泥泵泥漿揚程計算模型的對比分析及工程應用

田會靜，張磊，秦亮，李章超

（1.中交天津港航勘察設計研究院有限公司，天津 300461；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461；3.天津市疏浚工程技術企業重點實驗室 300457）

泥泵泥漿揚程計算模型的對比分析及工程應用

田會靜1，張磊1，秦亮2，李章超3

（1.中交天津港航勘察設計研究院有限公司，天津 300461；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461；3.天津市疏浚工程技術企業重點實驗室 300457）

基于自主開發的DTAS系統，分別以曹妃甸和東莞施工數據為參照，采用規范方法、GIW的Hr簡化法、沃曼的HrEr完整法以及反分析法等4種泥泵泥漿揚程的計算方法對施工現場進行模擬計算，并與施工數據進行比較分析，得出針對曹妃甸較單一土質，規范算法的計算數值偏低，而Hr簡化法和HrEr完整法的計算結果最為接近實際的施工數據，因此實際施工中推薦采用考慮因素更為全面的HrEr完整法。對于東莞混合性土質，規范方法+反分析法能互相彌補不足，得出系數KH，從而為施工的進一步計算分析奠定基礎。建議在泥泵泥漿揚程計算時，要針對不同的土質選擇合適的計算模型，以便對施工做出更加準確的預測。

挖泥船輸送系統；DTAS；泥泵泥漿揚程；特性曲線；運行工況區

0 引言

泥泵泵送泥漿時的水力特性受土質比重、顆粒大小、泥漿濃度、流速等因素影響較大，目前所見到的表示泥泵泵送泥漿特性的公式，基本形式均為Hr=Hw·f，常見的模型有規范方法、GIW模型和沃曼模型，各種模型均是通過圖表的方式查值、修正計算泥泵泥漿揚程，但具體計算考慮因素不同，生產實踐中到底哪種方法適應何種土質工程，至今實驗分析數據較少。

常規泥泵工況點的計算較為復雜，而利用天航局開發的DTAS系統可以方便快捷地得到計算結果，DTAS系統不僅涵蓋了上述3種泥泵泥漿揚程的計算方法，還增加了以規范算法為基礎的反分析方法。本文將以曹妃甸和東莞的施工數據為基礎，對4種計算模型進行對比分析，得出各自的適用性及局限性，以便為施工人員提供參考。

1 泥泵泥漿揚程計算方法

1.1 規范算法

根據JTS 181-5—2012《疏浚與吹填工程設計規范》，泥泵泥漿揚程宜按照下列公式計算[1-2]：Hm=Hw[KH（γm-γw）+1] （1）式中：Hm為泥泵的泥漿水頭，m；Hw為泥泵的清水水頭，m；γm為泥漿密度，t/m3；γw為清水密度，t/m3；KH為泥泵泥漿揚程土質換算系數，取值見表1。

表1 KH系數表Table 1 KHcoefficien t table

1.2 Hr簡化法

《Slurry Transport Using Centrifugal Pumps》[3]基于過去15年GIW實驗室所做的水動力試驗數據，總結了泥泵揚程下降值與土顆粒中值粒徑、葉輪直徑等的關系。圖1[3]中給出了土顆粒比重2.65，細粒含量為0，泥漿體積濃度為15%時的不同葉輪直徑的泥漿揚程下降值與土顆粒直徑的關系。當土顆粒比重不是2.65，細粒含量不是0時，泥泵泥漿揚程需要進行修正。

圖1 Hr簡化法Fig.1 Sim p lified method of H r

1.3 HrEr完整法

根據沃曼的《泥漿泵手冊（2009）》[4]，基于實驗室的實驗數據和工程施工數據，圖2給出了不同泥漿濃度、不同土顆粒直徑、不同土顆粒比重以及不同葉輪直徑情況下的泥泵泥漿揚程和效率的下降圖[4]。

圖2 H rEr完整法Fig.2 Com pleted method of H rEr

1.4 反分析方法

反分析方法是以規范算法為基礎，見式（1），以施工現場的數據為依據，反分析出公式中的系數KH，得出本土質的適用系數，從而以該系數為參考，對施工生產進行進一步的預測分析。

DTAS系統擬搜集各個施工現場不同土質對應的系數，形成天航泵泥漿性能庫，從而能方便快捷地選擇對應的系數進行計算分析。

2 工程應用計算分析

2.1 曹妃甸施工案例

曹妃甸某疏浚吹填工程，疏浚土質為粉砂，土顆粒中值粒徑0.075 mm，天然土密度1.85 t/m3，土顆粒比重2.65，泥漿天然土體積濃度30%。施工船舶為天鷗船，水下泵+兩個艙內泵共同運行（水下泵258 r/min，艙內泵330 r/min）。管線長度12 500 m，管徑800 mm。

下面分別采用規范算法、Hr簡化法、HrEr完整法3種泥泵泥漿揚程計算方法模擬施工情況，并與施工現場的數據進行對比分析。計算結果見表2及圖3～圖5。

通過3種計算方法的對比可以看出，針對曹妃甸的粉砂土質，Hr簡化法和HrEr完整法與施工現場的數據最為相符，而規范算法的計算值與實際相比略低一些。究其原因，可以看到表1中，對于某一種或是某三種土質，系數KH的值是固定的一個數值，然而疏浚過程是很復雜的過程，涵蓋了多種參數的影響，一個簡單的參數KH遠不能描述復雜的真實的施工情況。而后兩種方法，是在大量實驗及工程項目施工數據的基礎上得出的，較全面地考慮了泥漿濃度、土顆粒直徑、土顆粒比重、細砂含量、葉輪直徑等參數的影響，更加貼合真實的施工情況。

