本發(fā)明涉及挖掘機或疏浚機的一般操作方法，尤其涉及一種利用疏浚土泥沙的水動力數據選擇拋泥時間段，實現航道疏浚船舶拋泥作業(yè)時間控制的方法。

背景技術：

在江河入?？冢钏降莱３Ｐ枰ㄟ^疏浚船舶開展定期的航道維護疏浚來維持航道水深；主要通過專業(yè)的疏浚船舶把需要疏浚的航道內的泥沙吸入船艙，并運輸至指定地點進行拋泥作業(yè)，清空船艙，往復操作最終完成航道的疏浚維護。拋泥坑內泥沙通常還會通過吹泥管線吹至需要吹填的區(qū)域，進行疏浚土的再利用。

在疏浚船舶拋泥過程中，由于存在潮汐作用下的水體流動，因而會有泥沙的流失，這些流失泥土一方面會影響疏浚土的利用率，另一方面流失泥土可能會淤積在拋泥站(坑)周邊、進入拋泥站(坑)的臨時航道、以及需要疏浚的航道主槽，對周邊灘槽產生不利于其使用的影響，從而影響航道疏浚的效率和效果。

在江河入?？谏钏降浪颍捎诔毕饔孟碌某绷鞔嬖谝粋€水動力大小在時間上的循環(huán)往復過程，因此，在不同潮流條件下，選擇不同拋泥時間段對不同拋泥坑位置進行拋泥，其棄土的流失率及流失泥土對周邊水域的影響也會不同。此外，拋泥泥沙的流失主要發(fā)生在拋泥過程中，入坑后的自然流失率是相對較小量?，F有的潮汐作用下疏浚土拋泥時間段的確定往往單憑經驗，或是不進行拋泥時間段的限制。為了增強航道維護的效率，為了減小疏浚船舶拋泥過程中的疏浚土流失率，或者減少由疏浚土流失造成的對周邊水域的不利影響，需要根據不同拋泥坑的功能和需求有針對性地選擇拋泥時間段。

疏浚土泥沙的臨界起動切應力是判斷疏浚土拋泥棄土是否會起懸并隨水流流失的重要臨界動力指標。疏浚土泥沙的臨界起動切應力可用于判斷拋泥入坑泥沙在當前水動力條件下是否處于起動狀態(tài)；如當前水動力大于臨界起動切應力，則拋泥入坑的疏浚土被判斷確定為處于起動狀態(tài)，即可被水動力帶動并隨水體流動并從坑內流失。因此，如果要有針對性地選擇拋泥時間段，首先必須觀測在潮汐作用下疏浚土泥沙的水沙運動規(guī)律，確定疏浚土泥沙的臨界起動切應力。中國發(fā)明專利申請“河口海岸高濁度環(huán)境近底水沙觀測方法”(發(fā)明專利申請?zhí)枺?00910048764.7公開號：cn103252350b)公開了一種河 口海岸高濁度環(huán)境近底水沙觀測方法，該方法首先組建一觀測系統(tǒng)，其觀測系統(tǒng)由支架及設在支架上的多普勒聲學流速剖面儀、脈沖耦合模式多普勒聲學流速剖面儀、多普勒點流速儀、光學后向散射濁度儀和浪潮儀組成，通過儀器調制、布放觀測系統(tǒng)、采集數據及數據處理等步驟完成近底床水沙過程的水深、有效波高、近底層鹽度和含沙量及近底流速流向的觀測。中國發(fā)明專利“潮灘近底邊界層水沙觀測方法及系統(tǒng)”(發(fā)明專利號：zl201410029922.5授權公告號：cn103776430b)公開了一種潮灘近底邊界層水沙觀測方法，包括如下步驟：根據研究灘面的水動力條件、地質條件確定相關參數；根據確定的相關參數，在所述研究地點處安裝觀測支架；在觀測支架完成安裝之后，安裝觀測儀器，并釆集數據；采集數據完成之后，回收所述觀測儀器和所述觀測支架，并處理所采集的數據。該發(fā)明專利的觀測系統(tǒng)利用流速、潮位、波浪、濁度監(jiān)測裝置，對近底邊界層流速、含沙量剖面進行觀測，并記錄潮位和波浪數據，可應用于潮灘近底邊界層的水動力泥沙現場觀測。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于確定航道疏浚船舶拋泥時間段的方法，能夠利用潮汐作用下的水動力數據，有針對性地選擇拋泥時間段，解決疏浚拋泥作業(yè)過程中的泥沙流失，以及流失泥沙影響正在疏浚的主航道及入坑臨時航道等關注區(qū)域的技術問題。

