大型耙吸式挖泥船泥舱格栅设计与装舱溢流损失探讨

逯新星，魏建峰，陈少军

（上海交通建设总承包有限公司，上海 200136）

0 引言

在航道疏浚与海上取运砂等工程中自航耙吸式挖泥船往往扮演着重要的角色。耙吸式挖泥船的施工效率也很大程度上影响着工程进度以及工程利润等方面，因此耙吸式挖泥船的施工效率在工程中会得到格外的关注。通过对船舶施工情况的监控，从施工工艺以及设备改进等方面来提升耙吸式挖泥船的施工效率。而溢流损失是反映耙吸式挖泥船施工效率的一个重要因素，减少溢流损失也是增加施工效率的一个重要方面。

耙吸式挖泥船泥舱格栅设计是利用水力消能原理，在不影响装舱效果的同时，尽可能减少溢流损失、增加船舶装舱效率的设备改进方式。

1 溢流损失

1.1 基本概念

耙吸式挖泥船在采用装舱溢流施工工艺时，泥泵吸上来的泥砂不能完全沉淀于泥舱，随着溢流过程而排出泥舱，称为溢流损失。用公式表示为溢流产量与装舱产量的比值[1]。

式中：Pbru为装舱产量，m3/s；Pnet为溢流产量，m3/s；Cvout为溢流浓度，%；Cvin为装舱浓度，%；Qout为溢流流量，m3/s；Qin为装舱流量，m3/s。

1.2 影响因素

由式（1）看出溢流浓度越大，溢流损失就越大，而溢流浓度是溢流出泥舱的单位体积含砂量。假设进舱的单位体积含砂量一定，要使溢流的单位体积的含砂量变小，则必须有一部分泥砂发生了沉淀。溢流损失越小，这个沉淀量就必须越大，而影响泥砂沉淀量大小的决定性因素就是泥砂的沉淀速度，因此研究泥砂的沉速是提高装舱溢流效率不可缺少的内容。在发生溢流损失时，泥舱内的液面是高于溢流筒顶端的。也就是说只有高于溢流筒的泥浆才能发生溢流，如图1所示。

图1 可溢流区域剖面示意图Fig.1 Schematic diagram of the overflow area section

泥砂从泥砂出口运动到溢流筒，在这个过程中如果泥砂沉淀深度H'大于泥舱液面到溢流筒顶部的距离H0，那么这部分泥砂就不会发生溢流损失。泥沙沉淀深度可用下式计算[2]：

式中：S为泥砂由出砂口运动到溢流筒的水平路程，m；ω为泥砂沉淀速度，m/s；V为泥浆流速，m/s；H'为泥砂沉淀深度，m。

从式（2）可以看出，沉速ω越大，流速V越小，泥砂沉淀深度H'越大，就越不容易发生溢流损失。而S是由泥舱大小以及出泥口设计布局控制的，此处暂不考虑其变化。

1.2.1 对泥砂沉速的研究

对泥砂的沉淀应考虑其动水中的运动情况。泥砂动水沉速公式（该公式适用于水流挟砂浓度小于50 kg/m3的条件下）如下[3]：

式中：K为动水沉降系数；ω动为动水泥砂沉速，m/s；ω0为静水泥砂沉速，m/s；v*'为水流紊流强度。

式中：v为流速，m/s；n为满宁糙率；g为重力加速度，m/s2；v*为切力流速，H为水深，m；J为比降。

将式（4）带入式（3）可得：

从式（5）可以分析得出，在水深H一定的情况下，泥砂动水沉降速度ω动与其静水沉降速度ω0成正相关，与流速v成负相关。反映泥砂静水沉降速度的经验公式就比较多了，以冈恰洛夫公式[4]为例：

层流区沉速公式（d＜0.15 mm）：

过度流区沉速公式（0.15 mm＜d＜1.5 mm）：

紊流区沉速公式（d＞1.5 mm）：

不同粒径d对应的泥砂静水沉速经验公式不同，类比多种经验公式，基本可以得出，泥砂静水沉速ω与泥砂比重γs、泥砂直径d成正相关，与运动黏滞系数υ成负相关。在客观环境不变的情况下，泥砂静水沉速ω为定值。

综上可以得出结论：在其他情况一定时，泥浆流速越小，泥砂沉速就越大。影响泥砂沉速的因素非常多，除了比重、直径、流速外，还与流态，砂粒形状、密度以及泥砂所在介质的运动黏度有关，同时还受温度，含盐度等因素影响。对于挖泥船施工工况的不可控性，很多外在影响因素较为复杂且难以模拟，所以只对泥浆流速进行研究。

1.2.2 对泥浆流速的研究

在研究流速控制前，首先明确研究对象。发生溢流损失的是溢流筒上部的泥浆，因此对溢流筒水平面以上的泥浆进行流速控制研究才具有实际意义。为了模拟一个较为平衡的状态，对于一些变量也必须做一定的假设，例如：进舱流量Q进一定；溢流损失流量Q出一定，且Q进=Q出。