表2 揚程及生產率不同算法的對比Table 2 Comparison ofpum ping head and productivity

圖3 工況點和工況區（規范算法）Fig.3 W orking condition points and working condition areas(canonicalalgorithm)

圖4 工況點和工況區（Hr簡化法）Fig.4 W orking condition points and working condition areas(H r)

圖5 工況點和工況區（H rEr完整法）Fig.5 W orking condition points and working condition areas(HrEr)

2.2 東莞施工案例

2011年天鯨號在東莞施工，土質為粉質黏土+中風化頁巖，巖石飽和抗壓強度5～12 MPa，屬于軟質巖石。施工工況為水下泵+2號泵，水下泵轉速為200 r/min，2號泵轉速為278 r/min，以泥漿密度分別為1.05 t/m3、1.07 t/m3、1.10 t/m3、1.14 t/m3時的數據作為樣本進行分析計算[5]。

根據施工數據進行分析[6]，見圖6，圖中實線為2號泵278 r/min時的清水特性曲線，不同形狀的散點分別為泥漿密度為1.05 t/m3、1.07 t/m3、1.10 t/m3和1.14 t/m3時的施工數據。

圖6 天鯨號2號泵泥漿特性施工數據Fig.6 Construction data of slurry properties of No.2 TianJing Hao pum p

根據施工數據和泥泵的清水數據，以規范方法為基礎，反分析出泥泵泥漿揚程土質換算系數。計算結果分別見表3。

表3 泥泵泥漿揚程土質換算系數Table 3 The soil proper ty coefficient conversion factor of the discharge distance of slurry in dredge pump

對于類似東莞粉質黏土+中風化頁巖的混合性土質，規范算法沒有給出相應的系數，Hr簡化法和HrEr完整法也沒給出類似的實驗數據。但是在規范算法的基礎上，通過反分析方法可以求出系數KH，因此對于混合土質，規范算法+反分析法能互相彌補不足，可對施工進行更準確的預測。

3 結語

通過對比3種泥泵泥漿揚程的計算方法可以看出，對于曹妃甸粉砂土質，規范算法的計算較實際數據偏低，有很大的局限性，而基于實驗和施工數據的Hr簡化法和HrEr完整法的計算結果更能反映實際的施工情況，實際施工中推薦采用考慮因素更為全面的HrEr完整法。

對于混合性土質，各種模型都難以給出具體的計算方法，但是通過反分析方法可以求出泥泵泥漿揚程系數KH，同時可以看出系數KH是隨泥漿密度而變化的，這表明，在較豐富的施工數據的基礎上，反分析方法能很好地彌補這一不足。因此通過大量工程數據的反分析建立泥泵特性數據庫，能更加真實地反應實際的施工情況，并為施工生產提供更為準確的參考及預測，這也是疏浚企業技術積累的目標之一。

[1]JTS 181-5—2012，疏浚與吹填工程設計規范[S]. JTS 181-5—2012,Design code for dredging and reclamation works [S].

[2]JTS 207—2012，疏浚與吹填工程施工規范[S]. JTS 207—2012,Construction code for dredging and reclamation works[S].

[3]WILSON K C,ADDIE G R,SELLGREN A,et al.Slurry transport using centrifugal pump[M].The Netherlands:Kluwer Academic Publishers,1996.

[4]WARMAN.Slurry pump handbook[K].2009.

[5]中交天津航道局有限公司.無掩護絞吸船挖巖施工工藝研究[R].2013. CCCC Tianjin Dredging Company Ltd.Cutter suction dredgers rock excavation technology research[R].2013.

[6]天津市航浚科技服務有限公司.絞吸挖泥船泥泵輸泥計算手冊[M].1996. Tianjin Hang Jun Technology Services Ltd.Cutter suction dredger pump transport calculation manual[M].1996.

Com parative analysis and engineering app lication of pum p head calculation models

TIAN Hui-jing1,ZHANG Lei1,QIN Liang2,LIZhang-chao3
（1.CCCC Tianjin Port&Waterway Prospection&Design Research Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China; 2.CCCC Tianjin Dredging Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China;3.Tianjin Key Laboratory for Dredging Engineering Enterprises, Tianjin 300457,China）

Based on the DTAS system developed by Tianjin Dredging Company and with construction data from Caofeidian and Dongguan projects as

respectively,we performed analog computation of construction sites using 4 methods of calculating dredge pump slurry head,that is,the standardized method,the Hr reductionism method of GIW,the HrEr comp lete analysis method of Warman,and the back analysis method.Comparing with the construction data,we drew the conclusion that for silt soil of single property in Caofeidian,the calculations with the standardized method was rather low while the results with the Hr reductionism method and the HrEr complete analysis method were close to the actual construction data.Therefore,the HrEr method should be recommended in the construction.For the m ixed soil of Dongguan,the standardized method and the back analysis method can work together to get the coefficient KH,and thus lay the foundation for further construction analysis and calculation.The result recommends that for the calculation of different construction soil,suitable calculation model should be selected to make more accurate construction predictions.

dredger delivery system;DTAS;dredge pump slurry head;characteristic curve;operating condition area

U616.21

A

2095-7874（2016）11-0017-04

10.7640/zggw js201611004

2016-05-31

2016-07-08

國家科技支撐計劃課題項目（2014BAB16B03）

田會靜（1982— ），女，天津市人，碩士，高級工程師，水利水電工程專業，主要從事疏浚技術研究工作。E-mail：tiantian9804@163.com