干船坞灌排水系统的设计及应用研究

武守元，王广成

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

1 船坞灌水和排水系统的设计

1.1 船坞灌水和排水系统的选择

实例工程为新建的两个5万t级造船坞，船坞的基本尺寸为：坞长215 m，坞宽41 m，坞底高程为-4.8 m。船坞的工作参数为：进出坞水位为4.70 m，设计高水位为6.72 m，设计低水位为0.47 m，平均高水位为5.39 m，平均低水位为1.06 m，极端高水位为7.47 m，坞顶高程为7.80 m。

该船坞为大、中型船坞。从经济角度考虑，两座船坞共用一套排灌水系统，在两坞之间设置一座船坞泵房。船坞灌水系统采用单侧虹吸灌水形式，排水系统与灌水系统结合设计。设置供电控制层、水泵设备层和流道层；船坞内设置压载、冲洗和淡水供应系统、污废水排放和消防系统以及结合水工结构排水减压系统设置相关设施。

1.2 船坞灌水系统设计

船坞灌水系统采用单侧短廊道虹吸灌水型式。虹吸灌水廊道布置为：进口断面为2.1 m×1.5 m（宽×高），进口扩大喇叭口断面为3.0 m×2.0 m（宽×高），进口上缘高程为-1.40 m，进口下缘高程为-3.40 m，至坞前水域底高程的距离为2.2 m。虹吸驼峰处的断面为2.1 m×1.5 m，驼峰中心的转弯半径R=4.95 m，驼峰底部高程为7.80 m。虹吸灌水时，启动真空泵抽气引水，同时在驼峰处设有真空破坏阀。船坞的灌水时间约为2.0小时。在灌水系统的进口设有格栅，栅条间距取50 mm。

虹吸驼峰处设置抽真空装置，由泵房内设置的2套真空泵抽吸，为1用1备，并兼顾排水虹吸管的抽真空。为减少单侧灌水水流对船坞的影响，本设计灌水进坞廊道及消力池与排水进水廊道及集水池合用。由于两个船坞共用一个灌水系统，设计在灌水廊道进入各自坞室前，分别设置双向闸板阀。

船坞灌水量采用式（1）计算：

式中：

µ为灌水廊道流量系数，µ=1/(§J+§C+§W+§K+§S+§L+§Y）1/2，§J为输水廊道进口阻力系数，一般取0.2，§C为输水廊道出口阻力系数，通常取1.0，§W为输水廊道弯管处阻力系数，取b/R=1.12，经计算[1]得§W=0.2，§K为输水廊道出口扩大处阻力系数，§K=（1-W1/W2）2=（1-1.5 m×4 m/1.5 m×8.5 m）2=0.28，§S为输水廊道进口收缩处阻力系数，查表[1]为0.36，§L为输水廊道进口拦污栅阻力系数，§L=ß（S/b）4/3=1.79（2/4）4/3=0.71，§Y为输水廊道沿程摩阻损失的阻力系数，内衬钢板取 0.01，因此流量系数µ=0.60（模型实验测得为0.53～0.56）；

H为灌水初始水头，H=9.3 m；

W为灌水廊道计算断面面积，4.0 m×1.5 m。

灌水历时由式（2）计算：

式中：W1为坞室水面面积。

虹吸灌水系统驼峰底最小压力估算值按式（3）计算：

式中：

CP为压降系数；

b为驼峰断面高度，取1.2m。

1.3 船坞排水系统设计

排水系统的主泵采用潜水混流泵，辅泵采用立式离心泵。每套泵吸水型式采用单流道布置。主泵选用3套，交替全运转。主泵为手动依次启动，自动停泵，主泵最低停泵液位为-4.4 m。辅泵为3套，辅泵兼做船坞排雨水用泵，坞室内的初期雨水通过辅泵，排入坞室廊道内的污水接纳管内，辅泵为按液位依次自动运行。经计算船坞的排水时间约为3.90小时（该时间计算以排水至坞底板为准）。坞内设置排水沟，沟宽0.8 m，坡度为1.5 ‰。

排水泵布置在泵房内，泵房布置如下：

1）流道层：该层与集水池同层并于灌水系统消力池合并，排水主泵在流道层的布置为每套泵设置单独流道池，流道入口设导流板，泵喇叭口下设隔板的布置形式，流道长度取6.5D，宽度为3D，泵轴中心线距池壁取1.0D（D为主泵吸水口直径），为防止进水流道旋涡的影响，主泵吸水口处设置导流板，在坞室进入集水池进口处，设置导流栅。坞室进集水池前设检修闸门，闸门的起吊利用坞顶工艺吊机。

