不同材质吹填管线中粗砂输送摩阻特性

陶润礼，梅志能，袁超哲，赵天彪

（1.中交疏浚技术装备国家工程研究中心，上海 201208；2.中交上海航道局有限公司，上海 200002）

不同材质吹填管线中粗砂输送摩阻特性

陶润礼1，梅志能2，袁超哲1，赵天彪1

（1.中交疏浚技术装备国家工程研究中心，上海 201208；2.中交上海航道局有限公司，上海 200002）

以厦门新机场大小嶝造地工程作为典型工程，开展不同材质吹填管线中粗砂输送摩阻特性的现场监测研究。在绞吸挖泥船吹填管线中串联钢基聚氨酯内衬管、Q235钢制管和铠装管，进行清水和中粗砂输送条件下的沿程压力监测。根据该测试结果，对比分析输送清水和中粗砂介质条件下，不同材质吹填管线的摩阻特性；并根据不同材质吹填管线的水力坡度，对比绞吸船给定排压条件下不同材质吹填管线中粗砂的排距。结果表明：打清水和输送中粗砂时，铠装管的水力坡度最大，Q235钢制管次之，钢基聚氨酯内衬管最小；中粗砂输送条件下，钢基聚氨酯内衬管线的水力坡度比Q235钢制管降低约10%。

围海造地；吹填管线；中粗砂；摩阻特性；排距

0 引言

在围海造地工程中，管线吹填作为介质输送的重要方式，管线摩阻特性直接关系到挖泥船的输送效率和能耗[1-3]。目前，在施工现场应用较为广泛的为12 m长的Q235钢制管、2 m长的橡胶短管和11.8 m长的铠装管。传统的施工过程中，主要采用以上3种管线串联，进行泥浆的输送与吹填。常见的输送介质，主要为淤泥、粉土、粉细砂等较易输送的介质，其管线摩擦阻力较小，排距均较为理想，不会发生排距过小、无法满足施工要求的情况。

现阶段，国内外较多的围海造地工程，其输送介质以中粗砂为主，相比于以往的淤泥、粉细砂等输送介质，其对吹填管线的磨损加大，且中粗砂条件下传统管线的摩擦阻力较以往的施工有显著增加，使得排距显著减小，无法达到高浓度长排距的施工要求[4-6]。如在厦门新机场大小嶝造地工程中，输送介质的中值粒径在0.4~0.8 mm之间，在该中粗砂施工条件下，绞吸船的最大排距（保证一定施工浓度的前提下）约为3 500 m，该距离无法满足现场吹填要求，不仅影响了施工进度，还增加了项目成本。

因此，中粗砂输送条件下，吹填管线的减阻增效势在必行。国内外减阻的方案主要包含：充气降阻、螺旋减阻、新材料减阻等。国内外不少学者及科研机构，已对充气降阻、螺旋减阻等方案进行了较多的理论和室内试验研究[7]。针对新材料减阻，矿山管线输送中有采用过聚氨酯内衬材料，本文借鉴该聚氨酯内衬的方案，对传统Q235吹填管线进行改造，制造了钢基聚氨酯内衬管线与传统钢制Q235管、铠装管串联，进行不同工况（流速、浓度）条件下水力坡度大小的比较。并针对现场实测所得的水力坡度，对不同材质吹填管线的排距进行对比分析，以此论证钢基聚氨酯内衬管具有降低管线摩擦阻力、增加吹填排距的特性。

1 现场测试方案

厦门大小嶝新机场造地工程中，选取某一指定绞吸挖泥船的排泥管（DN850）进行不同材质吹填管线水力坡度的测试工作。图1所示，为绞吸挖泥船现场测试时不同材质吹填管线的排布示意图。其中，铠装管测量段位于绞吸船尾部的浮管处，管段长为190.4 m；钢基聚氨酯内衬管段为上岸管段，管段长为192 m；普通钢制管段连接于钢基聚氨酯内衬管端至吹填口，管段长为178 m。该3种材质吹填管段的具体组合形式见表1。铠装管测量段由11.8 m长铠装管和12 m长传统钢制管串联而成；钢基聚氨酯内衬测量段由12 m长的钢基聚氨酯内衬管和2 m长橡胶短管串联而成；钢制管测量段由12 m长传统钢制管和2 m长橡胶短管串联而成。本文通过在3种材质吹填管线测量段的两端分别布置压力传感器，对吹填管清水工况和正常施工工况条件下的压力变化和船载流速仪及浓度计的实时数据进行记录，并假设同一时刻浓度和流速在管道内不变。同时，在管线沿程压力测量过程中，采用RTK进行高程测量，以此补偿各个测点的静压差，管段水力坡度计算公式为：

