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      歐美大地 原位測試
      原位測試
      創新的自由落體式觸探儀在疏浚工程勘察和評估以及適航深度確定中的應用
      發布時間:2021-12-22 瀏覽次數:36846 來源:歐美大地

      摘要

      由于沉積物(泥沙)持續流入港口和航道,因此需要進行維護性的疏浚。為了確定疏浚工程的開工時間和土方量,必須對水下沉積物和淤泥層進行監測和分析。本文介紹了一種創新的垂直剖面測量技術,在單次自由落體軌跡上測量水下沉積層的深度、厚度、密度和強度。工作時觸探儀先做自由落體運動,然后撞擊水下沉積層。在撞擊過程中,它測量貫入阻力和壓力。該技術可用于疏浚工程的多個方面。與多波束回聲測深儀等聲學方法相結合,它可用于顯示多波束表面下的沉積層。

      軟沉積物的另外一個重要方面是適航性。如果淤泥的物理參數低于臨界極限值,船舶就可以在松散的淤泥層中航行。如今,在許多港口測量的物理參數是密度。密度在歷史上被選為強度的替代指標。這種推薦的測量技術可以顯示密度和強度剖面,并使港務局能夠評估可替代的航海深度標準。

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

      關鍵字:自由落體式觸探儀,適航深度,維護性疏浚,密度,流變,抗剪強度,圓錐貫入阻力


      自由落體式觸探儀介紹

      自由落體式觸探儀(如圖1)在其自身重力作用下加速垂直下落,然后貫入沉積層中。在貫入過程中,它測量水下的沉積層。這套儀器能貫入流體或固結淤泥層數米。它的重量為7-10千克,極限速度約為6.5米/秒,長度為0.9米,直徑為0.05米,深度測量精度為0.05米。

      圖1

       自由落體式觸探儀 


      當前,歐洲大部分港口采用密度測量值來表征浮泥層的松散特性。密度以噸每立方米(t/m3)表示,并與水的密度進行比較。浮泥與水的密度比值的增加取決于浮泥中顆粒的含量。浮泥由惰性顆粒(如砂粒和粉粒)和活性顆粒(如粘粒和有機物質)組成。水與活性顆粒結合在一起,絮凝顆粒之中和之間的水是封閉的。浮泥的密度測量值給出了顆粒和水的體積密度。在歐洲的幾個港口,采用浮泥密度為1.2T/m3的深度作為判定船舶能夠通過浮泥層的適航深度標準。

      這個判據最初是從假定的浮泥密度與強度或阻力之間的關系推導出來的。浮泥的流變是在外力作用下的塑性和彈性變形。

      對于自由落體式觸探儀來說,外力是重力。對于進入淤泥層的船來說,外力就是船的推進力。當像自由落體式觸探儀這樣的管狀物使淤泥變形時,會產生兩種阻力。第一種阻力作用在觸探儀的圓錐體上,淤泥被推開并變形。把單位體積“V”(單位為立方米)的淤泥推開單位距離“d”所需的能量E(單位為焦耳)稱為圓錐體貫入阻力或錐尖阻力(單位為J/m3或Pa)。

      當觸探儀套管貫入到淤泥層中,淤泥與套筒之間的摩擦會產生阻力。阻力(單位為牛頓)除以套筒表面積A(單位為立方米)得到抗剪強度。作用在觸探儀上的力如圖2中所示。

      圖2

       作用在觸探儀上的力 


      流變和密度隨時間的演變不同,因此不存在一對一的關系。

      自由落體式觸探儀上的一組獨立的板載傳感器來測量沉積層的密度和流變。壓力傳感器用于測定軟沉積層中的孔隙水壓力并推算出密度,這里的要求是沉積物(泥沙)剛沉積不久,在這種情況下孔隙壓力等于泥沙的重量。板載加速度傳感器測得的數據被用來推導出速度,然后把速度導入到一個動態模型中。該模型補償了阻力等外力因素。然后,使用該模型對在沉積物中完成的測量進行標準化。結果是高精度的圓錐貫入總阻力和抗剪強度,精度為2%,每貫入1厘米就有幾個數據點。圓錐貫入總阻力是錐體移動單位體積沉積物(泥沙)所消耗的總能量??辜魪姸仁茄貎x器套筒上貫入每單位深度所消耗的能量。