式中：V1为距离进舱口较近的某一进舱断面（舱壁和泥浆表面、溢流筒水平面所形成的断面）水流水平平均流速；V2为距离溢流筒较近的某一溢流断面（舱壁和泥浆表面、溢流筒水平面所形成的断面）水流水平平均流速；S1为进舱后V1对应的溢流筒水平面上方的泥浆断面面积；S2为溢流前V2对应的溢流筒水平面上方的泥浆断面面积；H1为S1断面所对应的泥浆表面到溢流筒水平面的高度差；H2为S2断面所对应的泥浆表面到溢流筒水平面的高度差；B为泥舱宽度。

需要说明的是：为了增加可比性，这里选取的溢流断面是靠近溢流筒可溢流的泥舱横截面，如图2所示。而现实中这个溢流截面是围绕溢流筒的一个圆形截面。这种转换验证的可靠性，将会在下文中提到。

图2 断面假设示意图Fig.2 Schematic diagram of section hypothesis

如果采取某种方式对流速控制后使得V1＞V2，那么H2＞H1。说明流速降低会促使水面壅高。水面壅高就意味着沉淀高度增加，不利于有效沉淀，而流速的降低又会增加泥砂沉速，有利于充分沉淀。这两者的利弊关系需要仔细分析后才能得出结论。

假设泥浆密度分布均匀，泥砂沉速分布一致，且采用极限分析方法来比较。

1）以初状态的各个量为研究对象，即泥浆始终以流速V1流动，泥砂沉速ω1保持不变，泥面与溢流筒高差始终为H1，流入溢流筒的距离为S。假设初始断面某一砂砾距离溢流筒的断面高差为Hx，则：

式中：H'为泥砂沉淀高度。

若H'＜Hx，说明沉淀高度小于初始断面高差，则发生溢流损失；若H'＞Hx，说明沉淀高度大于初始断面高差，则发生有效沉淀。

极限假设，若H'=H1，而因为H1≥Hx，故恰好能够发生完全有效沉淀，即：

2）以末状态的各个量为对象，并将其放在初始断面进行研究，即泥浆始终以流速V2流动，泥砂沉速ω2保持不变，泥面与溢流筒高差始终为H2，流入溢流筒的距离为S，则：

式中：T2为泥砂从初始断面流动距离S后到达溢流筒所经历的时间。

将式（13）代入，可得：

假设恰好发生完全有效沉淀所需要的时间：

结合式（15）和式（16）可得：

又由式（11）可得：

由1.2.1节中对泥砂的沉速研究可知：流速降低，沉速就会增大，故 V1＞V2⇒ω2＞ω1⇒T2/T2'＞1，说明有充分时间发生完全沉淀。

前述提到真实的溢流截面是围绕溢流筒的一个截面，长L、高H2'以及流速V2'都和假定的B、H2和V2不同，但可以确定B H2V2＞L H2'V2'，因为从假定的截面S2通过的泥浆水只有一部分会溢流到溢流筒，还有一部分会到达泥舱前壁，要么碰撞返回，要么向下运动参与下部的回流。本研究是把溢流量进行了放大，当放大后的结果都能满足推论，那真实的情况也一定满足。

采用极限假设的方法，由情况1）的“恰好能够发生完全沉淀”推导到情况2）中的“充分发生完全沉淀”，说明情况2）的条件对于控制溢流损失更为有利。情况2）的数据是由于减小流速后由情况1）的数据演变而来的，这是一个渐变过程，用极限对比的方法来解决前面所提到的问题，即：沉淀高度增加和沉速增加两者对于充分沉淀的利弊关系。经过比较不难看出，沉速的增加对于沉淀的有利影响大于沉淀高度增加带来的不利影响，因此可以毫无顾虑地研究采取措施降低流速。

2 降低流速的措施分析

消能措施是一种降低流速的方法，在水力学里运用广泛，因此合理的采取消能措施对于泥舱流速的控制和降低溢流损失是十分有效的。

2.1 装舱系统消能

管道或溜泥槽的末端装有扩散器或消能系统，能降低泵吸进来的泥浆流速和分散泥浆。对装舱系统有两个要求：

1）必须降低泵入泥舱的泥浆能量。

2）进来的泥浆不应含有很多气泡。

泥浆的低能量（即低流速）和不含气泡，有利于泥砂颗粒在泥舱中迅速沉淀，从而减少溢流损失。根据其他学者做过的大量试验可知，在泥砂出口处安装消能系统是降低泥浆流速最有效的方法之一。常见的消能系统有：扩散器系统、深装舱系统和沸腾箱式系统。