主排水泵的排水时间按式（4）计算：

式中：

V为船坞水量；

Q为每台主泵的平均排水流量的总和。

主泵为虹吸出水，其扬程采用式（5）计算：

式中：

H为泵扬程（m）；

K为系数，取1.05；

h1为出口上缘的淹没水深（m）；

h2为出水管和吸水管水头损失（m）（包括沿程和局部水头损失）；

h3为主泵启动的最低水位与虹吸驼峰中心高差，主泵启动最低水位取-4.4 m。

2）设备层：该层主要包括楼梯间、泵间、吊装孔、泵的进、出水管路及附件，泵间内设有排水主泵、辅泵、压载和冲洗水泵、消防泵以及排渍泵等。压载和冲洗水泵为海水泵，主要满足船舶压载和冲洗要求。消防泵主要为船坞提供消防用水要求，消防用水亦为海水。压载和冲洗水泵、消防泵的吸水管为两根DN600，相互备用，吸水管的取水液位为-1.0 m（低于设计低水位），消防管路为双出户。泵房内设置两套排渍泵，根据液位自动启停,用于排除泵房内日常的少量集水。其集水池为2.5 m×1.5 m，深1.5 m。为保证船坞虹吸灌水系统正常运行，泵房内设置两套真空泵，1用1备，同时兼顾排水虹吸管路运行。在外海特定水位情况下，真空泵的引水时间灌水廊道为3.7分钟，排水管道为0.5分钟，因为在虹吸泵功率一定情况下，灌水廊道虹吸时间和外海水位有关。

3）电、控设备层及管理用房：该层为坞顶下层，内设变、配电室，控制室，值班室等，同时该层留有楼梯间和吊装孔。房间设有通风机和除湿机。

4）排水出口：排水泵的出口采用虹吸排水形式。其出口上缘低于平均低水位下0.5 m，驼峰底高程取7.8 m，驼峰处设有抽吸真空管和真空破坏阀。虹吸排水出口采用喇叭口形式，用于减少出口流速，降低水流冲力对附近船舶的影响。

2 船坞灌水和排水系统设计的合理性评价

2.1 船坞灌水和排水系统设计的合理性验证

船坞灌、排水泵房设计方案和数据的合理性，可通过物理模型实验进行校核验证，通过模型实验可辅助灌水系统设计满足要求，如图1初始方案是驼峰断面处管道高度为1 m，后调整为1.5 m，通过调整驼峰断面高度发现，驼峰断面高度和整个灌水流道高度相同可有效减少驼峰断面处负压。但对于排水系统，由于实验泵与实际运行排水泵之间，无论从输出流量、电机功率、外型尺寸等都存在差异，对实际运行过程中的水流条件、噪音、震动等情况，模型实验模拟的真实性有限，因此待确定排水泵后，针对泵的具体运行工况及布置情况，对有可能出现的问题加以关注，以确保使用过程中排水泵运行可靠、安全、稳定。

图1 灌水廊道剖面示意

2.2 模型实验模拟结果

通过物理模型试验，得出模拟结果如下：

1）灌水虹吸形成初始流量最大，随着坞室水位增加，过流能力减小。

2）当设计方案在低水位灌水出现进口有旋涡，同时虹吸形成困难时，可在进口增设格栅（兼做整流），降低驼峰高度，同时增加集水池侧水封高度，可解决虹吸问题。

3）在灌水系统运行时，若集水池顶板有集气现象且有气旋，同时存在灌水进坞室水流不均匀现象。可在顶板增设通气管，同时在廊道配流点处增加整流墩，能有效减少集气。虹吸出口在廊道内设置整流墩后出口速度均匀。

4）排水过程中，虹吸排水管鹅管处出现负压，鹅管顶负压较鹅管底要大，外海水位较低时，管内负压较大。

3 结 语

船坞灌排水泵房是整个船坞构筑物中较重要的部分，泵房构筑物及设备运行较为频繁，合理的泵房设计为船坞正常工作提供保障。在我国，干船坞灌排水技术经过了近 70年的发展，我们经过对前人的经验消化吸收，发展到今天的灌排水技术。随着模型实验水平和水力学理论的不断提升，在确保灌排水泵房安全平稳运行的前提下，使灌水廊道过水断面积尽量减少，有效降低工程投资和造价，是我们今后继续研究的方向。