線分布特征和船舶實際狀態(tài)動態(tài)測量確定淤泥質(zhì)港口適泊淤泥密度值的方法己成為當務之亟。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有確定適泊淤泥密度值的方法未能反映出現(xiàn)場的淤泥密度分布情況和船舶停泊實際上是處于靜止狀態(tài)的特征的缺點，本發(fā)明提供一種確定淤泥質(zhì)港口適泊淤泥密度值的方法，其通過實船試驗及現(xiàn)場系統(tǒng)測量的方法得出適泊淤泥密度值，具有所得的適泊淤泥密度值能反映出現(xiàn)場的淤泥密度分布情況和船舶停泊的靜止狀態(tài)特征、實用價值高的優(yōu)點。

本發(fā)明的技術方案如下：

一種確定淤泥質(zhì)港口適泊淤泥密度值的方法，包括以下步驟：

1)水深測量：在船舶進港前對水深進行測量，并將水深測量數(shù)值修正為理基水深(理基水深的測定方法可參照水運工程測量規(guī)范(jts131-2012)執(zhí)行)；

2)淤泥密度垂線分布測量：于船舶進港前在覆蓋整個泊位區(qū)域內(nèi)選定的多個泊位內(nèi)布設多個測量點，對泥-水交界面以下的各泥層深度所對應的淤泥密度進行垂線分布測量，并將各泥層深度都修正到所述理基水深(方法為用實測泥層深度值減去測量時刻所對應的潮位值所得值)，繪制出各測量點的淤泥密度垂線分布圖；

3)船舶停泊時的潮位、吃水觀測記錄及監(jiān)測船舶狀態(tài)：讓試驗船舶乘高潮停泊到碼頭上，從最高潮位開始至下一個最高潮位結束的觀測時間內(nèi)觀測記錄多個時間點的潮位和船舶任一指定部位的吃水數(shù)據(jù)，并同時觀測船體傾斜情況以監(jiān)測船舶狀態(tài)，保證船舶停泊期間船體的傾斜度≤4°，且保證所述觀測時間內(nèi)至少有一次能觀測到船舶底部接觸到淤泥；

4)觸泥深度數(shù)值計算：根據(jù)步驟3)得到的船舶停泊時的潮位、吃水數(shù)據(jù)和步驟1)得到的理基水深數(shù)據(jù)，并采用以下計算式計算出所述多個時間點的所述船舶多個指定部位的觸泥深度：觸泥深度＝指定部位的吃水-潮位-指定部位的理基水深，繪制出所述船舶多個指定部位底部至泥面距離的變化曲線圖，并根據(jù)該圖確定所述船舶多個指定部位各自的觸泥最大深度；

5)獲得適泊淤泥密度值：根據(jù)步驟2)所獲得的各測量點的淤泥密度垂線分布圖分別找到步驟4)所述船舶多個指定部位各自的觸泥最大深度處所對應的各測量點淤泥密度值，即為所述船舶多個指定部位各自的適泊淤泥密度值，而所述船舶多個指定部位的適泊淤泥密度值中的最大值即該港口的適泊淤泥密度值。

如圖1所示，理基水深，又稱為圖載水深，為理論基面到高頻反射界面的距離。本申請的確定淤泥質(zhì)港口適泊淤泥密度值的方法利用實船試驗及現(xiàn)場系統(tǒng)測量的方法，測量并繪制出淤泥密度垂線分布圖，根據(jù)理基水深及觀測記錄船舶停泊時的潮位、吃水數(shù)據(jù)，確定船舶多個指定部位的觸泥最大深度，進而再根據(jù)淤泥密度垂線分布圖得出所述船舶多個指定部位各自的適泊淤泥密度值，所述多個適泊淤泥密度值中的最大值即該港口的適泊淤泥密度值。其相比現(xiàn)有的適泊淤泥密度值的確定方法而言，實用價值高，能有效反應出現(xiàn)場的淤泥密度分布情況和船舶停泊的靜止狀態(tài)特征。

所述步驟2)淤泥密度垂線分布測量的兩兩相鄰深度的測量點的垂線間距<0.01m，淤泥密度的測量精度為1.0kg/m³；所述淤泥密度測量范圍的最頂層淤泥密度≤1030kg/m³，最底層淤泥密度為1300-1500kg/m³。

