深海基槽清淤专用吸头

韦杏静，赵宁，向宏（中交广州航道局有限公司，广东　广州　510221）

深海基槽清淤专用吸头

韦杏静，赵宁，向宏
（中交广州航道局有限公司，广东广州510221）

摘要：根据港珠澳大桥工程基槽开挖后的清淤要求设计了一种专用高效清淤吸头，并进行相关的物理模型试验及数模试验，获取碎石的启动流速，确定吸口流速，分析吸头内外部流场特性，判断吸力影响范围，优化吸头设计。吸头采用“人”字形与圆弧过渡的对称结构设计，吸口位于吸头两侧水平方向上，吸头内部设置档板可左、右单向和双向清淤，吸头下方两侧水平设计喷水结构，满足不同工况要求，提高施工效率。

关键词：吸头；基槽；清淤；物理模型试验；数模试验

1　概述

港珠澳大桥工程基槽最大开挖深度-45 m，最大开挖泥层厚度约30 m，远远超过目前国内各大型港口航道的疏浚深度。作为目前世界范围内综合难度最大的沉管隧道基槽开挖项目之一，工程对沉管安放之前的基槽底泥水密度要求较高：铺设碎石后，碎石垫层上的泥水密度>1.26 t/m3的回淤沉积物厚超过4 cm，或者密度>1.15 t/m3的回淤沉积物厚超过8 cm，应予清淤。碎石垫层上的清淤要求在清除淤积物时不能扰动原有垫层，对清淤施工精度要求高，显然不同于一般疏浚工程清淤。如此大深度高精度的沉管基槽清淤是本工程的难点之一，也是对现有工程技术的巨大挑战，而且目前国内尚未有现成的深基槽清淤设备和相关经验。

为了解决本项目的基槽清淤问题，需进行专用吸头的研究、设计、优化，进行符合工程特性的颗粒启动流速物理模型试验，以分析碎石的启动流速来控制吸头吸口的流速，需要结合物理模型试验结果利用相关的软件进行数模试验，对流向线、速度云图、速度等值线等进行分析，优化吸头外形与流道设计，研发出适合工程需要的高效清淤吸头。

2　相关参数确定

根据工程要求，清淤后基槽底泥水密度按小于等于1.08 t/m3进行吸头设计，一段沉管安放前需要清淤量约为42 m伊180 m伊2 m=15 120 m3，考虑吸头在碎石垫层上清淤时不能扰动碎石，水下泥泵吸力不宜过大等因素，综合考虑后，水下泥泵排量为2 000 m3/h，吸排泥管径为400 mm，管内流速为4.4 m/s。每段沉管基槽清淤时间约10 d，即每天清淤量约为1 512 m3。

3　物理模型试验

因港珠澳大桥岛隧工程要求在特定碎石层上清淤，需保证清淤时碎石垫层不被破坏，所以吸头初样设计完成后，需要确定吸口适宜的流速，吸口最大流速应小于碎石颗粒的起动流速。

要保证吸口速度不会扰动碎石垫层，则吸口的截面积不能小于某一面积。但由于流体情况复杂，吸口速度通过不同的方法计算结果偏差较大，因此采用了模拟实际施工环境进行水槽试验，以取得碎石垫层起动速度。

为此，针对港珠澳大桥岛隧工程主要工况进行了3个类型试验：1）平坡碎石垫层抗冲刷性能试验；2）1颐20和1颐30斜坡碎石垫层抗冲刷性能试验；3）碎石垫层V形槽上沿抗冲刷性能试验。通过目测碎石垫层的起动情况及计算来确定碎石起动流速。

本试验波浪流水槽为45 m伊0.8 m伊1 m，水槽造流最大流量约为1 000 m3/h，碎石材料符合B1等级的级配要求，即筛分粒度：2.36 mm粒径以下颗粒含量小于8%，31.5 mm粒径以下颗粒含量25%耀35%，53 mm粒径以下颗粒含量100%。试验过程中，监测上下游水位、流速、水深等关键量，流速观测采用NDV流速仪。

在试验过程中观察床面上碎石是否运动、运动数量、占床面表层碎石量的比例、漂移至下游的碎石量及尺寸、床面的最终破坏形态等。统计采用以窦国仁为代表提出的起动概率标准，即推移质运动分为以下3种状态[1]：

1）个别起动：相应的起动概率为1.35%耀2.27%；

2）少量起动：相应的起动概率为2.27%耀15.9%；

3）大量起动：相应的起动概率为>15.9%。

碎石起动状态及判断按以上分类进行，起动概率小于1.35%时，视为床面稳定。通过4个批次的水槽试验，得出了碎石的起动流速（以底面以上3～4 cm位置的流速代表底流速），总结如下：

