泥泵泥浆扬程计算模型的对比分析及工程应用

田会静，张磊，秦亮，李章超

（1.中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津 300461；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461；3.天津市疏浚工程技术企业重点实验室 300457）

泥泵泥浆扬程计算模型的对比分析及工程应用

田会静1，张磊1，秦亮2，李章超3

（1.中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津 300461；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461；3.天津市疏浚工程技术企业重点实验室 300457）

基于自主开发的DTAS系统，分别以曹妃甸和东莞施工数据为参照，采用规范方法、GIW的Hr简化法、沃曼的HrEr完整法以及反分析法等4种泥泵泥浆扬程的计算方法对施工现场进行模拟计算，并与施工数据进行比较分析，得出针对曹妃甸较单一土质，规范算法的计算数值偏低，而Hr简化法和HrEr完整法的计算结果最为接近实际的施工数据，因此实际施工中推荐采用考虑因素更为全面的HrEr完整法。对于东莞混合性土质，规范方法+反分析法能互相弥补不足，得出系数KH，从而为施工的进一步计算分析奠定基础。建议在泥泵泥浆扬程计算时，要针对不同的土质选择合适的计算模型，以便对施工做出更加准确的预测。

挖泥船输送系统；DTAS；泥泵泥浆扬程；特性曲线；运行工况区

0 引言

泥泵泵送泥浆时的水力特性受土质比重、颗粒大小、泥浆浓度、流速等因素影响较大，目前所见到的表示泥泵泵送泥浆特性的公式，基本形式均为Hr=Hw·f，常见的模型有规范方法、GIW模型和沃曼模型，各种模型均是通过图表的方式查值、修正计算泥泵泥浆扬程，但具体计算考虑因素不同，生产实践中到底哪种方法适应何种土质工程，至今实验分析数据较少。

常规泥泵工况点的计算较为复杂，而利用天航局开发的DTAS系统可以方便快捷地得到计算结果，DTAS系统不仅涵盖了上述3种泥泵泥浆扬程的计算方法，还增加了以规范算法为基础的反分析方法。本文将以曹妃甸和东莞的施工数据为基础，对4种计算模型进行对比分析，得出各自的适用性及局限性，以便为施工人员提供参考。

1 泥泵泥浆扬程计算方法

1.1 规范算法

根据JTS 181-5—2012《疏浚与吹填工程设计规范》，泥泵泥浆扬程宜按照下列公式计算[1-2]：Hm=Hw[KH（γm-γw）+1] （1）式中：Hm为泥泵的泥浆水头，m；Hw为泥泵的清水水头，m；γm为泥浆密度，t/m3；γw为清水密度，t/m3；KH为泥泵泥浆扬程土质换算系数，取值见表1。

表1 KH系数表Table 1 KHcoefficien t table

1.2 Hr简化法

《Slurry Transport Using Centrifugal Pumps》[3]基于过去15年GIW实验室所做的水动力试验数据，总结了泥泵扬程下降值与土颗粒中值粒径、叶轮直径等的关系。图1[3]中给出了土颗粒比重2.65，细粒含量为0，泥浆体积浓度为15%时的不同叶轮直径的泥浆扬程下降值与土颗粒直径的关系。当土颗粒比重不是2.65，细粒含量不是0时，泥泵泥浆扬程需要进行修正。

图1 Hr简化法Fig.1 Sim p lified method of H r

1.3 HrEr完整法

根据沃曼的《泥浆泵手册（2009）》[4]，基于实验室的实验数据和工程施工数据，图2给出了不同泥浆浓度、不同土颗粒直径、不同土颗粒比重以及不同叶轮直径情况下的泥泵泥浆扬程和效率的下降图[4]。

图2 H rEr完整法Fig.2 Com pleted method of H rEr

1.4 反分析方法

反分析方法是以规范算法为基础，见式（1），以施工现场的数据为依据，反分析出公式中的系数KH，得出本土质的适用系数，从而以该系数为参考，对施工生产进行进一步的预测分析。

DTAS系统拟搜集各个施工现场不同土质对应的系数，形成天航泵泥浆性能库，从而能方便快捷地选择对应的系数进行计算分析。

2 工程应用计算分析

2.1 曹妃甸施工案例

曹妃甸某疏浚吹填工程，疏浚土质为粉砂，土颗粒中值粒径0.075 mm，天然土密度1.85 t/m3，土颗粒比重2.65，泥浆天然土体积浓度30%。施工船舶为天鸥船，水下泵+两个舱内泵共同运行（水下泵258 r/min，舱内泵330 r/min）。管线长度12 500 m，管径800 mm。

下面分别采用规范算法、Hr简化法、HrEr完整法3种泥泵泥浆扬程计算方法模拟施工情况，并与施工现场的数据进行对比分析。计算结果见表2及图3～图5。

通过3种计算方法的对比可以看出，针对曹妃甸的粉砂土质，Hr简化法和HrEr完整法与施工现场的数据最为相符，而规范算法的计算值与实际相比略低一些。究其原因，可以看到表1中，对于某一种或是某三种土质，系数KH的值是固定的一个数值，然而疏浚过程是很复杂的过程，涵盖了多种参数的影响，一个简单的参数KH远不能描述复杂的真实的施工情况。而后两种方法，是在大量实验及工程项目施工数据的基础上得出的，较全面地考虑了泥浆浓度、土颗粒直径、土颗粒比重、细砂含量、叶轮直径等参数的影响，更加贴合真实的施工情况。