所述測量點的垂線間距的設定和淤泥密度測量精度使得繪制的淤泥密度垂線分布圖更加準確。淤泥密度測量范圍的限定使得對適泊淤泥的位置定位更加準確。

所述淤泥密度測量范圍的最頂層淤泥密度的優(yōu)選值為1030kg/m³。

所述船舶指定部位為船艏、船中和船尾。

所述步驟3)中試驗船舶高潮位時實際水深或適航水深數(shù)值>1.12倍船舶指定部位的吃水數(shù)值。

該限定可滿足船舶的操作性要求。

所述步驟3)的觀測時間為低潮位前后至少各3h。

該觀測時間設計合理，能保證覆蓋漲落潮的全過程。

所述步驟3)的吃水和潮位的觀測記錄頻率為每1次/10min，且測量精度<0.01m，所述實際水深的測量精度≤0.01m，船舶狀態(tài)的監(jiān)測頻率為每1次/10min。

以上觀測記錄頻率和測量精度的限定，使得觀測數(shù)值更加全面和精確，保證了觸泥最大深度的獲得。

所述淤泥質(zhì)港口的泥沙為粒徑<0.01mm的粘性細顆粒泥沙，該粘性細顆粒泥沙中粘土重量比例>30％。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明申請具有以下優(yōu)點：

1)本申請的確定淤泥質(zhì)港口適泊淤泥密度值的方法采用的是實船試驗及現(xiàn)場系統(tǒng)測量，實用價值高，能有效反應出現(xiàn)場的淤泥密度分布情況和船舶停泊的靜止狀態(tài)特征；

2)對所述淤泥密度垂線分布測量點的垂線間距和淤泥密度測量范圍的限定使得淤泥密度垂線分布圖的數(shù)據(jù)更加全面、對適泊淤泥的位置定位更加準確；

3)對各觀測項目觀測頻率和觀測精度的限定，使得所得觀測數(shù)據(jù)更加全面且精確，保證了適泊淤泥密度值的正確性。

附圖說明

圖1是船舶停泊時各水位線示意圖；

圖2是測量點1#淤泥平均密度垂線分布曲線圖；

圖3是測量點2#淤泥平均密度垂線分布曲線圖；

圖4是測量點3#淤泥平均密度垂線分布曲線圖；

圖5是船尾底部至泥面距離及實際吃水的變化曲線圖；

圖6是船艏底部至泥面距離及實際吃水的變化曲線圖；

圖7是船中底部至泥面距離及實際吃水的變化曲線圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。

本發(fā)明所述的一種確定淤泥質(zhì)港口適泊淤泥密度值的方法，包括以下步驟：

1)水深測量：在船舶進港前對水深進行測量，并將水深測量數(shù)值修正為理基水深；

2)淤泥密度垂線分布測量：于船舶進港前在覆蓋整個泊位區(qū)域內(nèi)選定的多個泊位內(nèi)布設多個測量點，對泥-水交界面以下的各泥層深度所對應的淤泥密度進行垂線分布測量，并將各泥層深度都修正到所述理基水深以下，繪制出各測量點的淤泥密度垂線分布圖；

3)船舶停泊時的潮位、吃水觀測記錄及監(jiān)測船舶狀態(tài)：讓試驗船舶乘高潮停泊到碼頭上，從最高潮位開始至下一個最高潮位結束的觀測時間內(nèi)觀測記錄多個時間點的潮位和船舶任一指定部位的吃水數(shù)據(jù)，并同時觀測船體傾斜情況以監(jiān)測船舶狀態(tài)，保證船舶停泊期間船體的傾斜度≤4°，且保證所述觀測時間內(nèi)至少有一次能觀測到船舶底部接觸到淤泥；

4)觸泥深度數(shù)值計算：根據(jù)步驟3)得到的船舶停泊時的潮位、吃水數(shù)據(jù)和步驟1)得到的理基水深數(shù)據(jù)，并采用以下計算式計算出所述多個時間點的所述船舶多個指定部位的觸泥深度：觸泥深度＝指定部位的吃水-潮位-指定部位的理基水深，繪制出所述船舶多個指定部位底部至泥面距離的變化曲線圖，并根據(jù)該圖確定所述船舶多個指定部位各自的觸泥最大深度；

5)獲得適泊淤泥密度值：根據(jù)步驟2)所獲得的各測量點的淤泥密度垂線分布圖分別找到步驟4)所述船舶多個指定部位各自的觸泥最大深度處所對應的各測量點淤泥密度值，即為所述船舶多個指定部位各自的適泊淤泥密度值，而所述船舶多個指定部位的適泊淤泥密度值中的最大值即該港口的適泊淤泥密度值。

