砂卵石河道采砂和疏浚挖砂船的研制及應用

朱松偉　張斷英　李軍光（河南黃河河務局豫西黃河河務局，河南洛陽 471000）

砂卵石河道采砂和疏浚挖砂船的研制及應用

朱松偉張斷英李軍光
（河南黃河河務局豫西黃河河務局，河南洛陽 471000）

隨著世界疏浚事業的不斷發展和科學技術的進步，在傳統的鏈斗式挖泥船剛架后端加裝軸流式分選機構，分離砂子與卵石。改進疏浚船的動力驅動系統，以電力驅動代替柴油驅動，減少了環境污染，降低生產成本。通過對強度和剛度的加強，研制的鏈斗采挖系統滿足了砂卵石河床采砂與疏浚作業要求。

電力驅動 軸流組合式 分選篩 力學校核 料斗 連接部位 強度校核 焊接

1　疏浚船研究現狀

傳統的疏浚設備是挖泥船，這種船屬于工程船舶。隨著世界疏浚事業的不斷發展和科學技術的進步，為了適應各種不同工況的需要和滿足水上施工的要求，現代挖泥船的類型日益繁多。挖泥船的疏浚范圍也從一般的泥沙發展到挖掘水下的巖石、礦物、珊瑚礁等。根據挖泥船疏浚機具所采用的不同動力，目前基本上可將挖泥船區分為：機械式、水力式和氣動式三大類。按照作業的不同，可以分為斗輪式、鏈斗式、絞吸式等種類。其中鏈斗式挖泥船比較適合于水深較淺的河道清淤疏浚。

考慮黃河洛陽段水深較淺，多為砂卵石沉淀，絞吸式及斗輪式疏浚船難以發揮作用，甚至很難到達需要疏浚的河段。使用鏈斗式挖泥船對河道疏浚，可以達到預期的目的，但是傳統的鏈斗式挖泥船存在如下問題：

（1）傳統的鏈斗式挖泥船用來挖掘黃河砂卵石沉淀層，由于卵石對料斗產生的阻力很大，導致連接料斗的錨固件，經常破壞，更換頻繁，嚴重的影響了工作效率。

（2）傳統的鏈斗式挖泥船剛架結構在挖掘砂卵沉淀層的時候，拉力較大，部分部位有開裂現象，存在安全隱患。

（3）傳統的鏈斗式挖泥船多采用內燃機驅動，造成河面污染，導致河流水質變差，嚴重影響環境。

（4）傳統的鏈輪疏浚船挖出的砂子及卵石摻雜，造成運輸困難，利用時還要分選造成時間和經濟的浪費。

2　技改項目的研究內容

針對黃河洛陽段的現實狀況，以及現有的技術力量，決定對鏈斗式挖泥船技術革新，使其成為適用于砂卵石河道采砂和疏浚的鏈斗式挖砂船，主要進行如下幾個方面的研究工作：

（1）根據鏈斗式挖泥船在黃河洛陽段河床砂卵石的采挖特點，從船的穩定性出發，設計了船體的整體尺寸，保證船在采挖過程的安全。

（2）改革傳統疏浚船，使其原有砂子、卵石混雜的情況有所改變，在疏浚船剛架后端加裝軸流式分選機構，分離砂子與卵石。

（3）改進疏浚船的動力驅動系統，以電力驅動代替柴油驅動，減少了環境污染。并對挖砂船剛架結構和料斗連接部位進行強度校核，并采取技術革新，增加焊縫面積，確保正常工作。

3　鏈斗式挖泥船船體的穩定性分析

鏈斗式挖泥船是用于河湖疏浚的挖泥船，特別適合于黃河中下游地區河道疏浚，該船在設計建造過程中充分體現了黃河洛陽段河床砂卵石的采挖特點，并吸收和借鑒了國內外同類挖砂船的先進技術與經驗，使之成為具有一定先進性的工程船舶，技術上接近國外同類挖砂船的主要性能參數及船舶水平。在設計過程中，充分考慮了船體的穩定性，保證在采挖作業過程中生產安全。