1）平坡条件下，试验范围内（底流速0.83 m/s以下）碎石是绝对稳定的，未观察到碎石颗粒的起动。

2）采用1颐30边坡时，碎石个别起动的底流速约为1.35 m/s，此时起动概率约1.5%耀2.0%；碎石少量起动的底流速约为1.40 m/s，此时起动概率约3%耀5%。考虑到碎石级配中不免存在少量2 cm以下颗粒，且单点的维护疏浚的时间不会太长，应该可以认为碎石垫层基本上不会被破坏。

3）采用1颐20边坡时，碎石少量起动的底流速约为1.35 m/s，此时起动概率约3%耀5%；碎石大量起动的底流速为1.5 m/s，此时起动概率约20%耀30%。

4）对于边坡1颐1.5的V形槽，其上游上沿为最不稳定区域，当上游垄顶底流速达到1.20 m/s时，碎石颗粒少量起动，此时起动概率约1.5%耀2.0%，导致V形槽的上沿斜削。当底流速达到1.35 m/s时，碎石颗粒大量起动，最终将导致V形槽的坍塌乃至填埋。

从以上4种试验结果判断床面是否稳定，并综合考虑保护碎石垫层和清淤效率2个因素，最终选取吸口抗冲刷临界流速1.1 m/s作为吸头吸口设计依据。

4　吸头初样设计

根据水下泥泵的相关参数及吸口抗冲刷临界流速1.1 m/s作为吸头设计依据，计算吸头内腔体积和尺寸，以具有良好的水力特性对内腔和流道进行优化，减少紊流。吸头设计的初样如图1所示，吸头的吸口位于吸头两侧水平方向上，吸头内部中心线上的阀板，可使吸头分别从左右两侧单向或双向吸入淤泥，吸头下方两侧水平设计喷水结构，用于淤泥密度和黏度较大的工况，喷水结构位于吸口下方，与流道彼此独立，最大限度地降低对吸口流体的影响。

5　数模试验

依据吸头设计初样图以及基槽碎石垫层抗冲刷临界流速为1.1 m/s等条件，以数值模拟为手段开展吸头内部流道优化设计工作，分析关键计算参数、吸头内部结构特征、在不同作业条件下流场特征、吸头的清淤能力和作用范围等，对不同设计方案对比，达到优化吸头设计，寻找出一种合理的吸头结构形式，以满足清淤工程质量和提高作业效率的要求。

5.1计算软件

图1 吸头设计初样图Fig.1　Design prototype sample of the suction head

数模试验采用计算流体力学商业软件Fluent V13.0[2-3]，计算中根据吸头设计方案CAD图构造基本的计算网格，构造吸头内部流道的内边界和吸头的外轮廓边界，以此作为吸头周围流场的固定边界条件，吸头外部周围流场计算域的边界条件根据吸头流场影响较小的区域加以划定，并以出流边界条件进行构造。本项目进行的吸头流场分析从理论上说是在负压（吸管上端）边界条件下、以吸头机械结构为固定边界计算域内流场分布特征问题。计算采用FLUENT求解器求解流动控制方程，在计算过程中选取标准的k-着湍流模型描述流场的流态，采用有限体积法离散控制方程和湍流模式，其中，动量方程和湍流方程都采用一阶迎风格式离散，压力项采用一阶差分格式，压力速度耦合迭代采用Simple算法。

5.2数模试验数学模型

计算中[4]取定所计算的流体为黏性、不可压缩流体。泥浆运动黏性系数自的取值为海水的1.5倍；泥浆密度籽的取值为1.08 t/m3；流场中流体流态根据标准的k-着湍流模型来模拟。这种类型的流体力学问题中，吸头大部分时间以准定常状态工作，因此，对吸头在沉管隧道基槽上作业时的泥浆流动状况按定常流动处理。

5.3吸头初步设计方案的数值模拟

根据吸头初步设计方案，构造了计算几何模型，据此划分吸头内部的计算网格进行计算。从吸头内部流线图、吸头进口5个开口不同位置处流速值可以看出：在2/5开口的工况下，流速网格计算离散值在1.028耀1.075 m/s之间，挡板后有一个大漩涡，其中两边的进口漩涡比较大，中间的进口漩涡较小。通过对计算结果的分析，这样的吸头内部流道结构的泥浆流动状态不理想，需要改进。