本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案是：

一種基于泥沙流失率最小準則確定航道疏浚拋泥時間段的方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟(1)：利用坐底水沙觀測系統(tǒng)，對待執(zhí)行拋泥作業(yè)的拋泥坑周邊執(zhí)行水沙運動觀測，獲取現場試驗數據和潮汐數據；

步驟(2)：根據現場試驗數據或經驗公式，確定疏浚土泥沙的臨界起動切應力和臨界起動流速；

步驟(3)：基于現場試驗數據和潮汐數據，利用三維潮流數學模型進行數字仿真，驗證和計算拋泥坑位置的水動力，繪制流速過程線；

步驟(4)：基于泥沙流失率最小準則，確定對應拋泥坑的可拋泥時間段。

本發(fā)明的基于泥沙流失率最小準則確定航道疏浚拋泥時間段的方法的一種較佳的技術方案，其特征在于所述的步驟(2)通過比對河床地形隨水動力變化過程的曲線，找出進入河床沖刷狀態(tài)的時間點，選取開始進入河床沖刷狀態(tài)所對應的水流切應力，作為泥 沙臨界起動切應力。

本發(fā)明的基于泥沙流失率最小準則確定航道疏浚拋泥時間段的方法的一種更好的技術方案，其特征在于所述的步驟(2)通過比對河床地形隨水動力變化過程的曲線，找出進入河床沖刷狀態(tài)的時間點，選取開始進入河床沖刷狀態(tài)所對應的水流流速，作為泥沙臨界起動流速。

本發(fā)明的基于泥沙流失率最小準則確定航道疏浚拋泥時間段的方法的一種改進的技術方案，其特征在于所述的步驟(2)根據以下經驗公式確定臨界起動流速：

其中，vcr為臨界起動流速,h為水深(m)，d50為疏浚土的泥沙中值粒徑(mm)，γ為清水容重(kg/m³)，γs為渾水容重(kg/m³)。

本發(fā)明的基于泥沙流失率最小準則確定航道疏浚拋泥時間段的方法的一種進一步改進的技術方案，其特征在于所述的步驟(4)選擇滿足水動力條件|τ|<τcr的時間段作為可拋泥時間段，其中，τ為拋泥坑位置瞬時河床水流切應力，τcr為步驟(2)所確定的泥沙臨界起動切應力。

本發(fā)明的基于泥沙流失率最小準則確定航道疏浚拋泥時間段的方法的一種優(yōu)選的技術方案，其特征在于所述的步驟(4)選擇滿足水動力條件|v|<vcr的時間段作為可拋泥時間段，其中，v為瞬時垂線平均流速，vcr為步驟(2)所確定的臨界起動流速。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明的基于泥沙流失率最小準則確定航道疏浚拋泥時間段的方法，能夠利用疏浚土泥沙的臨界起動流速和切應力數據，有針對性地選擇拋泥時間段，進行航道疏浚船舶拋泥作業(yè)時間控制，可以使拋泥過程中泥沙的流失率減小大約30％，提高疏浚土的利用率，帶來巨大的經濟效益。

2、采用本發(fā)明的基于泥沙流失率最小準則確定航道疏浚拋泥時間段的方法，符合水沙運動的自然科學規(guī)律，可以有效控制疏浚船舶拋泥過程中泥沙的流失，減少流失泥沙對正在疏浚的主航道及入坑臨時航道周邊灘槽的不利影響，提高航道疏浚的作業(yè)效率和疏浚效果。

附圖說明

圖1是用于獲取臨界起動切應力數據的坐底水沙觀測系統(tǒng)的結構示意圖；

圖2是根據坐底水沙觀測系統(tǒng)的觀測結果確定臨界起動切應力和流速的示意圖；

圖3是水動力過程線與泥沙起動的關系示意圖；

圖4是利用切應力過程線進行拋泥時間段選擇的示意圖；

圖5是利用流速過程線進行拋泥時間段選擇的示意圖；

圖6是基于泥沙流失率最小準則確定航道疏浚船舶拋泥時間段的方法的流程圖。

具體實施方式

為了能更好地理解本發(fā)明的上述技術方案，下面結合附圖和實施例進行進一步地詳細描述。

根據拋泥坑泥沙流失率最小的需求，本發(fā)明的潮汐作用下確定航道疏浚船舶拋泥時間段的方法，根據泥沙流失率最小準則確定拋泥時間段：

需要盡量減小拋泥坑的泥沙流失率，提高疏浚土的利用效率。本準則根據拋泥時刻對應的水流動力值確定拋泥時間段，以保證疏浚土流失率盡可能小，選擇所有水流切應力(或流速)小于泥沙臨界起動切應力(或流速)的時間段作為拋泥時間段，由于該時間段內當地、當時的水流動力不夠強，疏浚拋泥棄土不會被水流起動并隨水流流失，因此，根據本準則，拋泥棄土的泥沙流失率可控制在較小的范圍內，理論上泥沙流失率可趨近于零；拋泥入坑的維護疏浚土可通過吹泥管道吹送到其他區(qū)域進行再利用，從而大大提高疏浚土的利用效率。