4　鏈斗式挖泥船的船型簡介

該船為非自航鏈斗挖砂船，船體結構采用整體式箱形結構，主要由剛架式挖斗裝置、甲板輸送帶及動力裝置等組成，適合黃河孟津河段挖砂作業和被拖帶。考慮到河道上有橋梁，拖航時水上固定建筑高度不大于其船寬和船高，保證能夠順利通過。

4.1鏈斗式挖泥船主要技術特征

船舶的主要技術特征有船舶排水量，船舶主尺度，主要技術裝備的規格等。

船舶吃水：水線面與船底基平面之間的垂直距離（自平板龍骨上緣量至水面的垂直距離。加上平板龍骨的厚度）。根據量取的方法不同，吃水可以分成實際吃水和型吃水兩種。

（1）實際吃水指水線面至船底龍骨板下緣的垂直距離。它是船舶進出港、過淺灘、系靠碼頭和裝卸貨物時應考慮的吃水。

（2）型吃水是指水線面至船底龍骨板上緣的垂直距離，與實際吃水相差一個龍骨板的厚度。它是船舶設計和進行性能計算時所考慮的吃水。

挖砂船吃水隨著船的載重量和水的密度的變化而不同，測量出吃水后經過查閱有關資料和計算，可以求得該船當時的排水量和載重量。

4.2鏈斗式挖泥船的穩定性分析

船舶的主要性能有浮性，穩性，抗沉性，快速性，耐波性，操縱性和經濟性等。其中最關鍵的是挖沙船的穩定性。

鏈斗式挖泥船的浮性和浮態，浮性指船在各種裝載情況下能浮于水中并保持一定的首，尾吃水和平衡的能力。浮態指船的吃水，縱傾和橫傾的情況。船的浮性關系到裝載能力和疏浚作業的安全.因此，根據船的重力和浮力的平衡關系，選擇船的幾何尺寸，設計總布置圖時，就須對浮性加以注意。

為保證鏈斗式挖泥船的工作安全，船的主體在設計水線以上部分必須具有一定數量的水密體積，以提供一定大小的儲備浮力。圖2-1中，C點為船的重心，M點為船的浮心，為保證挖沙船的穩定平衡，必須保證M點始終位于重心C點之上。當船受外力作用離開平衡位置而發生傾斜時，浮力和重力就可以提供一個恢復力矩，使其回到平衡位置。當外力消失后船能恢復到原平衡位置保持平衡。一般在水面上，挖砂船的穩定性主要是指橫傾時的穩定性。船在10°以內橫傾時的穩定性稱為船的初穩性，此時船橫傾的浮心點（排水體積的中心） 位置的變化接近于在橫剖面內的Μ點，Μ點稱為穩心，從船舶重心C到Μ的距離稱為初穩心高或初穩。

船橫傾后可能出現3種穩定性情況：

①Μ點在C點之上，恢復力矩使船的傾斜減小，即船有回復能力，屬穩定平衡狀態；

②Μ點與C點重合，船不可能產生恢復力矩，即船無回復能力，屬隨遇平衡狀態；

③Μ點在C點之下，，船自身會增大傾斜，屬不穩定平衡狀態。

從挖砂船的使用角度和安全角度考慮，后兩種情況都是不允許的。

鑒于挖砂船穩定性對保障船體安全的重要性，船的穩定性按照國家規范對船的初穩性和大傾角穩性都進行了核算。并對船寬，水線面系數，干舷，重心高度，水面以上的側面積大小和高度，以及船體開口的密封性等，影響挖砂船穩定性的主要因素進行了校核計算。同時，還對挖砂船的抗沉性進行了設計計算，即船體水下部分發生破損，船艙淹水后仍能浮而不沉和不傾覆的能力。

5　疏浚船節能減排優化設計

5.1疏浚船節能減排優化設計的意義

節能減排、綠色環保已成為船舶建造業發展的首要目標。疏浚船作為一種特殊的工程船舶，已經突破了傳統的航道整治、防洪搶險、農田水利建設等范疇，其服務的領域越來越廣泛，諸如河底取砂、河道疏浚等眾多領域。疏浚船技術含量高，機械設備繁雜，全船裝機功率遠高于普通運輸船舶，所以疏浚船滿載運作時號稱“河上油老虎”。同時，疏浚船施工區域一般在孟津會盟黃河河道或沿岸小區域內作業，在環保方面要求更加嚴格。否則，將對下游的鄭州、開封等大中城市飲用水安全帶來很大隱患。

