三泵施工方法在航道疏浚工程中的应用

　　摘要：结合无锡某港的开挖工程，对三泵施工的理论依据分析的基础上，对管线对泥浆水头损失的分析，陆地管线计算，挖泥操作规程进行的详细而深入的研究。
　　
　　1.工程施工条件
　　由于目前我国电力能源紧张，南方省市煤炭严重短缺，迫于生产压力，业主要求该工程于2010年6月30日按3.5万吨级泊位设计阶段完工。苏航浚217船2010年5月至6月在无锡某港口疏浚工程中，在管线小于1100m的情况下，大胆采用三泵串联挖吹砂卵石，使船舶生产率得到较大幅度提高。2010年5月12日217船停工靠码头航修，改二泵串联为三泵串联，将挖泥绞刀更换为挖岩小绞刀。217船14日进入港池施工，采取先远端后近端的吹填方式，即采取在泥泵叶轮状态较好时首先吹填远端，随泵效逐渐下降，陆地管线根据吹填情况不断拆回，以减少泥浆水头损失。
　　1.1管线组成。217船采用水上管线直接上岸接陆地管（无水下管线），水上浮筒管线长500.4m，包括Φ600mm（1+①）42组、Φ700mm（1+①）15组、Φ700mm自浮管1节，船尾胶皮套一节、变径管三节等；陆地管线为Φ600mm管（含Φ700mm过渡管24m），排高为+4.0m，吹填区吹距约为50~600m。
　　1.2开挖土质。由于该施工区上层已开挖，剩余土质主要为砂卵石（含少量粉质粘土）。
　　1.3泥泵组合形式。当时217船采用水下泵与1号舱内泵船串联施工，开挖砂卵石生产率为410m3/h。
　　1.4工况分析。施工中砂卵石生产率偏低，一方面是由于采用的挖泥型绞刀不适合开挖砂卵石；另一方面，在相同流量下，Φ600mm管线内的流速变大，加大了泥浆的水头损失，在随陆地管不断接长的情况下，管线对泥浆水头损失不断增加，两台泥泵组合型式下，泥泵需减小流量，提高排出水头，以弥补泥浆的水头损失，从而使流速减小，浓度降低，造成生产率减小。
　　根据以往的施工经验，人们普遍认为三泵挖吹卵石至少要1500m的管线才能开得起车，而本工程最大排距也不过1100m，所以一直未提出采用三泵施工。但在严峻的生产形势下，通过认真分析、研究，我们认为在使用Φ600mm管线的情况下，可以采用三台泥泵串联施工。依据主要有以下两方面：
　　（1）在使用Φ600mm管线的情况下，由于管路截面积变小，流速变大，管线对泥浆阻力变大，（即使在相同流速下，管径越小对泥浆的阻力越大），同时船管截面不变，流速相对较小，在一定程度上给了挖泥设备一定的安全运转系数，减少了泵内因流速突然变大产生震车或泵机超负荷的可能。
　　（2）改三泵后开挖土质全部为砂卵石，该土层对挖岩型绞刀而言挖掘没问题，施工操作中可在管线排压允许下最大限度地提高输送浓度，以浓度压负荷。实现三台泥泵串联施工的具体操作要求如下：正刀时绞刀放入泥1.5米~2米，台车进尺2米；反刀时绞刀放入泥0.5米~0.8米，台车进尺2米；快到边线时要加大横移速度，多挖吸一些砂卵石，以填补换向低产时的超负荷；换台车时提前增加浓度，再减速舱内泵，或进一步脱掉2号泥泵，换完台车后再合上2号泥泵，继续施工；排出压力控制在9kg～10.5kg左右，最好是9.5kg；流速控制在5m/s以上；浓度尽量控制在15%（仪表读数）；尽量让绞刀和吸口长时间处在工作时间内，保持排泥管中的高浓度；陆地要准备好接管线的设备，接管线尽可能用最短的时间，吹水时管线内留部分砂卵石，以保证开车时的主机不超负荷。
　　2.管线对泥浆水头损失的分析
　　2.1三泵施工的理论依据
　　1.管线最低实用（经济）流速的确定
　　因管线中存在Φ700mm管线，需要较大的最低实用流速，可按Φ700mm计算。临界流速公式（1）式中，Vc为临界流速（m/s）；C为土壤颗粒的体积浓度（%），取泥浆体积浓度为10%，则对应C=5.8%；g为重力加速度，取9.81m/s2；Dd为排泥管内径（m），取0.7m；ds为沙粒直径（mm），取4.0；Vss为颗粒在静水中的沉降速度（m/s），取0.175。把各参数代入（1）式计算得临界速度c=4.27m/s。根据最低实用流速和临界流速的关系Vp=VcKv（2）
