淤泥密度值综合确定方法及技术

2.3.1　《规范》法确定的适航淤泥重度值

对于适航淤泥密度值的确定，《淤泥质海港适航水深应用技术规范》（JTJ/T 325-2006）、《海港总体设计规范》（JTS 165-2013）明确给出了方法，主要是通过淤泥流变试验和船模阻力试验这两种室内试验来确定，即建立屈服应力与淤泥密度的关系曲线、船模阻力与淤泥密度的关系曲线，进而以曲线中的拐点作为适航淤泥密度值。全面分析流变试验和船模阻力实验确定的结果，如某港口流变试验确定的适航淤泥重度值介于11.8～12.2kN/m3，船模阻力试验确定的适航淤泥重度值介于11.9～12.2kN/m3，参照国内外类似港口的标准值（见表1-3），从而保证船舶航行的安全考虑，适航淤泥重度取12.1kN/m3，转化为密度值为1 235kg/m3。另外，国际航运协会编写的《进港航道设计导则》规定使用适航水深的港口每年应对适航淤泥重度值进行验证，以保证船舶航行安全。

2.3.2　理论计算

金镠等人根据层流到紊流的转变条件，提出了新的确定方法，主要理论和方法摘录如下。

浮泥为非牛顿流体，只能在重力分量引起的切应力超过浮泥层抗剪强度时沿缓坡运移。荷兰Delft大学的Van Kessel等对缓坡上的浮泥重力流进行了系统的试验研究，指出缓坡上的浮泥流动可以有层流和紊流两种流态，前者为高浓度时的流态，可模态化为宾汉流体；后者为相对低浓度时的流态，此时有与上部水流的交换。层流到紊流的转变条件用有效雷诺数Re给出。有效雷诺数Re为：

式中：Rμ和Rτ分别取决于宾汉黏滞性和宾汉屈服应力的雷诺数，分别表示为：

式中：ρ为浮泥层平均密度；U为浮泥层运移速度；H为浮泥层厚度。Van Kessel提出层流-紊流转变的有效雷诺数Re=2 000～3 000。

船体的一部分在浮泥层中运动，船体边壁处的流体切应力必然超过浮泥的抗剪强度，从而带动船体周边的部分浮泥一起运移，这一物理过程与缓坡上的浮泥重力流相似。在不同的浮泥密度、浮泥层厚度以及航行速度等条件下，船体引起的浮泥运动可以是层流，也可以是紊流，在浮泥为高密度时，往往出现层流，且阻力系数较大；相反，浮泥密度较低时，可能为紊流，且阻力系数较低。因此，可以把与层流-紊流转换时的有效雷诺数相对应的浮泥密度定义为适航密度。

（1）在船行速度很低的情况下，船体周边浮泥的流态基本为层流，此时可以利用作为通航水深的浮泥层厚度很小。在船行速度超过1kn时，在低密度条件下为紊流状态，随着密度增大，浮泥流态从紊流向层流转变。(www.xing528.com)

（2）以连云港淤泥为例，在通常进出港船行速度4～8kn（即2～4m/s）情况下，适航密度在1 250～1 350kg/m3。从港口管理角度考虑，吃水较深的重载大船利用适航水深航行时，有时也会采用较小航速（2～4kn），因此，确定适航密度1 200～1 250kg/m3较为稳妥。换言之，航道和港池适航密度的取值可以有所不同，航道内船行速度较大，对浮泥作为适航水深的利用可以更充分一些。

（3）作为船体周边浮泥流态转换的指标，有效雷诺数Re取3 000或2 000，对适航密度的确定差别不大。

（4）对同样密度的浮泥，代表层流-紊流转换条件的有效雷诺数Re随着航行速度的增加而增大，也随着浮泥层厚度的增大而增大。

实际应用上为确保航行安全，取值要小一些。

根据式（2-16）至式（2-18）以及前面流变试验的结果计算得出在层流-紊流转换条件Re=3 000和2 000、浮泥层厚度为0.5m时，不同航行速度相对应的适航密度如图2-11所示。在进出港船行速度4～8kn（即2～4m/s）的情况下，适航重度可分别选取13.05～13.85kN/m3（Re=3 000）、13.30～14.02kN/m3（Re=2 000）。

2.3.3　两种方法对比

依据金镠等人的理论计算确定的适航淤泥重度值，其下限约为13.0kN/m3，远大于按《淤泥质海港适航水深应用技术规范》方法确定11.8～12.2kN/m3范围。

需要指出的是，该方法的物理意义明确，在理想状态下得出了船速大则对应的适航淤泥密度值也大的结论。但事实上，船速大、淤泥密度大则意味着所需动力也大，但每条船舶的动力条件都是固定的，则上述结论在现实中存在制约。

图2-11　船舶吃泥深度为0.5m时适航密度与航速的关系