成球黏性土长距离输送施工工艺

秦亮，肖云丰，杨正军，李金峰

（1.中交天津航道局有限公司，天津 300461；2.中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津 300461）

0 引言

成球黏性土输送是疏浚工程界及理论界的难题，密实黏性土在管路水力输送过程中会形成球块状，使输送的水力损失较不成球黏性土明显增大，同时堵管潜在风险大，难以高浓度高产量输送。有关成球黏性土施工国内外有些相关研究，中交上海航道局有限公司对新海鳄轮绞吸挖泥船泵送硬塑性亚黏土施工情况进行分析[1]；华北水利水电工程集团有限公司对绞吸式挖泥船施工堵管进行分析[2]；Boor等人研究了疏浚黏土[3]。以上研究虽然涉及部分黏性土输送问题，但仅局限于综合施工、管线阻力改善等研究方面，对于密实成球黏性土相关输送临界流速定量计算及系统施工工艺方面未进行深入的研究。鉴于该种土质对施工的影响及其地域分布的广度，笔者以大型绞吸式挖泥船在厦门菜厝地区施工的现场数据为基础，对不同管线工况下成球黏性土的管路输送进行研究，提出适宜该成球黏性土输送的施工工艺，供工程界与理论界参考。

1 成球黏性土输送施工现场

1.1 黏性土输送起球情况

大型绞吸船天麒号在厦门地区施工密实黏性土，图1显示了泥塘内泥球大量堆积现象。技术人员安排了对6个吹填区的泥塘泥球进行检测，各泥塘内黏性土球粒径5~35 cm，黏粒与粉粒含量之和均在80%以上，塑性指数大于11，土球平均密度在2.0 t/m3以上，土球密度大，黏性大，起堆快，输送为主要的限制生产因素。

图1 泥塘现场照片Fig.1 Photo of reclamation area

1.2 绞吸船输送系统运行情况

天麒号绞吸船配备3台进口900 WN型泥泵，水下泵由变频电机驱动，设计转速228 r/min，两台舱内泵由柴油机驱动，设计转速295 r/min，泥泵系统总功率达到11 000 kW。其输送系统总装机功率在国内大型绞吸船中位于前列。表1为天麒号绞吸船在该工地清水和施工挖泥时的典型工艺参数。

从表1中可以看出，泵送清水时，3台泵转速分别为207、282、286 r/min，系统流速就已经达到8.3 m/s，流量19 000 m3/h以上，排压仅1 213 kN/m2，清水阻力系数0.008 4，泥泵驱动系统总功率9 273 kW；相同管线输送1.16 t/m3密度泥浆时，在泥泵转速明显增加的情况下，流速仍降低明显，排压约增加50%，系统总功率变化不大，而输送1.21 t/m3密度泥浆时，总功率反而有所降低，流速低于4.8 m/s，系统有堵管危险，浓度不能进一步增加，系统转速也没有增加空间，输送能力达到极限。

表1 施工参数Table 1 Construction parameters

2 管线方案对生产能力的影响研究

黏性土长距离吹填工程，在船机设备固定的情况下，管线是制约生产能力的主要因素，包括管线承压能力、管径等。

2.1 承压能力对产量的影响

在黏性土长距离吹填中，由于黏性土的阻力较大，在末级泵出口排压非常高，这就造成管线承受压力可能达到极限。在这种情况下管线的承压能力将限制泥泵提供的最高排压，从而限制了船舶的产量。

表2统计了采用两种承压能力管线船舶生产的主要参数，低承压管线最大承压1 750 kN/m2（17.5 bar），高承压管线最大承压1 950 kN/m2（19.5 bar）。在2 987 m管线中提高管线承压能力后，船的排出压力提高9.1%，产量提高了89.9%。在3 558 m管线中提高管线承压能力后，船的排出压力提高17%，产量提高了111%。

在增加排压的情况下，可以增加施工的流速和浓度，从而提高产量。表2中显示在排压增加后，2种管线中施工浓度都有非常明显的增加，利于产量提高。在低承压管线施工过程中，发生过有堵管风险时增加泥泵转速结果爆管的情况。在低承压管线施工时考虑到安全因素，操作人员控制浓度偏低。而在高承压能力管线施工时，船舶的施工流速可以适当降低，施工浓度适当提高，从而进一步提高产量。在发生堵管危险时可以迅速采取给泥泵升转速提高瞬时排压，保证正常生产。

表2 不同承压能力管线生产率对照表Table2 Comparison table on productivitiesof pipes with different bearing pressure

2.2 管径对产量的影响

船舶生产能力与管线直径及排距的关系如表3，可见采用900 mm管线在管线长度略有增加的情况下，综合生产率较800 mm管提高36.5%。

根据实测数据，对于天麒号长距离吹填黏土工况，其功率是充足的，主要是阻力限制了流量的上升，而泥泵转速没有上升空间，从而影响了船舶功率的发挥。采用900 mm管能在更小排压下产生更高流量，有利于充分发挥其功率。在流量超过11 500 m3/h的情况下，同等流量下900 mm管的水力损失小于800 mm管，即在相同排压下，900 mm管能输送更多的泥浆。相同压力下，900 mm管中流量比800 mm管中的流量大25%左右。天麒船在施工转速已经发挥较充分的情况下，浓度再增加，阻力增加，800 mm管内流速将下降很快；而换900 mm管，同流量下阻力减小近80%，所以浓度可进一步提高，而流量降低不明显。

