婁海峰

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

爆破擠淤填石是淺海工程中淤泥質(zhì)軟基處理中的常用施工方法,由此產(chǎn)生的懸浮泥沙高渾濁水團(tuán)由于水動(dòng)力條件作用產(chǎn)生的輸移、擴(kuò)散和沉降作用,會(huì)影響周圍生態(tài)系統(tǒng),威協(xié)海洋生物資源。根據(jù)相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),一般工程施工鑒于安全,均會(huì)選擇避開大風(fēng)、大浪等惡劣天氣,因此,懸浮泥沙的輸移擴(kuò)散主要以潮流影響為主。故研究爆破擠淤產(chǎn)生的懸浮泥沙輸移擴(kuò)散在潮流作用下的輸移擴(kuò)散過程,分析其對(duì)水環(huán)境的影響有重要意義。金塘北部連島工程魚龍山—橫檔山圍堤地基擬采用控制加載爆炸擠淤置換法處理,工程位置見圖1,本文對(duì)該圍堤處爆破擠淤產(chǎn)生的懸浮泥沙輸移擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并對(duì)不同時(shí)刻進(jìn)行爆破擠淤產(chǎn)生的懸浮泥沙輸移擴(kuò)散對(duì)附近水域的影響進(jìn)行了研究。

圖1 工程位置圖

2 懸浮物泥沙輸移擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型

爆破擠淤產(chǎn)生的沖擊波壓力極大,且作用時(shí)間通常為微秒級(jí)[1-2],對(duì)水體產(chǎn)生極大的擾動(dòng),底床泥沙在劇烈的爆破擾動(dòng)作用下極易發(fā)生再懸浮,從而造成水體中泥沙含量短時(shí)間內(nèi)急劇增加,水體的混濁度迅速提高,形成與周邊水體具有明顯不連續(xù)界面的高濃度含沙水團(tuán)。在研究大范圍的懸浮泥沙輸移擴(kuò)散過程中,爆破擠淤產(chǎn)生的懸浮泥沙可近似認(rèn)為符合瞬時(shí)分布源的情況,此外,懸浮泥沙在水動(dòng)力作用下的輸移擴(kuò)散過程與懸沙輸移擴(kuò)散過程相似,僅在底部通量上存在差異,即懸浮泥沙的輸移擴(kuò)散過程在一定程度上可以看作是沉降占優(yōu)的懸沙輸移擴(kuò)散過程。

垂線平均的二維不平衡輸沙方程(增量計(jì)算):

式中:u,v分別為x,y方向上的垂線平均流速分量(m/s);為水深(m);x,y為直角坐標(biāo);為時(shí)間。Ss為施工期排放泥沙的源強(qiáng);As為排放點(diǎn)的流體微團(tuán)面積,在數(shù)值計(jì)算中取節(jié)點(diǎn)的質(zhì)心域面積;-α ω S為沉降項(xiàng),α=0.15～0.4為泥沙沉降幾率,ω為泥沙沉速,本海域泥沙顆粒細(xì),存在絮凝現(xiàn)象,本次計(jì)算取ω=0.000 5 m/s;S為垂線平均含沙量。

3 懸浮物泥沙輸移擴(kuò)散模擬

利用2008年3月的水文測(cè)量資料,建立了金塘島附近海域的懸沙輸移數(shù)學(xué)模型,并在模型驗(yàn)證取得滿意結(jié)果的基礎(chǔ)上,就爆破擠淤產(chǎn)生的懸浮泥沙輸移擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬和分析。

3.1 源 強(qiáng)

