拼装式小型绞吸船远距离多级接力泵送吹填工艺在疏浚工程中的应用

2023-05-27沈如健覃耀童中交广州航道局有限公司

珠江水运 2023年9期

◎ 沈如健覃耀童中交广州航道局有限公司

图1 项目平面布置图

1.工程概况

建于上世纪60年代的八尺门海堤工程，截断了东山湾与诏安湾的水体交换，造成海峡水体交换受阻，淤积严重，低潮露滩面广，高潮水深小。本工程主要为海堤拆除后的水道清淤，清淤宽度100m、长度6400m，工程量约139万m3，疏浚土均运输至10km外的红树林种植区。由于八尺门海域至红树林种植区的原始水道狭窄，且受多座大桥限制，无法满足大型清淤船只作业，极大增加了施工难度。为加快项目推进，在传统抓斗配小型泥驳清淤工艺的基础上，增加小型绞吸船远距离多级接力泵送吹填工艺共同疏浚作业。

2.设备选用及排距计算

2.1 设备选择与参数

该项目共投入一艘泥泵型号450PNS-50、额定转数650r/min、轴功率600KW的小型绞吸船，配套柴油机额定功率680KW、转数1500r/min。接力泵站采用浮箱，内设泥泵和柴油机，泥泵型号400PNS-30、额定转数730r/min、轴功率250kW，配套柴油机额定功率300kW、转数1000r/min。

2.2 接力泵站浮力计算

1）接力泵站浮箱重量计算。浮箱尺寸：8.1m×3.6m×2.8m，采用12mm厚钢板焊接，钢板密度一般为7.85g/cm³，壳体重量约11700kg，其他构件等重量约6500kg，总计约18200kg。

2）接力泵站设备重量计算。柴油机3100kg，泥泵（含底座）3600kg，1000L柴油重约840kg，管线等其他设备约3000kg，合计约10540kg。

3）管线泥浆重量计算。接力泵站工作时，内外Φ400mm管线泥浆重量对接力泵站影响的折算长度约25m。根据泥浆浓度公式：

4）浮箱浮力计算。浮箱高度2.8m，外接排泥管法兰口底距壳底1.6m，距壳顶1.2m，即接力泵吃水不大于1.6m均满足管线拼接作业要求。根据浮力公式：

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式中：F浮为浮箱浮力；液为海水密度，取1.025t/m3；g为重力加速度，为9.81m/s2；V为浮箱排开液体的体积。经计算浮箱吃水h=1.1m＜1.6m，满足工作要求。

2.3 柴油机性能匹配计算

根据柴油机功率公式：

式中，N为柴油机额定功率kW；N1为泥泵轴功率kW；K为储备功率系数，一般为1.1～1.5；η为传动效率，一般为0.96～0.98，取0.98。经计算接力泵站柴油机储备功率系数K=1.17＞1.1，绞吸船柴油机储备功率系数K=1.11＞1.1，均满足正常工作需求。

2.4 接力泵站排距计算

实际液体恒定总流能量方程式：

式中：Z1、Z2为排泥管两端标高；P1、P2为排泥管两端压强，实测P1=0.5 Mp a、P2一般不小于0.1MPa；v1、v2为排泥管两端流速，一般v1=v2；α1、α2为排泥管两端动能校正系数，均取1.00；g为重力加速度；为泥浆密度；hW为总水头损失，包括沿程水头损失Hf、局部水头损失Hj及流速水头损失H流。

式中：L为排泥管全长。水上浮管因橡胶接头摩阻较大，通常将这部分长度乘以1.3～1.75，取1.75；水下沉管通常将这部分长度乘以1.0～1.1，取1.1；D为排泥管径；v为平均流速；泥为泥浆密度；水为海水密度，取1.025t/m3；λ为摩阻系数，与管道内流态、管壁特性有关，可通过雷诺数Re来判断流态；ξ为局部水头损失系数。

考虑到排泥管线内泥浆流速无实测数据，采用最低实际流速（经济流速）作为平均流速计算值。根据淤泥临界流速公式（8）和最低实用流速（经济流速）公式（9）：

式中：C为土粒体积浓度，实测为21%；ds为土粒平均粒径，淤泥取0.03mm；g为重力加速度；D为排泥管内径，取0.40m；γS为土粒密度，实测为2.67t/m3。Kv为最低实用流速系数，淤泥、粉土Kv=1.10。将已知条件代入（8）（9）式中，求得经济流速vp=2.58m/s。

实际两台接力泵之间采用360根8m长PE沉管连接，接力泵两端各拼接1m橡胶短管，管线全长2882m，且两个接力泵排泥管接口标高相同。那么，两个接力泵之间的总水头损失hw仅考虑沿程水头损失Hf及流速水头损失H流。在计算总水头损失hw前，先根据雷诺数公式Re判断管道内泥浆流态：

式中：v 为管中平均流速；d 为管道直径，即0.4 0m；μ泥、μ水为泥浆及相同温度清水的黏性系数；Sv为泥浆浓度，实测为21%。根据东山县年平均气温23℃，查水的粘滞系数表求得μ水=0.9358×10-3N·S/m2，则Re=8.51×105>2300，为紊流。查询实用管道当量粗糙度表，PE管道绝对粗糙度ε=0.01mm，则ε/d=0.01/400=2.5×10-6，查询穆迪图可知λ=0.012。代入（4）公式，求得P2=0.123MPα>0.1MPα，满足接力泵使用要求。若P1=0.5MPα、P2=0.1MPα，求得L最长=3404m÷1.1=3095m>2882m，满足接力泵使用要求。