本發(fā)明的潮汐作用下確定航道疏浚船舶拋泥時間段的方法的一個實施例，根據計算繪制潮汐作用下的水動力過程線，基于泥沙流失率最小準則確定航道疏浚船舶的拋泥時間段，其操作流程如圖6所示，包括以下步驟：

步驟(1)：利用坐底水沙觀測系統(tǒng)，對待執(zhí)行拋泥作業(yè)的拋泥坑周邊執(zhí)行水沙運動觀測,獲取現場試驗數據和潮汐數據；本步驟利用設置在拋泥作業(yè)的拋泥坑周邊的坐底水沙觀測系統(tǒng)，通過連續(xù)觀測試驗獲取用于確定拋泥時間段的現場試驗數據和潮汐數據，包括流速、含沙量、切應力、潮位和波浪數據等。坐底水沙觀測系統(tǒng)的基本結構和工作原理，可以參見本發(fā)明背景部分所引用的中國發(fā)明專利zl201410029922.5和中國發(fā)明專利200910048764.7。本實施例采用上海河口海岸科學研究中心設計的坐底水沙觀測系統(tǒng)其結構如圖1所示，觀測結果包括根據現場試驗數據繪制的河床地形隨水動力變化過程的曲線(探頭距床面高度曲線)，水流切應力隨水動力變化過程的曲線，以及水流流速隨水動力變化過程的曲線，參見圖2。

步驟(2)：根據現場試驗數據確定疏浚土泥沙的臨界起動切應力和臨界起動流速；根據圖2所示的實施例，通過比對河床地形隨水動力變化過程的曲線，找出進入河床沖刷狀態(tài)的時間點，也就是從河床淤積階段轉變到河床沖刷階段的轉折點，選取開始進入河床沖刷狀態(tài)所對應的水流切應力，作為臨界起動切應力。同樣，也可以根據現場試驗數據并使用類似的方法，選取開始進入河床沖刷狀態(tài)所對應的水流流速，作為臨界起動流速。

步驟(3)：根據現場試驗數據和潮汐數據，利用三維潮流數學模型進行數字仿真，計算拋泥坑位置的水動力，繪制水動力過程線；本步驟利用三維潮流數學模型精確計算出拋泥坑位置的水動力過程線，參見圖3。將水動力過程線與疏浚土泥沙的臨界起動切應力指標進行比較，判斷當前水動力條件下拋泥入坑泥沙是否處于起動狀態(tài)，如處于起動狀態(tài)則判斷為可起動且可隨水體流動，從坑內流失。本發(fā)明的一個實施例選擇滿足水動力條件|τ|<τcr的時間段作為可拋泥時間段，其中，τ為拋泥坑位置瞬時河床水流切應力，τcr為步驟(2)所確定的泥沙臨界起動切應力。在圖3所示的拋泥坑位置的水流切應力過程線上，標出了臨界起動應力τcr，過程線中超出陰影區(qū)域的時間段，水流切應力大于臨界起動應力τcr，泥沙啟動；過程線位于陰影區(qū)域的時間段，水流切應力小于臨界起動應力τcr，泥沙不起動。

步驟(4)：統(tǒng)計任意一天內水流切應力小于泥沙臨界起動應力的時間段，即為基于泥沙流失率最小準則確定的一天內適宜的疏浚拋泥時間段。

圖4是一個基于泥沙流失率最小準則確定拋泥時間段的實施例，該實施例中的拋泥坑設有吹泥管線，要求疏浚土的利用率較高并且拋泥土流失率較小。本實施例用mike21軟件計算繪制拋泥坑位置的水動力計算。mike21軟件包括世界上應用最廣的水動力計算數學模型，在全世界范圍的河口地區(qū)都得到了較好的應用。該軟件可以根據拋泥坑位置處的基礎數據或歷史數據，通過數字仿真計算出較長時間序列的水動力過程，根據計算結果繪制的流速過程線。圖4中的河床水流切應力過程線是利用數學模型計算繪制的，表示某一天某一拋泥坑位置處切應力隨時間變化的過程。在本實施例中，在步驟(2)中經現場試驗確定的臨界起動切應力為0.4n/m²；通過將過程線中的切應力的絕對值與臨界起動應力大小比較，把所有小于臨界起動切應力的時間段都標示出來，得到圖4中陰影部分標示的時間段，確定作為該拋泥坑這一天里的拋泥時間段。