5.2節能減排的主要措施

疏浚船作為一種特殊的工程船舶，在航道整治、河底取砂、河道疏浚諸領域的應用越來越廣泛。疏浚船技術含量高，機械設備繁雜，全船裝機功率遠高于普通運輸船舶，其耗能之巨大可想而知。一般疏浚船以柴油機驅動的較多，由于功率大，原設計需配備總功率為25OkW的幾臺柴油機，分別帶動鏈斗挖砂和篩分、將砂和卵石裝上駁船，耗油量大，所排出的尾氣量也較大。

5.3負載互換及功率管理措施

為保證環保方面的要求，在革新設計過程中充分考慮了節能環保措施，采用負載互換或功率管理分配、采用變頻電機取代柴油機為驅動設備等技術，推進了綠色造船的新理念。

疏浚船采用非自航型式，作業時，由駁船將其托到作業面，料斗在挖砂石時對于河底的反作用力使船沿挖料方向前進。由于疏浚船活動范圍一般不大，行進速度也沒有過高的要求，這種在挖沙石的過程中短距離移動也可以節省部分能源。船上的料斗、分選篩、將砂和料石卸到駁船上的傳送帶動力全由電動機提供。

6　技術革新總結

通過以上技術的運用，使得該疏浚船的環保性能優于同類產品，也減少了對大氣環境以及對河水的污染。另外，選擇的電機功率與工況配合得較好，使電機在多數時間內運行穩定。

6.1社會效益分析

黃河洛陽河段，是黃河由山區性河道向沖積性平原河道過渡的河段。由于河出山區，水流擴散，流速相對減緩，歷史上上游峽谷河床帶來的砂卵石推移質易在河段內沉積，長時間的造床作用，從而在洛陽黃河段形成了砂卵石洲灘和汊道密布的分汊性砂卵石河道。河床床面基本由卵石和粗砂組成，灘區砂卵石埋深也較淺，砂卵石粒徑（20～200）mm，厚度在（40～80）米之間，砂卵石資源十分豐富。

目前，隨著經濟社會的快速發展，盈利性采砂開始快速發展，采砂量大幅增加，包括直接在河床中抽取細砂用于建筑材料等，采砂規模及采砂量越來越大。黃河泥沙作為建筑材料的直接利用，能夠部分減輕黃河下游的淤積，控制河床的抬高，同時也為兩岸提供了天然的建筑材料，具有重要的社會效益。

6.2經濟效益總結

新研制的疏浚船對于提高挖砂效率來說意義重大，黃河河道洛陽段除汛期外，常年可以采砂，有了新的挖砂船，由于采用了電能挖砂，較使用柴油機械而言，可以節省較多的挖砂成本，按現階段挖砂情況分析，該船每天可挖1200m3砂，其經濟效益如下： 原來使用柴油機驅動，每立方砂需油費3.00元，每天油耗3600元，改換電力驅動后，每立方砂需電費1.50元，每天電費1800元，每天節約費用1800元，汛期和冬季不工作，全年按200個工作日計算，節約費用360000元。如果每天的采砂量提高，僅此項節約的費用就相當可觀。該船每年可創上百萬的經濟利潤。

6.3環保意義經過技術革新，由電能代替內燃機驅動，杜絕了燃油尾氣及漏油等問題的發生，既使河段上空空氣保持良好，也保證了水質不會受廢油的污染。另外利用變頻技術、負載技術使能耗大幅度降低，對于節能減排意義重大。

［1］方新磊.煙絲振動分選篩動態特性研究.網絡出版時間：2012-09-20.

［2］楊順.耙吸式疏浚船泥泵特性分析與工況優化.機電設備，Mechanical and Electrical Equipment，2010年06期.

［3］徐國慶.抓住機遇，努力打造國內最大疏浚船建造基地.廣東造船，Guangdong Shipbuilding，2007年01期等12篇.