表2 扬程及生产率不同算法的对比Table 2 Comparison ofpum ping head and productivity

图3 工况点和工况区（规范算法）Fig.3 W orking condition points and working condition areas(canonicalalgorithm)

图4 工况点和工况区（Hr简化法）Fig.4 W orking condition points and working condition areas(H r)

图5 工况点和工况区（H rEr完整法）Fig.5 W orking condition points and working condition areas(HrEr)

2.2 东莞施工案例

2011年天鲸号在东莞施工，土质为粉质黏土+中风化页岩，岩石饱和抗压强度5～12 MPa，属于软质岩石。施工工况为水下泵+2号泵，水下泵转速为200 r/min，2号泵转速为278 r/min，以泥浆密度分别为1.05 t/m3、1.07 t/m3、1.10 t/m3、1.14 t/m3时的数据作为样本进行分析计算[5]。

根据施工数据进行分析[6]，见图6，图中实线为2号泵278 r/min时的清水特性曲线，不同形状的散点分别为泥浆密度为1.05 t/m3、1.07 t/m3、1.10 t/m3和1.14 t/m3时的施工数据。

图6 天鲸号2号泵泥浆特性施工数据Fig.6 Construction data of slurry properties of No.2 TianJing Hao pum p

根据施工数据和泥泵的清水数据，以规范方法为基础，反分析出泥泵泥浆扬程土质换算系数。计算结果分别见表3。

表3 泥泵泥浆扬程土质换算系数Table 3 The soil proper ty coefficient conversion factor of the discharge distance of slurry in dredge pump

对于类似东莞粉质黏土+中风化页岩的混合性土质，规范算法没有给出相应的系数，Hr简化法和HrEr完整法也没给出类似的实验数据。但是在规范算法的基础上，通过反分析方法可以求出系数KH，因此对于混合土质，规范算法+反分析法能互相弥补不足，可对施工进行更准确的预测。

3 结语

通过对比3种泥泵泥浆扬程的计算方法可以看出，对于曹妃甸粉砂土质，规范算法的计算较实际数据偏低，有很大的局限性，而基于实验和施工数据的Hr简化法和HrEr完整法的计算结果更能反映实际的施工情况，实际施工中推荐采用考虑因素更为全面的HrEr完整法。

对于混合性土质，各种模型都难以给出具体的计算方法，但是通过反分析方法可以求出泥泵泥浆扬程系数KH，同时可以看出系数KH是随泥浆密度而变化的，这表明，在较丰富的施工数据的基础上，反分析方法能很好地弥补这一不足。因此通过大量工程数据的反分析建立泥泵特性数据库，能更加真实地反应实际的施工情况，并为施工生产提供更为准确的参考及预测，这也是疏浚企业技术积累的目标之一。

[1]JTS 181-5—2012，疏浚与吹填工程设计规范[S]. JTS 181-5—2012,Design code for dredging and reclamation works [S].

[2]JTS 207—2012，疏浚与吹填工程施工规范[S]. JTS 207—2012,Construction code for dredging and reclamation works[S].

[3]WILSON K C,ADDIE G R,SELLGREN A,et al.Slurry transport using centrifugal pump[M].The Netherlands:Kluwer Academic Publishers,1996.

[4]WARMAN.Slurry pump handbook[K].2009.

[5]中交天津航道局有限公司.无掩护绞吸船挖岩施工工艺研究[R].2013. CCCC Tianjin Dredging Company Ltd.Cutter suction dredgers rock excavation technology research[R].2013.

[6]天津市航浚科技服务有限公司.绞吸挖泥船泥泵输泥计算手册[M].1996. Tianjin Hang Jun Technology Services Ltd.Cutter suction dredger pump transport calculation manual[M].1996.

Com parative analysis and engineering app lication of pum p head calculation models

TIAN Hui-jing1,ZHANG Lei1,QIN Liang2,LIZhang-chao3
（1.CCCC Tianjin Port&Waterway Prospection&Design Research Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China; 2.CCCC Tianjin Dredging Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China;3.Tianjin Key Laboratory for Dredging Engineering Enterprises, Tianjin 300457,China）

Based on the DTAS system developed by Tianjin Dredging Company and with construction data from Caofeidian and Dongguan projects as

respectively,we performed analog computation of construction sites using 4 methods of calculating dredge pump slurry head,that is,the standardized method,the Hr reductionism method of GIW,the HrEr comp lete analysis method of Warman,and the back analysis method.Comparing with the construction data,we drew the conclusion that for silt soil of single property in Caofeidian,the calculations with the standardized method was rather low while the results with the Hr reductionism method and the HrEr complete analysis method were close to the actual construction data.Therefore,the HrEr method should be recommended in the construction.For the m ixed soil of Dongguan,the standardized method and the back analysis method can work together to get the coefficient KH,and thus lay the foundation for further construction analysis and calculation.The result recommends that for the calculation of different construction soil,suitable calculation model should be selected to make more accurate construction predictions.

dredger delivery system;DTAS;dredge pump slurry head;characteristic curve;operating condition area

U616.21

A

2095-7874（2016）11-0017-04

10.7640/zggw js201611004

2016-05-31

2016-07-08

国家科技支撑计划课题项目（2014BAB16B03）

田会静（1982— ），女，天津市人，硕士，高级工程师，水利水电工程专业，主要从事疏浚技术研究工作。E-mail：tiantian9804@163.com