　　其中，Vp为最低实用（经济）流速（m/s），Kv为系数，取1.1（管线远端为600mm管，管内流速大，且其对应临界流速小，为3.96m/s，故Kv取小值）。由此得到经济流速为Vp=4.7m/s。
　　2.相应的泥泵扬程确定。由Vp=4.7m/s推出流量为Qp=3600πr2Vp=6508m3/h。根据《绞吸挖泥船泥泵输泥计算手册附件》查得（水下泵+2舱内泵）泵送砾石时对应该流量的泥泵扬程为94.5m（根据该船泥泵柴油机最大转数经验，转速假设为额定转速的90%）。
　　3.排泥管路泥浆水头和陆地管线长度计算
　　（1）计算条件。输送土质为砂卵石（圆砾）；挖深为-13.8m；排高为4.0m；排泥管管径为Φ700mm，共21根，总长114m；水上管线管径为Φ600mm，共42根，总长294m；水上胶皮套直径为Φ700mm，共15节；自浮管管径为Φ700mm1节，管径为Φ600mm43节；其它附件包括三个变径管、船尾1节胶皮套和90度弯头一个。
　　（2）水头计算公式为
　　（3）
　　式中，为船泥泵吸入口前吸泥管泥浆局部阻力系数之和，∑ξ参照《施工工艺》，以下关于船舶自身有关参数均参考该文献）；ls为吸泥管部分直管长度，取28.4m；Ds为吸泥管直径，取0.75m；vs为吸泥管泥浆流速，对应700mm管线最低实用流速，750mm吸管流速为vs=4.09m/s；g为重力加速度，取9.81m/s2；γm为泥浆天然容重，可由下式求得（4）式中，γm为泥浆密度（t/m3）；γ为天然土密度（t/m3），根据资料取值为2.0；γw为海水天然密度（t/m3），取值为1.025；ρ为泥浆天然土浓度，根据地质资料，结合该船在秦皇岛施工的经验，取值为10%。对于浓度为10%的砾石，可计算得到γm=1.123t/m3。式（3）中，λm为泥浆的摩阻系数，，λγ，Φ700mm管线的λm=1.123×0.013=0.0146，Φ750mm管线的λm=1.123×0.0125=0.014，Φ600mm管线的λm=1.123×0.0135=0.0151（Φ600mm管线λw参考《疏浚工程技术规范》取值）。∑ξmd为排泥管线的泥浆局部阻力系数之和，。vd为船舶本身的排泥管泥浆流速，对应管线最低实用流速的vd=4.7m/s。ld为船舶本身排泥管部分直管长度，取35.6m；Dd为船舶本身排泥管直径，取0.7m；∑ξmg为水上、陆地排泥管线局部泥浆摩阻系数之和，根据工程实际情况分别计算如下：Φ600mm管内∑ξmg600=1.123×（43×0.087+0.18×3+0.59）=5.47；Φ700mm管内∑ξmg700=1.123×（15×0.08+0.013×3.8×11）=1.74
　　νg为排泥管泥浆流速，Φ700mm管内取4.7m/s，Φ600mm管内取6.39m/s。lg为排泥管线长度（m）；Dg为排泥管线直径（m），分别取0.6m和0.7m；Z为排高，取4.0m；Y为挖深，取13.8m。将上述各参数代入计算公式后得：（5）
　　2.2陆地管线计算。根据扬程和水头的关系H=hm，即94.5=54.78+0.052lg可得lg=763m。若在同样的条件下采用双泵施工，217船（水下泵+1舱内泵）泵送砾石时对应该流量的泥泵扬程仅为58m（泥泵柴油机转速假定为额定转速的90%），几乎没有陆地管线需要的富裕水头。由以上结果可看出，按前所述的水上管线组成形式，陆地管使用Φ600mm管线，泥泵柴油机转速为额定转速的90%情况下，217船三泵串联以最低使用流速输送浓度为10%的砂卵石，可提供的最大排距约1200m。根据施工船开挖砂卵石的实际参数，避免泵机超功率，选取较小的泥浆体积浓度计算陆地管线长度：取体积浓度为8%，计算土颗粒体积浓度为3.5%；泥浆容重为1.103g/cm3；在Φ700mm管的临界流速为3.95m/s，最低实用流速为4.35m/s，流量为6023m3。以此条件重新计算陆地Φ600mm管线水头损失，对应的流量水头为96m，可得出陆地管线长度为1123m，水上管线不变的情况下可提供约1560m的吹距，超过实际施工需要，施工中可以通过适当增大泥浆流速以提高生产率和改善机械设备运转状态。以上各种计算均为理论计算，所设定的边界条件都是理想化状态，而且各种水力计算公式和参数选自不同资料，即使在同一种资料中所介绍的参数也存在很大的差异，在施工中未能实测，只是理论估算，因此未进行工况点的其他验算，仅作为定性分析参考。