所述步驟2)淤泥密度垂線分布測量的兩兩相鄰深度的測量點的垂線間距<0.01m，淤泥密度的測量精度為1.0kg/m³；所述淤泥密度測量范圍的最頂層淤泥密度≤1030kg/m³，最底層淤泥密度為1300-1500kg/m³。所述淤泥密度測量范圍的最頂層淤泥密度優(yōu)選為1030kg/m³。所述船舶指定部位為船艏、船中和船尾。所述步驟3)中試驗船舶高潮位時實際水深或適航水深數(shù)值>1.12倍船舶指定部位的吃水數(shù)值。所述步驟3)的觀測時間為低潮位前后至少各3h。所述步驟3)的吃水和潮位的觀測記錄頻率為每1次/10min，且測量精度<0.01m，所述實際水深的測量精度≤0.01m，船舶狀態(tài)的監(jiān)測頻率為每1次/10min。所述淤泥質(zhì)港口的泥沙為粒徑<0.01mm的粘性細顆粒泥沙，該粘性細顆粒泥沙中粘土重量比例>30％。

實施例

一種確定淤泥質(zhì)港口適泊淤泥密度值的方法，包括以下步驟：

一)現(xiàn)場采集泥沙判斷本方法是否適用于該港口

現(xiàn)場采集某港口泊位水域的回淤泥沙，經(jīng)顆分試驗得知，泥沙樣品的中值粒徑d50相對較為均勻，介于0.0038～0.0103mm，平均值為0.0065mm；粘土重量比例介于29～52％，平均為39.8％，屬粉砂質(zhì)粘土或粘土質(zhì)粉砂。另外，泥沙回淤資料表明該泊位淤泥嚴重，有較厚的淤泥層?？芍摳劭诓次凰驖M足應用本方法確定適泊淤泥密度值的基本條件。

二)實船試驗及現(xiàn)場系統(tǒng)測量

2016年1月15日，利用某船舶開展實船試驗。在最高潮位前1小時，該船停靠到碼頭上，然后進行裝、卸貨作業(yè)。裝、卸貨作業(yè)滿足兩點要求：一是至少在最低潮位的一段時間內(nèi)船舶能夠接觸到淤泥(可預先根據(jù)潮汐表和理基水深估算最低潮位時的實際水深，進而控制裝、卸貨速度，以保證最低潮位附近時刻船舶吃水大于實際水深。另外，本實例在最低潮位前后時刻還停止了裝、卸貨，以便于觀測)，二是要求船上貨物裝配基本平衡以避免船體發(fā)生過大傾斜。

開展了以下5項現(xiàn)場系統(tǒng)測量：(1)泊位內(nèi)布設測量點1-3#進行淤泥密度垂線分布精密測量(測量儀器采用音叉密度計，得出該3個測量點各泥層深度對應淤泥平均密度分布曲線(如圖2-4所示)，其縱坐標為泥-水交界面(最頂層淤泥密度取1030kg/m³)以下的泥層深度(即泥面下距離)，橫坐標為各泥層深度所對應的淤泥密度值。)；(2)水深測量；(3)船舶吃水定時觀測；(4)潮位定時觀測；(5)船舶狀態(tài)定時觀測。其中淤泥密度垂線分布測量和水深測量工作在船舶進港前測量完成，并將水深測量的水深數(shù)值修正為理基水深。

三)根據(jù)船舶船尾、船艏和船中分別在測量點1-3#的吃水、潮位動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及理基水深，計算出船尾、船艏和船中各自的觸泥深度(如表1-3所示)，并繪制出船舶在?？看a頭期間船尾、船艏和船中底部至泥面距離及實際吃水的變化曲線圖(如圖5-7所示)。

表1船舶停泊期間數(shù)據(jù)檢測表(船尾)

表2船舶停泊期間數(shù)據(jù)檢測表(船艏)

表3船舶停泊期間數(shù)據(jù)檢測表(船中)

四)由圖6-7可知，在低潮時船尾、船艏、船中已經(jīng)“坐”入淤泥當中，船尾、船艏、船中的觸泥最大深度分別為0.56m、0.14m、0.36m。

五)采用測量點1、2、3#的淤泥平均密度垂線分布曲線圖(如圖2-4所示)，分別找出上述船尾、船艏、船中的觸泥最大深度處對應的密度值?？芍?，泥面下0.39m、、0.14m、0.36m處的淤泥層的平均密度分別為1316kg/m³、1250kg/m³、1322kg/m³，其中平均密度最大值為1322kg/m³，即為該港口的適泊淤泥密度值。

動態(tài)監(jiān)測并沒有發(fā)現(xiàn)船舶出現(xiàn)任何異常，船上相關操作人員也表示一切正常。因此，可取該泊位的適泊淤泥密度值為1322kg/m³。

本發(fā)明所述的確定淤泥質(zhì)港口適泊淤泥密度值的方法并不只僅僅局限于上述實施例，凡是依據(jù)本發(fā)明原理的任何改進或替換，均應在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。