根據現場試驗數據確定臨界起動切應力的方法能夠更好地符合現場實際，其精度更高。但是，該方法操作實施復雜，而且需要固定的儀器設備，在實施上有一定的難度。 確定臨界起動切應力的另一種便捷方法是利用相關文獻提出的經驗公式。但是，由于該方法不能完全真實的反映實際情況，可能會帶來一定的誤差。

由于流速與水流的切應力具有對應換算關系，根據流速也可以確定拋泥時間段。本發(fā)明的潮汐作用下確定航道疏浚船舶拋泥時間段的方法的另一個實施例，使用流速過程線替代切應力表示的水動力過程線，基于泥沙流失率最小準則確定航道疏浚船舶的拋泥時間段，其操作流程如圖6所示，包括以下步驟：

步驟(1)：利用坐底水沙觀測系統(tǒng)，對待執(zhí)行拋泥作業(yè)的拋泥坑周邊執(zhí)行水沙運動觀測,獲取現場試驗數據和潮汐數據；本步驟主要用于獲取拋泥坑位置處的基礎數據。

步驟(2)：根據經驗公式確定疏浚土泥沙的臨界起動流速；

水體中泥沙在底層與河床發(fā)生物質交換可用下式表示：

f＝f(v,vcr,s,…)(1)

其中，f為底部泥沙沖淤函數(kg/(m²·s))，v為當地的瞬時垂線平均流速(m/s),臨界起動流速vcr，s為垂線平均泥沙濃度(kg/m³)；式(1)中的函數f()表示各參數之間存在函數關系，具體的函數可根據本領域專業(yè)知識和經驗建立。

步驟(3)：基于現場試驗數據和潮汐數據，利用三維潮流數學模型進行數字仿真，計算拋泥坑位置的水動力，繪制流速過程線；參見圖5所示的流速過程線實施例。

步驟(4)：基于泥沙流失率最小準則，確定對應拋泥坑的可拋泥時間段。由于拋泥流失主要發(fā)生在拋泥時刻，拋泥進坑后的疏浚土自然流失率一般較小。因此，若當地拋泥時刻的瞬時水動力滿足小于臨界起動流速的條件，則拋泥入坑的疏浚土在水動力作用下大部分都不會再起動懸浮，從而會顯著減小疏浚土的流失；因此，本步驟以臨界起動流速可作為選擇拋泥時間段的主要控制指標。

根據臨界起動流速的定義，若當地的瞬時垂線平均流速v大于臨界起動流速vcr，則泥沙在水動力作用下會處于起動狀態(tài)，可被水動力帶動并隨水體流動；其判斷式為：

f＝f(v,vcr,s,…)＞0，當v>vcr時，泥沙大量起動(2)

在疏浚土拋泥時，若當地流速滿足式(2)的條件，則大量拋泥土將無法拋泥進坑和沉積到河床上，而發(fā)生流失；為了保證疏浚土流失率盡可能小，拋泥時刻對應的水動力條件至少應滿足下式：

|v|<vcr(3)

其中，v為瞬時垂線平均流速，vcr為步驟(2)所確定的臨界起動流速。根據本發(fā)明的一個實施例，臨界起動流速根據以下經驗公式(武水公式)確定：

式中，vcr為臨界起動流速,h為水深(m)，d50為疏浚土的泥沙中值粒徑(mm)，γ為清水容重(kg/m³)，γs為渾水容重(kg/m³)。

本步驟從圖5所示的流速過程線中，選擇滿足水動力條件|v|<vcr的時間段t1～t5，作為最佳拋泥時間段，完成基于泥沙流失率最小準則確定拋泥時間段的過程。

采用本發(fā)明基于泥沙流失率最小準則確定拋泥時間段，在確定的拋泥時間段內進行拋泥作業(yè)，其理論上可以保證拋泥流失率近似為0％，而不進行拋泥坑控制的拋泥作業(yè)，其拋泥流失率據統(tǒng)計一般在40％～70％左右，因此采用本發(fā)明的潮汐作用下確定航道疏浚船舶拋泥時間段的方法，可以大大提升拋泥疏浚土的利用效率，減小拋泥對周邊灘槽的不利影響。

以長江口深水航道疏浚為例，年計劃拋泥入坑量約4000萬方，其主要用于周邊圈圍造地成陸工程，采用本發(fā)明的潮汐作用下確定航道疏浚船舶拋泥時間段的方法，進行航道疏浚船舶作業(yè)時間控制，可以大大降低疏浚土流失率，按照約浚土流失率減少30％計算，每年可減少約1200萬方疏浚土的流失，可大大提高疏浚土的利用率，帶來巨大的經濟效益。

本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發(fā)明的技術方案，而并非用作為對本發(fā)明的限定，任何基于本發(fā)明的實質精神對以上所述實施例所作的變化、變型，都將落在本發(fā)明的權利要求的保護范圍內。