5.4吸头最终设计方案的数值模拟

5.4.1吸头结构最终设计方案

在吸头初样设计的基础上，对吸头不同结构方案经过多次数值模拟，并对数值模拟结果进行分析和比较，确定吸头结构最终设计方案如图2所示。吸头及内部流道结构改为对称式设计，吸管改为垂直于吸头正上方，两边吸口至垂直吸管采用“人”字形加圆弧过渡的结构形式，吸口上沿增加顶板，吸口开口上下沿直线连接增加4块加强板。

图2　吸头结构最终设计方案Fig.2　Final design scheme of suction head structure

5.4.2试验结果及流场分析

对吸头最终设计方案进行数值模拟，计算域长和宽均为10 m，计算域高度按照吸头底面离基槽底面为0.3 m、0.2 m、0.1 m而分别取为2.8 m、2.7 m、2.6 m，计算域的坐标原点位于吸头最底部中央，穿过二吸头开口并位于吸头对称面的坐标轴取为Y轴，与Y轴垂直的为X轴，Z轴穿过原点垂直向上。在这样的坐标系下，当吸头底面离基槽底面的高度分别为0.3 m、0.2 m、0.1 m时，基槽底面的垂向坐标分别为z=-0.3 m、z=-0.2 m和z=-0.1 m。计算域的底部为固定边界条件，其它方形计算域边界条件为在吸头抽吸作用下的自由流入边界条件。计算中，泥浆密度取为1.08 t/m3，泥浆黏性系数为海水黏性系数的1.5倍。以下为吸头底面离基槽底面高度为0.3 m的计算结果。因吸头底面离基槽底面为0.2 m、0.1 m时的情况与此差异不大，本文不作介绍。

1）吸头内外部流线分布

吸头内部流体运动轨迹比较流畅，速度变化均匀，达到了预期目的。

外部流体多数从吸口流入吸头，少数在吸头侧面形成旋涡。吸口处流速不超过1.1 m/s，不会破坏碎石底面结构。

2）穿过两边吸口、沿着计算域y轴中心面的不同高度所截取的泥浆流速值

吸口中间开口处的最大流速为1.53 m/s，吸口两边开口处的流速约为1.165 m/s。吸口中间2块加强板分流作用明显，满足精确清淤的要求，不会对清淤基底产生破环。

3）吸口外部的流速等值线

从穿过两边吸口的纵剖面截面上截取流速大于0.5 m/s范围的流速等值线可得出，在采用了顶板结构条件下，距离吸口外0.3 m处流速接近0.5 m/s；距离吸口外1.2 m处，流速为0.1 m/s，满足精确清淤的要求。

4）在计算域不同高度截取的速度云图及速度等值线

采用z=-0.3 m作为海底基槽底面的垂向坐标，计算得到在计算域不同高度截取的速度云图或速度等值线。根据计算结果有如下结论：淤在吸头底面离基槽底面高度为0.3 m的条件下，基槽底面最大流速为0.14 m/s；基槽底面以上0.1 m处的最大流速为0.16 m/s；基槽底面以上0.2 m处的最大流速为0.241 m/s；基槽底面以上0.3 m，即处于吸头底面上的最大流速为0.376 m/s；基槽底面以上0.6 m，即处于吸口中间位置处的最大流速为1.42 m/s。于在吸口中间位置、距吸口外约1 m处的流速约为0.1 m/s；在基槽底面以上0.8 m、处于吸口顶板上方，吸头的外部已经没有大于0.1 m/s流速。盂采用了图2所示的顶板结构后，吸头负压作用所产生的高速泥浆区域大致位于顶板以下区域，这一结构比前面设计方案的吸头结构形式具有优势。

6　吸头结构

通过以上物理模拟和数模试验，吸头结构如图3所示，吸头采用吸口位于两侧水平方向上，人字形双流道，可左、右单向和双向清淤，独立喷水结构进行设计。

图3 吸头结构图Fig.3　Structure of suction head

6.1吸口位于吸头两侧水平方向上

吸头吸口平行于清淤底部，位于吸头两侧水平方向上，采用水平方式清淤，避免垂直于底部清淤容易破坏底部碎石结构。吸口采用长方形扁平结构，可增加吸口与浮泥层的接触面积，既能高效率清淤又不破坏清淤底层结构，并可根据基槽底不同保护要求，调整吸口面积，调节吸口处吸力和流体速度，使吸力和流体速度满足不会启动基槽底碎石等，达到保护基槽底的目的。吸口上方增加水平导向板，增加上部密度较小淤泥层的移动行程，使下部密度较大的淤泥更容易被吸口吸入流道，利于提高清淤效率。