表3 不同管径管线生产率Table 3 Productivitiesof different diameter pipelines

采用900 mm管除上述优势外，较800 mm管提高施工浓度的另外一个原因是由于管路截面增大，将大大减小局部高浓度造成的堵管问题，同时泥浆质量大，整体泥浆的惯性大，增强流速的稳定性，有利于控制浓度的平稳性。

3 成球黏性土质输送中临界流速的确定

疏浚工程中成球黏性土输送存在巨大的堵管风险，堵管的出现主要和管道内固体的沉积有关，表征固相是否沉积的重要参数是临界流速。目前有多种计算管道中临界流速的方法，然而对于成球黏性土并未见有文献报道其适用的方法。

本次分析将讨论6种计算临界速度的公式，分别是：Durand model模型、Jufin-Lopatin模型、MTIHolland模型、疏浚工程技术规范中的公式和Zandi模型。

取临界流速和现场速度的比值进行讨论，当该值大于1时，沉降开始。从结果来看，Durand model模型和技术规范公式一所计算的结果偏大，受密度的影响不灵敏；Jufin-Lopatin模型和MTI Holland模型相近计算结果较小，对密度值也不灵敏；技术规范公式二和Zandi模型计算值较适中，对密度变化灵敏，在预测此次施工中管道的沉降甚至堵管因素方面较适合。Durand model模型和技术规范公式一在每次堵管前都没看到明显的变化；技术规范公式二和Zandi模型所预测的临界速度在三次堵管前都有一个明显超过管道流速的区域，可用于监视堵管量。

4 成球黏性土质输送的施工方法

4.1 施工密度预报

根据上述分析可以看出成球黏性土输送中浓度过高或流速太低均会造成不利影响，合理控制施工浓度和流速是非常重要的，对此提出了严格控制流速的要求。流速变化是由整个管路的泥浆密度决定，反应相对滞后，因此控制进口的密度是控制流速、控制生产平稳的关键。天麒船密度计与吸口的距离近百米，据此，技术人员取前期施工数据统计分析真空度与吸入密度间的关系，提出了以真空度控制密度的方法，制作了真空度-密度对应值表，如表4所示。按照技术人员给出的期望密度值，应用该表进行施工控制，流速、排压等参数的平稳性得到了很好的保证，避免了堵管事故的发生。

表4 真空度-密度对应表Table4 Corresponding tableof vacuum and density

4.2 分层优化土质颗粒级配施工

在临界流速vc确定过程中，依赖于土质的沉降速度vt，具体计算见式（1）所示，而沉降速度是与流体和固体的密度差有关的函数，见式（2）。若减小流体和固体的密度差将会减小沉降速度，进而减小了临界流速。

在厦门地区疏浚施工中，上层土质为淤泥，下层土质为黏土。淤泥在输送过程中基本呈液态，表现为密度比水大的流体性质。下层的黏土在输送中呈固体状，表现为颗粒性质。在施工中希望用淤泥形成的流体作为液体相，用来输送下层黏土块。根据上述分析，在施工工艺中确定了上层大残留分层方案。由数据分析得知上层挖掘生产率为1 650 m3/h，上层输送生产率1 120 m3/h，残留量530 m3/h，而下层挖掘生产率360 m3/h，输送生产率810 m3/h，输送生产率比挖掘生产率大450 m3/h，上层残留量大部分被输送下层泥浆时输送走。

在合理调整管线方案，科学确定临界流速的基础上，应用成球黏性土施工工艺，天麒号生产得到明显好转，日产量由原来的不足3万m3逐渐提高到5万m3，生产率由1 500 m3/h提高到2 300 m3/h，万立方米油耗减小近50%，效益显著。

5 结语

以现场施工数据为基础，以泥泵管路输送理论为依据，结合土质工况和船舶设备性能，开展了成球黏性土输送工艺研究，提出并实践了绞吸船疏浚成球黏性土施工工艺，该工艺消除了密度计响应的延时，并优化管道内输送固体物级配，显著提高了施工生产率，降低了堵管风险，成功应用于现场生产，取得了良好的经济效益，可供类似黏性土输送工程参考。

[1] 王小弟，陶冲林．新海鳄轮挖吹硬塑性亚黏土施工分析[J]．中国港湾建设，2007（6）：43-46.WANG Xiao-di，TAO Chong-lin.Construction analysis of excavating and pumping hard plastic loam by Xinhaie cuttersuction dredger[J].China Harbour Engineering，2007（6）：43-46.

[2] 于利伟．三相流管道输送试验与数值模拟分析研究[D]．武汉：武汉理工大学，2006.YU Li-wei.Analysis and research on pipe transportation test and numerical simulation with three-phase flow[D].Wuhan：Wuhan University of Technology，2006.

[3] BOOR M O.Dredging through clay[J].Rock Products，2005，108（4）：28-31.