扩散器系统：就是在泥砂出口处安装一个喇叭形扩散装置，泥浆经过扩散装置出来后使得能量散开。

深装舱系统：将扩散器深入泥舱内较深处，使流速在扩散器内大大减低，当泥浆离开扩散器时，剩余的能量在沉降的固体颗粒土层中消散。

沸腾箱式系统：该系统全由格栅组成，格栅起到扩散器作用[5]。

以上3种系统都进行过广泛的模型和实物试验。试验表明，疏浚细砂且在泥舱装载很低时，从限制溢流的观点来看，深装舱系统是3种系统中最佳的一种。在泥舱装载较高时，推荐采用沸腾式装舱系统和扩散器系统。大部分情况下耙吸挖泥船都会采用装舱溢流的施工工艺，因此深装舱系统并不实用，又因为沸腾箱式装舱系统在造价、维修以及安装使用上都较简单，同时又能格挡住挖泥过程中吸上来的大型石块，避免其掉落而使泥舱底部因重击而受损，因此该系统受到大型耙吸挖泥船的青睐，见图3所示。

图3 沸腾箱式出泥系统示意图Fig.3 Schematic diagram of boiling box out of mud system

2.2 泥舱消能设计

采用格栅消能的方式时，对于缓流，基本起不到降低流速的作用，但是对于急流来讲就不同了。高速运动的泥浆水流在经过格栅时容易形成水跃，进而产生跌水消能；或者撞击栅壁，直接抵消掉一部分能量，因此使得栅后水面壅高，水流断面面积增大，流速降低，进而使得泥砂沉淀充分[6]。泥舱内前中期泥浆运动大体呈现为上下层环流，在上部设置格栅，可以有效降低上层环流的速度，并影响下层流速，使得泥浆的整个环流速度降低，从而减少溢流损失。对于后期的冲刷溢流损失，格栅也起到了非常明显的作用，直接阻挡因高速水流卷起的泥砂，加速二次沉淀，如图4所示。

图4 泥舱内格栅分布示意图Fig.4 Schematic diagram of grille distribution in the mud cabin

由于格栅横跨距离较长，对其强度要求很高。一般泥舱设计都采用了箱型龙骨结构，格栅可以设计在龙骨的下方，与横向龙骨架连为一体，其两边支出部分直接与泥舱壁连为一体。格栅钢板的厚度应适当大于理论设计值，防止长时间因冲击而导致扭曲变形、甚至断裂等危害。格栅的高度应适当，过高首先不利于强度要求，还容易引起后期装舱过程出现泥砂不均匀堆积现象；过低达不到理想的效果。一般将格栅设计为下边缘与装舱泥砂出口的下边缘齐平或者略低即可，见图5。

图5 泥舱格栅设计剖面图Fig.5 Design profile of the mud cabin grille

探讨了格栅设计的优点，也必须考虑它的负面影响。首先研究是否会产生不均匀沉降，导致泥舱装舱不均匀。不均匀装舱不仅降低了装载量和装舱效率，而且对船舶航行和抛泥过程也产生不利影响。格栅的设计肯定会在安装处加速局部沉淀。因为有一部分泥砂未穿过栅孔，直接作用在栅壁上的泥砂很有可能直接向下沉降。以下探讨这部分直接向下沉淀的泥砂是否会在格栅下面堆积。

在装舱的前中期，整个泥舱的泥浆运动以上下层流为主，上层流体受到格栅的影响，有一部分泥砂直接向下发生沉淀，但是沉淀一定距离后会受到下层层流的影响，从而跟随下层层流移动，不会发生堆积现象。而在装舱的末期，也就是接近冲刷阶段或已经发生冲刷现象这个时期，泥砂会因为格栅发生较明显的堆积现象。但是，这个时期水流的速度是非常快的，因为这个阶段从出砂口出来的泥浆直接作用于空气，而不是前中期的淹没出流，阻力相对较小，冲击力较大，容易冲散堆积的泥砂，使整个泥砂面趋于平整[7]。再者，一般达到满载时，泥砂也不会触及到格栅下边缘。根据分析，因设置格栅而产生的不均匀沉淀现象并不会很严重，同时也可根据实际情况，合理调节前后装舱口，维持整个船舶相对平稳。

其次，探讨格栅是否会影响泥浆相对平稳的流势，从而加大扰动现象。扰动的产生会减弱沉淀效果。格栅的作用是消能、减缓流速，对泥浆的流势也会产生一定的影响。泥浆在通过格栅时会产生少量扰动，而这种扰动也会随着泥浆流动和上下层水流挤压得到平复，故影响不大。其实，对于现实中的泥舱内泥浆的运动，扰动现象是十分突出的，即使格栅增大了扰动，但是增大程度与其本身的扰动情况比较也可忽略不计，所以不用担心格栅引起的扰动现象。

3 结语

格栅应用广阔，类型也多种多样，除了上述图示的圆形开孔外，还有多种类型的开口，如条形、椭圆形等，哪种类型的开口最为合适需通过试验来说明。本文中一些推论、假设、设计是根据专业知识，查阅相关资料并结合实际，经过理论分析得出的，其专业性、有效性、实用性都有待模型试验进行验证。设计中并未得出准确的数据模型，其合理性需要反复试验才能得出结果。此设计是源于新海虎8轮的泥舱设计基础上做的改进，其广泛适用性有待进一步观察。本文仅为设计耙吸挖泥船泥舱装载系统方面的改进提出理论性的建议。