      每落下一次,可獲得以下特性曲線。圖3顯示了某個港口某次落下的特性曲線,該港口采用了1.2t/m3的標準來確定適航深度。在評估不排水抗剪強度時,可以清楚地看出,該點位于高阻力的固結淤泥層中。

      圖3

       某沉積層的密度-強度特性曲線 


      在另一個港口(圖4),使用相同的1.2噸/m3標準來確定適航深度。然而,在這一點處的不排水抗剪強度很低,并且深度增加一米后抗剪強度也沒有改變,這表明存在優化的空間。

      圖4

       另一沉積層的密度-強度特性曲線 



      應用領域

      自由落體式觸探儀可以用來精確測定水下沉積層的深度和厚度。它提供了關于沉積物結構和分層的額外信息,比如對于多波束回聲測深儀數據來說。

      圖5

       聲學法的互補數據 


      在圖5中,210KHz回聲測深儀可確定沉積層的頂部,但33KHz回聲測深儀卻不能確定適航的底部,而自由落體式觸探儀可以提供完整的強度或減速剖面曲線,從而能夠正確評估沉積物。

      自由落體式觸探儀在松散淤泥層中的運行情況與船舶在淤泥中航行時的運行情況之間可能存在密切關系。在船舶航行通過淤泥時,船頭會有一個與淤泥移動有關的影響區域,在船體下面摩擦力將占主導地位。摩擦參數可以從剪應力中推導出來。在淤泥是各向同性的假設下,這意味著在所有方向上預計的阻力都相等,在淤泥層中的每個位置處的圓錐貫入總阻力可以表示移動單位體積淤泥所需要的能量,而剪應力可以用來預測摩擦力。

      根據Abelev(2009)文獻,預測物體與淤泥層相互作用情況的另一個關鍵因素是相互作用的速度。自由落體式觸探儀在松散淤泥層第一米處的平均沖擊速度為5-6米/秒。船舶進入港口的速度為5-6節,也就是2.5-3米/秒。由于較高的速度,自由落體式觸探儀預測的阻力可能會超過船舶實際受到的阻力。


      新沉積物的流入

      在鹿特丹港的Beerkanaal進行調查時,自由落體式觸探儀被定期使用。選擇了一個活躍的沉積帶,并形成更密集的記錄格網。目的是從密度和強度演變的角度評價新的沉積層。最近,兩張間隔一個月的多波束圖提供了一張揭示沉積物積累的差異圖(圖6)。  已觀察到沉積物增高的最大值為1.5米,新沉積物淤積高度主要分布在0.5-1.0米之間,其中1.0米淤積可解釋為舊的疏浚挖槽被填滿。

      圖6

       多波束差異圖 


      調查了兩個區域。1區在Beerkanaal西側入口里面,沒有新的沉積(深藍色)。在Beerkanaal西側入口外面,新的沉積物經歷6周沉積下來。第一次測量稱為T0測量,6周后的第二次測量稱為T1測量。

      其目的是調查現有淤泥層之上新沉積層的密度和流變之間的關系,并將它們與在某個試驗場(Staelens(2013))進行的模擬試驗聯系起來。原始的淤泥層已固結,較長時間沒有疏浚。原始淤泥層強度剖面(圖7,藍色曲線)顯示出以下特征。

      圖7

       1區101位置處的兩次測試 


      自由落體式觸探儀的兩次測試位置標在圖7上的1區101位置。第一次的測試時間為T0,第二次測試時間為六周后的T1。沉積層的圓錐貫入總阻力剖面無顯著差異,淤泥頂部的深度為18.7米。

      圖8

       2區107位置處的兩次測試 


      觸探儀的兩次測試位置標在圖8上的107位置。對于107位置,在多波束圖上有大約1米的差異。在強度剖面圖上也可以看到類似的差異。在T0時,強度剖面曲線從23.6米開始,在T1時,淤泥頂部深度為22.6米。

