新海鲛轮在增填沙工程施工中采用三泵串联水力输送分析——以福建漳州古雷炼化一体化项目为例

吕兵

（中交上海航道局有限公司，上海 200082）

1 工程概况

福建漳州古雷炼化一体化项目百万吨级乙烯及下游深加工装置主厂区场地增填沙工程是围堤与吹填相结合的特大型综合工程，本工程吹填工程量约为1.08×107m3（断面净量）。沙料来源为兄弟屿采沙区，属中、粗沙质。本工程吹（回）填施工工艺流程如图1 所示。

图1 吹（回）填施工工艺流程图

吹填施工要求：吹填过程应分级吹填，III-1 区域1 级层厚3.0 m，2 级层厚3.0 m，其余区域1 级层厚约2.5 m，2 级层厚大约2.0 m；吹填过程中一旦存在淤泥包，要及时处理。新海鲛轮参与施工的取沙区原始水深-4.5～-2.0 m，土质为粗砂夹淤泥，其中单位体积土中粉砂约占95%，淤泥约占5%，天然土密度约为1.785 t/m3；排泥管线长2 576～3 805 m，管径850 mm，采用三泵串联施工，排泥管出口加装缩口（450～700 mm)，吹填土泵送至1～3 区。

2 施工中管道泥浆输送分析

2.1 实用最低流速的确定

本施工区域土质为粗砂夹淤泥，其临界流速按砂性土工况计算，计算如式（1）：

式中，Vc为土颗粒体积浓度，%；γm为泥浆密度，t/m3；γw为水密度，取1.025 t/m3；γs为土颗粒密度，t/m3；g为重力加速度，取9.81 m/s2；D为排泥管内径，取0.85 m；Vss为颗粒在清水中的沉降速度，m/s；ds为砂粒平均粒径，m。

由式（1）可以算出上述土质的临界流速，见表1。

表1 不同土类、不同泥浆体积浓度的管路临界流速计算值（管径850 mm）

实用最低流速系数Kv取值见表2。

表2 实用最低流速系数Kv 取值表

据现场土质取样分析和以往在厦门工地施工经验Kv取1.25，能满足现场管道输送所需，现将此类土质的临界流速和最低实用流速列于表3。

表3 不同泥浆浓度下的管路临界流速和最低实用流速计算值（管径850 mm）

在施工过程中，由于砂质较粗，管道中的泥浆流态在短时间内较难改变，如果追求高浓度施工且施工流速长时间介于临界流速和最低实用流速之间，就有可能会发生堵管现象，因此在实际施工过程中，应保持足够的流量和稳定的泥浆浓度，才能满足船舶安全、高效和低能耗施工。

2.2 泥泵装置系统工况区的选择

泥泵装置系统工况区的是指泥泵工作时的流量和扬程，要在泥泵驱动装置（柴油机）允许工况内不超负荷，保持泥泵及其主机负荷在可用范围之内，同时排泥管路能够输送，且磨损较小，并使土方生产率较佳。具体做法包括：

1）根据泥泵机组性能和取砂区土质，计算和绘制泥泵机组产生高浓度和低浓度下的H-Q曲线（H-Q曲线为流速-总压头曲线，表示压头和流量的关系）。

2）根据管线组成情况，计算和绘制高浓度、低浓度状态下的管路特性曲线。

3）根据不同浓度计算和绘制在不同泥浆浓度状态下的临界流速的限制线。

在特定的管路条件下，由于施工过程中的泥浆浓度变化，泥泵特性曲线和管道特性曲线也在上下、左右变动，对于同一管道而言，输送泥浆的浓度高低改变了管道中的阻力。综合图表、实际施工工况和排距变化，中粗砂土质条件下新海鲛轮的施工流速控制在5.5～6.3 m/s，保证了流速控制在临界流速之上，还能在施工中尽量提高泥浆浓度，以达到提高船舶生产效率和降低能耗的目的。平均排距在3.3 km 时统计的典型运行参数见表4。

表4 平均排距在3.3 km 时统计的典型运行参数

从表4 中的泥泵机组运行参数可以看出，当浓度达到30%时，泥泵机已接近或达到满负载运转；当浓度达到40%时，已接近临界流速，表明此时需要控制浓度，否则会出现堵管现象。

3 施工效果分析

新海鲛轮在排距为2 521～3 805 m 时的参数情况汇总表见表5。

表5 新海鲛轮在排距2 521～3 805 m 时参数情况汇总表

从表5 数据可以看出，新海鲛轮所采取的施工方案是较为合理的，主要表现在3 个方面：（1）泥泵转速匹配和疏浚设备运行参数都均处于正常状态，有利于泥泵机组柴油机功率的正常发挥，同时能避免转速过高产生过大的船舶振动而影响设备使用寿命或增加不必要的设备维修。（2）施工时，最大泥浆浓度能达到40%以上，平均浓度控制在约30%，真空度不大于0.05 MPa 可以有效减小泥泵汽蚀现象，同时为提高泥浆浓度创造了有利空间。（3）施工时，泥浆流速基本控制在5.5～6.2 m/s，既能较好地保持管道中的流态，又克服了由于施工流速过大而造成管路摩阻较大，起到了节能降耗的作用，还能有效避免堵管的发生[1]。

4 二次取砂（粗砂）施工中的一些体会

1）对于管道输送泥浆而言，由于砂质较粗，管道输送阻力增加，泥泵装置的工况点向左转移，导致流量下降和泥泵有效扬程上升，当管道内流速低于泵送土质的临界流速时，将导致泥浆颗粒在管道内沉淀，堵管的概率较短排距施工而言要大，因此，在实际工程施工中必须根据施工区的土质情况和船舶性能认真分析泥泵装置运行工况区，使泥泵转速匹配和运行参数均处于正常可控状态，有利于泥泵机组柴油机功率的正常发挥，新海鲛轮正常施工时泥浆流速控制在5.5～6.2 m/s，在实用最低流速5.5 m/s 以上，较好地保持了管道中的泥浆流态。

2）粗砂挖掘施工情况下，泥浆在管道内的流态不易变化，不同浓度的泥浆在管道区域内形成不同的压力区域，因而整条管线中的压力分布极不均匀。因此，挖泥施工操作时应谨慎操作，保持适当的横移速度，防止水下泵吸入真空过高，维持泥浆浓度稳定性，使泥泵的排出压力、流量波动处于较小状态。

3）施工过程中应横移速度优先，在一定的桥架下放量和前移量下，较快的横移速度能获得更高的泥浆浓度，前提是在绞刀压力、横移压力、流速不受限的前提下。当桥架下放深度和前移进尺一定时，生产效率高低取决于横移速度控制。因此，准确合理的横移操作是提高生产效率的主要手段之一，也是一个合格敬业的挖泥操作手素质的良好体现。

5 结语

新海鲛轮参与福建漳州古雷增填砂工程二次取砂（中粗砂）吹填施工，期间排距在2.5～3.8 km 变化，满足最低实用流速的需要，按照土质和施工流量的需要，不断调整泥泵机组转速和串联泵的匹配，力求安全、高效、低耗施工，每月产量均超过了7×105m3，达到了预期的目标。

目前，新海鲛轮针对二次取砂（中粗砂）、中排距工况，采用高效泥泵三泵串联施工尚属首次，许多施工技术与管理还处于探索阶段，并且随着工程的推进还会有更多意想不到的施工技术问题要去面对和解决。新海鲛轮在以后的施工实践中，始终以在安全的前提下，提高生产效率、降低能耗为目的，不断积累实际施工数据，认真研究分析探讨，为今后疏浚技术研发和施工管理提供参考。