根據(jù)爆破擠淤的施工工藝,爆破擠淤法施工主要是通過爆炸產(chǎn)生的沖擊作用來降低淤泥本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,同時(shí)利用拋石堆積體的自重使爆前處于平衡狀態(tài)的拋石體向強(qiáng)度降低處的淤泥內(nèi)滑移,達(dá)到泥石置換的目的。1次爆破擠淤循環(huán)進(jìn)尺為5～7 m,按7 m計(jì)算,則預(yù)計(jì)單次爆破的拋淤量為4 628.9 m3。對(duì)于爆破擠淤產(chǎn)生的懸浮泥沙源強(qiáng)的確定一般以每次爆破擠淤的泥量與起懸比相乘計(jì)算得出瞬時(shí)懸浮物擴(kuò)散源強(qiáng),以上2個(gè)參數(shù)將隨著爆破時(shí)所用炸藥量以及工程所在區(qū)域的不同取值會(huì)有所區(qū)別。但爆破擠淤懸浮物源強(qiáng)的確定可以類比拋泥源強(qiáng)的確定方法。對(duì)于拋泥源強(qiáng)的確定,我國學(xué)者提出了各自不同的觀點(diǎn),范志杰等[3-4]結(jié)合資料統(tǒng)計(jì)的研究結(jié)果認(rèn)為,可選取源強(qiáng)為拋泥量的5%作為爆破擠淤懸浮物泥沙源強(qiáng)的計(jì)算因子,則單次爆破擠淤產(chǎn)生的懸浮物沙源強(qiáng)為231.45 m3。

圖2 爆破擠淤代表點(diǎn)位置圖

3.2 懸浮物泥沙輸移擴(kuò)散模擬

考慮到大、中、小潮爆破擠淤后懸浮泥沙在潮流作用下的輸移擴(kuò)散規(guī)律較為相似,因此本文僅對(duì)大潮期進(jìn)行研究,工程區(qū)漲、落潮流矢見圖3。在魚龍山—橫檔山圍堤處(D3堤,見圖2)選取3個(gè)爆破擠淤位置EP1、EP2、EP3,來模擬爆破擠淤之后產(chǎn)生的懸浮泥沙輸移擴(kuò)散過程。其中,EP1點(diǎn)位置靠近魚龍山,漲潮流易受阻,EP3點(diǎn)位置靠近橫檔山,落潮流易受阻,而EP2點(diǎn)處于中部位置,漲、落潮流受旁邊島嶼影響基本相當(dāng),工程海域漲、落潮流矢見圖3。爆破擠淤時(shí)間選取4個(gè):落憩時(shí)刻、漲急時(shí)刻、漲憩時(shí)刻、落急時(shí)刻。

圖3 工程區(qū)流矢圖

3.2.1 懸浮物濃度歷時(shí)變化

爆破擠淤之后,進(jìn)入水體的懸浮物除部分發(fā)生落淤之外,另一部分則在漲落潮流的作用下,在爆破擠淤點(diǎn)附近水域作輸移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),且隨著時(shí)間的變化,爆破擠淤產(chǎn)生的懸浮物的濃度將逐漸降低。其中EP2擠淤點(diǎn)在落憩、漲急、漲憩、落急4個(gè)時(shí)刻爆破之后,其懸浮泥沙增量濃度分布隨時(shí)間變化情況見圖4?？梢钥闯?在落憩、漲急時(shí)刻爆破時(shí),懸浮物高濃度渾水團(tuán)在偏西北向漲潮流的作用下向偏西北方向輸移,漲憩、落急時(shí)刻爆破時(shí),懸浮物高濃度渾水團(tuán)在偏東南向落潮流的作用下向偏東南方向輸移。

繪制EP1、EP2、EP3爆破擠淤點(diǎn)在不同時(shí)刻爆破之后,懸浮物濃度10 mg/L(一、二類水質(zhì)懸浮物質(zhì)允許的人為增加量值[5])增量等值線面積歷時(shí)變化圖5,可以看到,爆破擠淤6 h后,懸浮物的增量濃度均已減至10 mg/L以下。從10 mg/L增量等值線面積來看,各擠淤點(diǎn)在漲、落憩時(shí)刻爆破后發(fā)生的峰值一般要小于漲、落急時(shí)刻爆破后產(chǎn)生的峰值,可見水動(dòng)力條件越強(qiáng)懸浮物泥沙的擴(kuò)散范圍越大。從10 mg/L增量等值線消失時(shí)間來看(面積為0):EP1點(diǎn)在落憩時(shí)刻爆破最佳,基本在1.5 h內(nèi)消失;EP2點(diǎn)在漲憩時(shí)刻爆破為佳,基本在2 h內(nèi)消失;EP3點(diǎn)漲憩時(shí)刻爆破最佳,基本在1 h內(nèi)消失?？梢?爆破產(chǎn)生的懸浮泥沙輸移擴(kuò)散與工程區(qū)的潮流運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。總的來說,在轉(zhuǎn)流時(shí)段 (憩流)進(jìn)行爆破更有利于懸浮泥沙濃度的降低,且隨爆破位置的不同而略有所不同。