2.5 绞吸船排距计算

1）绞吸船吸口至1#接力泵局部阻力系数计算。根据《疏浚与吹填工程设计规范》（JTS 181-5-2012）查询管线局部阻力系数，弯管阻力系数按下列公式计算，具体详见表1。

表1 局部阻力系数计算结果统计表

式中：D为管径m；R为弯管曲率半径m；α为弯曲角度。

2）绞吸船吸口至1#接力泵沿程阻力系数计算。根据实用管道当量粗糙度表，新的铸铁管道绝对粗糙度ε=0.2 5 m m，则ε/d=0.25/450=5.56×10-4，查询穆迪图可知λ=0.017，具体详见表2。

表2 沿程阻力系数计算结果统计表

3）吸泥管系平均流速vs计算。绞吸船作业时，泥泵前端压力为P1为0.014MPa；泥泵进口中心线距离水面标高0.1m；平均潮位值为1.18m，则Z1=1.08m；开挖底标高-3.4m，则Z2=-3.40m；吸泥管系hw包括沿程水头损失Hf、局部水头损失Hj及流速水头损失H流。代入公式（4）求得吸泥管内平均流速vs=2.71m/s。

4）绞吸船排距计算。根据泥泵生产厂家提供的泥泵清水特性Q-H曲线，当泥泵实际转数600r/min、效率74%时，清水扬程hw为50m，则泥泵泥浆扬程应按下式计算：

式中：Hm为泥泵泥浆扬程；Hw为泥泵清水扬程；KH为泥泵泥浆扬程土质换算系数，淤泥取0.75；γm为泥浆密度；γ为天然土密度，1.67t/m3；为泥浆体积浓度；γw为海水密度，1.0 2 5t/m3。代入公式（1 2）（13）求得泥泵泥浆扬程Hm=56m。

绞吸船排距按管路输送泥浆时实耗总水头公式计算：

式中：vs、vd分别为吸排泥管平均流速；v 为管路排出口流速；λm=λw×γm为管路泥浆沿程阻力系数；Ls、Ld为吸排泥管总长；Ds、Dd为吸排泥管管径；y为水面距离海底距离；Z为排高；∑ξms、∑ξmd分别为吸排泥管系局部阻力系数之和。将已知条件代入公式（14）求得绞吸船最大排距Ld=5096m。考虑到绞吸船作业时管线主要为浮管、沉管，其中浮管长度一般在200m左右，沉管长度=（5096-200×1.75）÷1.1≈4300m，则理论上可敷设管线长度在4500m左右。

3.接力泵站位置确定

考虑到绞吸船纳泥区离疏浚区较远，沿线工况复杂，易受潮汐、水深、渔船等因素影响，接力泵站一般不能设置在最远排距位置上，仍需预留一定的管线富余长度。实际按2900m一段从纳泥区沿着岸侧滩涂向疏浚区敷设，共4段。接力泵站均放置在水道边滩涂上，在不影响船舶航行的情况下保证冷却水及油料供应正常。绞吸船尾管长度因受疏浚区形状、施工干扰、水深等限制，实际尾管仅敷设1600m，则全线总长约13.2km。

4.接力泵站启动程序

清淤作业时，在通知接力泵站值班人员开启泥泵前，绞吸船先启动绞刀，并下放到开挖泥面；值班人员接受信号后，将柴油机启动并合排，使泥泵保持低速运转，并打开吸泥口排气阀，待排气阀无空气排出且满泥后关闭。当吸入口压力大于0.1MPa时，再逐步提高柴油机转速，并将排出口压力控制在0.5-0.6MPa之间。以此类推，依次启动2#、3#、4#接力泵站。如遇清理绞刀头、故障修理等停歇时间较长事件时，吹水0.5h后即可通知全线停泵排除故障。

5.施工效率分析

绞吸船的生产效率主要受土质、绞刀功率、横移速度、泥泵功率、挖深、接力泵功率、管线长度、时间利用率等因素影响，而本工艺绞吸船平均挖宽30m、挖深0.5m、进尺0.8m，每横移一次施工时间约2.5min，则绞刀挖掘小时生产率：w=30×0.5×0.8×60/2.5=288m3/h，泥泵输送小时生产率：Qs=π/4×0.42×2.58×21%=245m3/h，取Qs为绞吸船生产率。考虑到绞吸船清理绞刀、移锚、接管、加油等影响时间较多，实际每天有效作业时间约12h，生产效率约2940m3。

经统计分析发现，停歇时间中清理绞刀占比约50%，为主要原因。针对该主要原因，施工现场增加一台清障设备提前对疏浚区进行清理，有效缩减了清理绞刀的停歇时间，作业时间平均延长约3h，生产效率提升至3675m3。该工程成功应用了拼装式小型绞吸船远距离多级接力泵送吹填工艺，使传统抓斗配小型泥驳的投入数量大为减少，施工效率明显提高，工程整体清淤进度得到有效保障。