　　3.结果分析
　　同一条船，挖吹同样的土质，对不同管径排泥管线长度的要求相差如此之大，其原因就在于管径不同。通过以上计算过程我们可以看出，泥浆水头损失受管线的影响因素主要有两个方面：
　　1．管线的磨阻系数λm。由可看出它与泥浆的容重和排泥管对清水的沿程磨阻系数有关，而泥浆的容重随体积浓度增加而增加，对同一条船采用不同内径的管线而言，采用内径小的管线的目的是增大流速，以提高泥浆的体积浓度，这样就加大对泥浆的水头损失。λw=0.01183+C/D，式中C为管璧粗糙系数，D为排泥管内径。由此可看出管径与沿程磨阻成反比，管径越小，沿程磨阻越大。
　　2．流速。在局部水头损失公式和排泥管沿程水头损失公式中可发现，管线内的泥浆水头损失与通过排泥管泥浆的流速的平方成正比，而在排泥管内通过的泥浆流量相同时，泥浆流速又与管径的平方成反比，因此可近似认为泥浆通过排泥管线总的水头损失与管径的五次方成反比。
　　为了更直观地说明，我们在其它条件不变的情况下，计算泥浆体积浓度为8%、流速为4.35m/s，陆地管径为Φ700mm，需要的管线长度为2500m，与Φ600mm管需要长度相差很大，多出一倍有余。虽然以上数据只是理论计算值，但在一定程度上也反映了实际情况，对施工具有一定的指导。
　　4.挖泥操作规程
　　苏航浚218船开挖的原泥面平均水深为-12.0m左右，由于其他船开挖上层，造成该区域水深不平整，从-10.0m～-12.0m高差近3m，对于绞吸船施工造成不利的影响。根据上述计算分析和一定时间的施工实践后，制定施工操作规程如下：
　　1.在一台车行程内，均采用一刀直接开挖至设计深度-13.0m，以保证-13.0m的水深要求为目的。
　　2.在开挖过程中，如遇局部泥层较厚且土质较硬，对于该局部区域可适当增加开挖刀数。但须向船长报告，并记录当时的施工参数，以备查。
　　3.在一台车行程内，正刀按1.5m进步，下放的挖泥厚度按1.5m控制。为了减少横移阻力，避免横移电流偏大的现象，反刀进步按1.0m～0.8m控制，下放的挖泥厚度按1.0m～1.5m控制。4.目前的管线长度约400m左右，前面加了直径300mm的缩口，泥泵机转速580～600rpm，负荷23～25mm，属于正常运转，有足够的动力储备，完全可满足输送要求。在泵机转数及负荷控制时，以保证管路不堵管为原则，即管内流速接近于4.0m/s时，要增加泵机的转速，以避免堵管现象。
　　5.开挖过程中，横移电流持续控制在180A～120A为最佳；平均横移速度正刀为8m/s，反刀为6m/s，在绞刀电流不超负荷的情况下，用横移速度来掌握浓度。
　　6.绞刀电流的限值是影响操作的主要因素。尽力持续控制在400A～600A内，若平稳地接近于600A，尽量减少电流值波动，则为最佳挖泥状态。绞刀转数控制在正刀20～22rpm、反刀22～25rpm为宜。
　　操作的原则为：大挖厚、小进尺，不随意抬起、下放绞刀桥架，用横移速度来掌控平稳的、较高的浓度，把绞刀电流的限值作为主要控制因素。
　　5.小结
　　本文计算分析和疏浚施工实践可以得知，采用三泵串连并利用小管径排泥管输送泥浆在一定条件下是可行的。但需要指出的是，使用小管径排泥管虽然提高了泥浆的体积浓度，在一定程度上提高了生产率，但它对泥浆的水头损失影响也很大，只有在排距适合情况下或使用高水头绞吸船时才可采用，否则施工中将不得不降低流量或浓度，从而导致生产率下降，并且还有可能造成燃油消耗增加、磨耗加快等不利结果，需要结合具体疏浚工程条件来确定疏浚工艺。
　　参考文献
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　　[2]胡翼元，强耀明.利用计算机设算绞吸式挖泥船施工工况.水运工程，1994(1):43-48.
　　[3]严庆福.泥浆泵效率和真正的高效疏浚.江苏船舶，2001,18(6):1-3.

《三泵施工方法在航道疏浚工程中的应用》

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