图1 不同材质吹填管线的排布示意图Fig.1 Layout of different material dredge pipeline

表1 三种不同材质吹填管线组成统计表Table1 Statistical table of different material dredge pipeline

式中：Im为管段的实测水力坡度，mH20/m；驻P为管段的压差，kPa；籽s为管段内砂浆密度，t/m3；驻h为管段两端的高程差，m；L为管段长，m；g为重力加速度，m/s2。

2 数据分析

本工程中通过取样进行颗粒分析，输送介质的中值粒径约为0.72 mm，贝壳含量约8%，为中粗砂。数据分析主要从清水工况和正常施工工况进行不同材质管线中粗砂输送摩阻特性的分析与对比，并对正常施工条件下不同材质吹填管线的排距进行估算与对比。

2.1 清水工况

打清水工况条件下，吹填管线内的流速较为稳定，其均值为5.45 m/s。图2为该清水流速条件下，3种材质吹填管线两端的压力实测值。由图2可知，在打清水的过程中，测量吹填管线的压力变化较为平稳。

图2 清水条件下3种材质吹填管线的压力实测值Fig.2 Measured pressure value of different material dredge pipeline in water transportation

根据管线水力坡度计算公式（1），图3给出了3种材质吹填管段的水力坡度随时间的变化情况。结合图2和图3可知：190.4 m铠装管段平均压降为48.19 kPa，水力坡度为0.025 8 mH2O/m；192 m聚氨酯管段平均压降为34.93 kPa，水力坡度为0.018 7 mH2O/m；178 m钢管段平均压降为40.91 kPa，水力坡度为0.021 9 mH2O/m。

图3 3种材质吹填管段清水水力坡度变化情况Fig.3 Variation characteristics for the hydraulic gradient of different material dredge pipeline in water transportation

2.2 正常施工工况

正常施工条件下，管线内浆体的平均流速为5.39 m/s；且管线内浆体的平均输送浓度为21.4%。图4给出了管线输送流速为5.39 m/s、浓度为21.4%时，3种材质吹填管线两端的压力实测值。由于绞刀头的摆动和砂浆吸入浓度的波动，压力实测值比清水工况条件下的波动大，然而其压力实测值均在其均值附近波动。

图4 3种材质吹填管线两端的压力实测值（v=5.39 m/s、C=21.4%）Fig.4 Measured pressure value of the both sides of different material dredge pipeline(v=5.39 m/s,C=21.4%)

根据管线水力坡度计算公式（1），图5给出了3种材质吹填管线在正常施工条件下，水力坡度随时间的变化情况。

图5 3种材质吹填管段中粗砂输送水力坡度变化情况Fig.5 Variation characteristics for the hydraulic gradient of different material dredge pipeline in mediumcoarse sand transportation

结合图4和图5可知，190.4 m铠装管段平均压降为99.59 kPa，水力坡度为0.053 8 mH2O/m；192 m聚氨酯管段平均压降为70.05 kPa，水力坡度为0.036 8 mH2O/m；178 m钢管段平均压降为75.95 kPa，水力坡度为0.041 2 mH2O/m。

2.3 不同材质吹填管线摩阻特性对比分析

摩阻作为吹填管线的重要施工参数，对于预估吹填排距，管线布置及估算施工效率具有重要的意义。尤其是在中粗砂施工条件下，吹填管线水力坡度相比于较为常见的淤泥、粉细砂和粉土等输送介质偏大，对吹填排距、施工进度和效率影响较大。如图6可知，在清水工况和正常施工工况（输送浆体）条件下，聚氨酯管的水力坡度最小，钢管的水力坡度次之，铠装管的水力坡度最大。其中，清水工况下（v=5.45 m/s）水力坡度约为正常施工条件下（v=5.39 m/s，C=21.4%）的一半。且在清水工况下，聚氨酯管相比于传统钢管减阻14.6%；在正常施工条件下，聚氨酯管相比于传统钢管减阻10.7%。聚氨酯清水工况的减阻效果要优于中粗砂输送工况。

