绞吸船吹填细粉砂有关问题探讨

刘美荣，孙芳淳，秦亮

（中交天航滨海环保浚航工程有限公司，天津 300450）

0 引言

曹妃甸地区属于典型渤海海口潮流沉积区，土质以6～8级细粉砂为主，上层含有少量的2级淤泥，粉砂上层板结严重，国内很多大型绞吸挖泥船汇聚于此施工。通过多年的施工发现，曹妃甸地区疏浚船舶多反映泥泵汽蚀比较严重，而相同挖深、相同管线输送距离与泥泵转速下其他工地汽蚀相对要小得多。为此，根据在曹妃甸地区施工的多艘绞吸挖泥船施工资料，对泥泵汽蚀严重的原因进行了分析，同时，对绞吸挖泥船的施工方法进行了探讨，为今后类似土质的施工提供技术指导。

1 泥泵汽蚀情况

图1分别是1 900 m3/h和1 600 m3/h绞吸挖泥船在曹妃甸施工后换下的旧叶轮照片。

图1 叶轮汽蚀照片Fig.1 Photo of impeller cavitation

从图中可以看出，1 900 m3/h绞吸挖泥船泥泵磨损严重，叶墙表面汽蚀坑很多，一叶片的外缘三分之一段基本消失；1 600 m3/h绞吸挖泥船泥泵轴端叶墙边缘处及叶片外缘工作面处也有明显的汽蚀坑存在，整体叶片损伤严重，另外，泵胆鼻端靠近吸入口侧也存在明显的汽蚀。

2 泥泵汽蚀原因分析

2.1 泥泵汽蚀与磨损的关系

据观察，曹妃甸地区的挖泥船泥泵汽蚀不仅有压力较低的水下泵发生汽蚀，作为串联泵的2级与3级舱内泵也有明显的汽蚀坑存在，并且往往发生在叶片工作面出口边等高压区，这就完全不同于一般流体机械只在进口低压区发生翼型汽蚀。常规状况下，叶片出口边压力较高，不应该发生汽蚀[1]。考虑到叶片发生汽蚀的具体状况，笔者认为曹妃甸地区的汽蚀并不是一种单纯的汽蚀，而是磨损与汽蚀的综合作用，这是因为叶片一般出口边的工作面叶片流速较高并且与土壤颗粒的接触较多，因此该区域极易磨损，而磨损发生后，叶片表面会先发生明显的凸凹不平，这就极易引起局部流场的变化，造成高低压区的间隔，从而产生汽蚀，而汽蚀又可以加剧磨损，因此高压区的汽蚀是一种磨损与汽蚀的综合作用。

2.2 土质颗粒构成对泥泵汽蚀的影响

曹妃甸地区是典型的跨区域沉积区，所输送的沉积物为泥质砂和细粉砂，其中细粉砂占多数。该区域的细粉砂天然土密度1.85 t/m3，属于正常范围内，但天然土颗粒的密度稍小，比重约在2.56～2.59之间，略低于常规天然土颗粒比重平均值2.6～2.7。输送的临界流速除设备管径等因素外，和土质相关的就是土颗粒比重计及粒径。曹妃甸地区的土质极易输送，临界流速较低，在相同管线长度及设备转速的情况下，相同浓度土质输送流速较高，因此泥泵与颗粒的摩擦作用也更强。较高的流速不仅加剧磨损，而且也会使叶片表面的温度更高，而温度的上升又会造成临界汽化压力的上升，也就更易发生汽蚀。

还有一点需要指出的是曹妃甸地区的细粉砂颗粒硬度很高，其颗粒成分组成为石英25.9%~32.6%、钾长石35.8%~40.4%，斜长石含量20.4%~24.1%。常见天然矿物中石英硬度极高，耐磨性好，长石类矿物也富含SiO2、Al2O3（刚玉）等高硬度物质，所以曹妃甸地区的砂对泥泵流道的磨损也较大，这就加剧了磨蚀现象的发生。

3 施工方法选择

3.1 绞刀挖掘方式

曹妃甸地区粉砂上层板结严重，如果采用常规的绞吸挖泥船自上而下分层开挖时，会造成绞刀压力瞬间增大，对绞刀齿和齿座等设备易造成损害，且绞刀在切泥时极易发生滚刀现象，施工效率差。因此建议采取在铁板砂下部掏挖的挖掘方式，使铁板砂在失去支撑后塌方、破碎，这样可以保证船机设备（绞刀系统、液压系统）的安全，并可以明显提高绞刀破土方量[2-3]。按照这种挖掘方式施工，在曹妃甸地区施工的绞吸挖泥船都获得了较高的产量。

3.2 施工流速控制

曹妃甸地区土质在输送方面具有极易输送的明显特点，临界流速很低，在较长吹距与较高浓度条件下，只要挖泥船操作正常基本不会发生堵管现象。根据对曹妃甸地区土质颗粒构成对泥泵汽蚀的影响分析结果，为了减小对泥泵的汽蚀，绞吸挖泥船吹填时应采用低流速、高浓度施工，即通过调节绞刀横移速度和一次开挖厚度来控制输送速度，施工流速一般应控制在1.1倍临界流速。

4 结语

本文对绞吸挖泥船在曹妃甸施工泥泵发生的汽蚀现象进行了描述分析，得出该地区施工的绞吸船叶轮等结构的损坏不是单纯的汽蚀所致，而是磨损与汽蚀的联合作用。由于该地区土质颗粒比重较轻，临界流速与磨阻系数较低，所以输送浓度及流速相对较大，加剧了泥泵过流部件的磨损和局部升温，使临界汽化压力升高，增加汽蚀发生的可能性，因此，绞吸挖泥船吹填应采用低流速、高浓度的施工方法。

[1] 王正伟.流体机械基础[M].北京：.清华大学出版社，2006.WANG Zheng-wei.Fluid mechanical basis[M].Beijing:Tsinghua University Press,2006.

[2] 天津航道局.疏浚工程学[E].天津：天津航道局，1999.CCCCTianjin Dredging Co.,Ltd.Dredgingengineering[E].Tianjin:CCCCTianjin Dredging Co.,Ltd.,1999.

[3]JTS207—2012，疏浚与吹填工程施工规范[S].JTS207—2012,Construction code for dredging and reclamation works[S].