6.2人字形双流道

吸头左右各1个吸口，对应2个流道，且彼此独立，呈光滑圆弧线向上汇聚，避免出现紊流影响清淤效率。吸头上方为一圆管，使用法兰与吸泥管连接。圆管下方为一段变形管将流道截面从圆形转为方形，变形管之后圆管变为方管。方管下分为2个流道，且截面积逐渐变大，流道呈人字形从垂直于底面方向转为平行于底面方向。

6.3左、右单向和双向清淤

吸头吸淤流道管截面经过转化从圆形变为方形，下方设计一段侧面为梯形的方管，梯形方管下方在2个流道的交汇处设置可旋转挡板，可以将2个流道隔开。通过调节该挡板的角度可以选择左、右单向清淤或双向清淤。挡板通过转轴旋转，转轴与吸头外侧的旋转油缸连接，通过该旋转油缸来驱动转轴转动，从而控制挡板的角度。挡板可随转轴向两侧分别旋转0毅耀90毅，2个流道上各设置1个限位块，当挡板到达左限位块时为右侧清淤，到达右限位块时为左侧清淤，位于中间时双侧清淤。

6.4独立喷水结构

喷水结构位于清淤流道下方，独立于流道，2个流道下方各设置1个高压喷射水腔，分别通过2条压力水管引入高压水，然后通过吸口下面的一排喷头喷射高压水。喷射口设置在吸口下方，与吸口同向，水平喷射，不破坏清淤底部结构。

7　结语

本专用吸头是针对特定的基槽工况条件进行

设计，设计中通过数模、物模试验，并根据试验结果优化吸头设计，综合了水平清淤和垂直清淤的优点，创新性地采取人字形双流道结构，有效避免了清淤中的紊流现象，清淤的同时不破坏基底的结构。吸口上方导向板使吸头能够集中清理下方密度较大的淤泥层，提高了清淤效率。独立的喷水结构及左、右向和双向清淤设计能适应多种不同施工工况环境的要求。该吸头已应用到港珠澳大桥基槽清淤船“捷龙”轮上[5]，现场施工效果理想，已顺利完成了沉管E1耀E19沉放前的所有清淤任务。本专用清淤吸头的研制，填补了国内深海高精度清淤技术的空白，可为今后进一步研发提供参考数据和经验。

参考文献：

[1]钱宁，万兆惠.泥沙运动力学[M].北京：科学出版社，1983：35-41. QIAN Ning,WAN Zhao-hui.Mechanics of sediment transport[M]. Beijing:Science Press,1983:35-41.

[2]王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004：120原123. WANG Fu-jun.Computational fluid dynamics analysis:Principle and application of CFD software[M].Beijing:Tsinghua University Press,2004:120-123.

[3]韩占忠，王敏，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2008：15. HAN Zhan-zhong,WANG Min,LAN Xiao-ping.Examples and application of FLUENT fluid engineering simulating calculation [M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2008：15.

[4]中交广州航道局有限公司.“捷龙”技改抗冲刷稳定性试验及专用吸头数值模拟试验[R].2012. CCCC Guangzhou Dredging Co.,Ltd.忆Jielong忆technical reform anti-scouring stability test and dedicated sucker numerical simu原lating test[R].2012.

[5]韦杏静，向宏，赖盖文.清淤施工基槽床面防损系统开发[J].中国港湾建设，2015，35（9）：27-30. WEI Xing-jing,XIANG Hong,LAI Gai-wen.Development of foun原dation trench bed surface loss prevention system during desilting construction[J].China Harbour Engineering,2015,35(9):27-30.

E-mail：weixjing88@163.com

中图分类号：U617.6

文献标志码：A

文章编号：2095-7874（2016）01-0068-05

doi：10.7640/zggwjs201601016

收稿日期：2015-08-21

作者简介：韦杏静（1976— ），女，广西人，高级工程师，流体传动及控制专业。

Special suction head for dredging of deep sea foundation trench

WEI Xing-jing,ZHAO Ning,XIANG Hong
（CCCC Guangzhou Dredging Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510221,China）

Abstract：This article describes a special high suction head designed according to the desilting requirements after foundation trench excavation in Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge project.The suction velocity is defined by the starting velocity of the gravel bed using physical modeling experiment and also the analog-digital simulation is made to analyze the outside and inside flow field,estimating the range of the suction head and optimize it.The suction head is charactered with a shape of"人"and symmetrical structure of circular arc transition,and the suction mouth is on the opposite side in horizontal direction.There is a plate to allow the suction from either mouth or both suction mouths,horizontal direction jet water structure is designed under suction head to satisfy different working conditions,improving the working efficiency.

Key words：suction head;foundation trench;desilting;physical modeling experiment;analog-digital simulation