图6 3种材质吹填管线在清水和中粗砂条件下的水力坡度对比情况Fig.6 The comparison of the hydraulic gradient of different material dredge pipeline in water and medium-coarse sand transportation

2.4 不同材质吹填管线排距初步估算与对比

对于中粗砂吹填工程，排距较小始终制约着施工效率。本文中提出用钢基聚氨酯内衬管线替换传统的钢管进行中粗砂吹填施工。基于此，对给定绞吸船排压为1 600 kPa，管线出口压力为100 kPa，管线水平顺直排布，管线内浆体平均流速为5.39 m/s，浓度为21.4%时，传统吹填工程中常用的钢管和铠装管与钢基聚氨酯内衬管排距进行对比分析。根据公式（1）的变化，可得排距估算公式（2）。

由于管线水平顺直排布（驻h=0 m），则根据排距估算公式（2），可知钢基聚氨酯内衬管排距最大，为3 404 m；钢管排距次之，为3 072 m；铠装管排距最小，为2 332 m。对比钢基聚氨酯内衬管和传统钢管的排距可知，钢基聚氨酯内衬管相比于钢管，排距增加了约10.7%。

3 结语

本文现场实测了3种材质吹填管线在清水和中粗砂输送条件下吹填管线沿程压力的变化情况，对中粗砂输送条件下的不同材质管线水力坡度进行对比分析，并对不同材质吹填管线的排距进行了估算，得到了如下结论：

1）DN850吹填排泥管，清水工况下（v=5.45 m/s）水力坡度约为正常施工条件下（v=5.39 m/s，C=21.4%）的一半。

2）钢基聚氨酯内衬管，在中粗砂输送的正常施工条件下，相比于传统钢制管减阻10.7%；在清水工况下，相比于传统钢制管减阻14.6%。

3）根据理论估算，钢基聚氨酯内衬管排距相比于传统钢管的排距增加了10.7%，为钢基聚氨酯内衬管在现场的应用提供了参考数值。

4）钢基聚氨酯内衬管具有减阻和增加排距的特性，能够极好地适用于中粗砂的吹填，在疏浚领域具有极大的应用价值。

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Characteristics of frictional resistance of different material dredge pipeline in medium-coarse sand transportation

TAO Run-li1,MEI Zhi-neng2,YUAN Chao-zhe1,ZHAO Tian-biao1
（1.CCCC National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China;2.CCCC Shanghai Dredge Co.,Ltd.,Shanghai 200002,China）

We mainly researched the friction characteristics of different material dredge pipeline in medium-coarse sand transportation in Xiamen New Airport Dadeng and Xiaodeng land reclamation construction.We carried out the following pressure monitoring under the conditions of water and slurry transportation in the chosen cutter-suction dredger pipeline,among which the polyurethane pipeline,Q235 steal pipeline,and armored pipeline were in series connection.The results,compared with the frictional characteristics of different material dredge pipeline in water and medium-coarse sand transportation.According to the hydraulic gradient of different material pipelines,we compared the row distance of coarse sand in different material pipelines under the condition of the given pressure of suction dredger.The results show that when making water and transporting coarse sand,the hydraulic gradient of armored pipeline is the biggest,the Q235 steal pipeline is the second most,and the polyurethane pipeline is the smallest;the hydraulic gradient of the polyurethane pipeline is about 10%lower than the Q235 steal pipeline under the condition of medium-coarse sand transportation.

marine reclamation;dredge pipeline;medium-coarse sand;frictional characteristic;discharge distance

U615.4

A

2095-7874（2017）12-0011-04

10.7640/zggwjs201712003

2017-05-10

2017-11-28

陶润礼（1970— ），男，湖南绥宁人，高级工程师，港口、航道及近海工程专业。E-mail：taorunli@cccc-drc.com