圖4 EP2點(diǎn)爆破后不同時(shí)刻懸浮泥沙增量濃度分布圖(mg/L)

圖5 各爆破擠淤點(diǎn)懸浮泥沙濃度10 mg/L增量等值線面積歷時(shí)變化圖

3.2.2 懸浮物濃度包絡(luò)線

為了較為直觀地說明爆破后高渾濁水團(tuán)的影響范圍,分別作了各爆破點(diǎn)在不同時(shí)刻爆破后,附近水域水體中24 h內(nèi)懸沙濃度增量最大值的包絡(luò)線(見圖6、7、8),其中10 mg/L增量包絡(luò)線面積見表1。

可以看到,水體中懸沙濃度增量呈現(xiàn)出爆破點(diǎn)附近濃度增量最大,距離爆破點(diǎn)越遠(yuǎn)濃度增量越低的變化趨勢(shì),且變化延伸方向與爆破后潮流運(yùn)動(dòng)方向基本一致。從輸移擴(kuò)散影響范圍(包絡(luò)線面積)來看,在轉(zhuǎn)流時(shí)段 (憩流)進(jìn)行爆破更有利于懸浮泥沙濃度的降低,與歷時(shí)變化分析成果基本一致,其中靠近魚龍山的EP1位置在落憩時(shí)刻爆破對(duì)周邊水域影響最小,位于堤線中部的EP2點(diǎn)在漲憩時(shí)刻爆破對(duì)周邊水域影響最小,靠近橫檔山的EP3位置則是漲憩時(shí)刻爆破對(duì)周邊水域影響最小。

圖6 EP1點(diǎn)在不同時(shí)刻爆破擠淤后24 h內(nèi)懸浮泥沙濃度增量最大值包絡(luò)線圖(mg/L)

圖7 EP2點(diǎn)在不同時(shí)刻爆破擠淤后24 h內(nèi)懸浮泥沙濃度增量最大值包絡(luò)線圖(mg/L)

圖8 EP3點(diǎn)在不同時(shí)刻爆破擠淤后24 h內(nèi)懸浮泥沙濃度增量最大值包絡(luò)線圖(mg/L)

表1 各爆破擠淤點(diǎn)在不同時(shí)刻爆破擠淤后24 h內(nèi)懸浮泥沙濃度10 mg/L增量包絡(luò)線面積表km2

4 結(jié) 語

綜合上述分析表明,爆破擠淤產(chǎn)生的懸浮泥沙的輸移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與潮流運(yùn)動(dòng)密切相關(guān),潮流的方向及水動(dòng)力強(qiáng)度在一定程度上決定了爆破擠淤產(chǎn)生的懸浮泥沙的輸移擴(kuò)散方向及范圍。在該水域,爆破擠淤后,水體中由此而產(chǎn)生的懸浮泥沙濃度由于擴(kuò)散和落淤而迅速減小,爆破擠淤6 h后,懸浮泥沙濃度增量基本降至10 mg/L以下,若在轉(zhuǎn)流時(shí)段 (憩流)進(jìn)行爆破更有利于懸浮泥沙濃度的降低,對(duì)周邊水域環(huán)境的影響較小,并因擠淤位置而略有差異。

[1]于亞倫.工程爆破理論與技術(shù) [M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004.

[2]孟吉復(fù),惠鴻斌.爆破測(cè)試技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1992.

[3]范志杰.我國巰浚物海洋傾倒?fàn)顩r及其分類方法標(biāo)準(zhǔn)的探討[J].海洋環(huán)境科學(xué),1990,9(2):88-93.

[4]范志杰.疏浚物海洋傾倒幾個(gè)問題的探討 [J].交通環(huán)保,1990,11(1-2):79-83.

[5]國家環(huán)境保護(hù)總局.GB 3097—1997,海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) [S].北京:環(huán)境科學(xué)出版社,1998.