      新淤泥層的圓錐貫入總阻力最大為8KPa。8 kPa的圓錐貫入總阻力相當于100Pa的抗剪強度所需的能量損失。在PIANC(國際航運協會,1997)和Wurpts R.(2005)的報告中,100Pa被建議作為可通航淤泥的最大屈服強度。

      基于這些假設, 因為在PIANC(1997)屈服極限值之內,新的沉積層仍然是可以通航的。

      在相同的位置,用垂直的Beeker采樣器來測量密度。在107位置(在這里還測量了新沉積層)的第1米處采集了試樣。該取樣器的測量結果顯示,從淤泥層頂部到頂部以下約1米的范圍內,密度幾乎保持不變。

      圖9

       新沉積層的密度曲線 


      根據在某個試驗場對這種淤泥進行的足尺模擬試驗結果,這個密度說明這些沉積物的沉積發生在不到20天前(圖10,改編自Staelens(2013))。

      圖10

      水桶水位以下鹿特丹浮泥的密度-時間隨深度的變化,0值對應試驗場17.75m水深



      觸探試驗的外推法

      在感興趣的區域,用自由落體式觸探儀做了24次測量。僅考慮T1多波束圖,這些測量結果在整個區域內做內插。取三維生成的強度體的橫截面(圖11)。

      圖11

       第400行剖面圖 


      圖11描繪了采樣區的概況。在第400行取了一個橫截面。圖12顯示了該橫截面。有兩條洋紅色的線,它們分別是T0和T1時的多波束測量的深度。這兩條線之間就是新淤積的沉積物。在這個橫截面上該沉積層的強度遠低于8KPa的圓錐貫入阻力或100KPa的抗剪強度。

      圖12

      插值后的觸探儀強度剖面圖,色標表示圓錐貫入阻力(KPa),所有大于8KPa的貫入阻力都標記為紅色



      疏浚規劃和效率

      鹿特丹港目前正在使用密度標準來啟動、控制和評估疏浚工程。目標深度是23.65米。當目標深度以上沉積層的體積密度(容重)超過1.2噸/米3時,需要疏浚這些沉積物。在上述情況下,新沉積層滿足疏浚的條件。在這種情況下,沉積物頂部在23.65米以上,該沉積層的平均密度為1.22噸/米3。從強度上看,沉積層非常松散,其抗剪強度還沒有達到PIANC(國際航運協會,1997)的100Pa水平。

      在Staelens(2013)中提及的固結試驗已證實,在固結的第一階段,密度演變得速度遠遠快于強度。強度的演變似乎受沉積物的排水和沉積物的負荷共同驅動,而密度的演變只需要排水。由于大部分新沉積層的厚度在0.5-1.0米之間,所以在這種特定情況下,沉積物的負荷相對較低。因此,強度的演變緩慢。在試驗場也觀察到了這種現象;在試驗場的觀測似乎與在現場的觀測相一致,從而能夠準確地預測強度和密度的演變。

      密度和強度隨時間變化的這種差異為優化疏浚工程提供了機會。通過跟蹤沉積物的強度參數而不是密度參數,可能會降低挖泥船動員和快速響應的成本。還可以通過控制沉淀物的強度來進一步延長反應時間,從而使生產過程中幾乎所有的峰值變得平緩。

      在沉積后的第一個月,松散的沉積層在自身重量和新沉積物重量作用下固結,其強度變大。通過疏浚固結層,并保持浮泥層不受影響或保持其松散,可能會優化疏浚工作。


      結論

      自由落體式觸探儀能深入到沉積層中,從而能提供沉積層強度和地層的準確信息。自由落體式觸探儀在不同時間多次測試的結果能提供沉積物的流變演變信息。原位測試可以在不擾動沉積物的情況下(采樣會擾動沉積物)完成測量,從而實現更好的測量。此外,自由落體式觸探儀以船舶最高航速貫入沉積物。因此預計的阻力將與船舶在淤泥中航行時可能受到的阻力持平或更高。忽略對測量參數的過高估計,通過采用強度參數來定義適航深度,仍然可以達到優化的效果。

      參考文獻

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