疏浚工程施工耙吸船裝艙效率分析

張志勇，嚴(yán) 娟

(長江水利委員會(huì)河湖保護(hù)與建設(shè)運(yùn)行安全中心，湖北 武漢 430010)

自航耙吸挖泥船(TSHD)是一種主要的疏浚施工船，具有良好的航海性能，自航、自挖自卸，不需要占用大量水域或封鎖航道，世界各國疏浚河港廣泛使用。在疏浚工程施工作業(yè)時(shí)，TSHD下放耙臂，通過耙頭疏松泥沙，再由泥泵將松動(dòng)的泥沙經(jīng)管路吸入泥艙完成疏浚。施工中，一般會(huì)采用邊裝艙邊溢流的工藝，以增加裝載量。這個(gè)過程中，部分細(xì)顆粒會(huì)隨溢流流出泥艙，這被稱為溢流損失。以合理的時(shí)間進(jìn)行裝艙溢流施工，使裝艙量最大化、溢流損失最小化，對耙吸疏浚而言是極其重要的。不同粒徑泥沙在裝艙過程中的沉積、沖刷等特性是不同的，并且會(huì)顯著影響裝艙溢流施工過程，這就需要開展針對性研究，掌握泥沙在裝艙過程中的運(yùn)動(dòng)特性，并據(jù)此確定合理的裝艙溢流時(shí)間等關(guān)鍵施工參數(shù)，進(jìn)而提高實(shí)際施工的裝艙效率。

目前已開展的相關(guān)研究有：Vlasblom和Miedema基于Camp模型的泥艙沉積理論研究；Ooijens在Camp模型中加入了動(dòng)力學(xué)計(jì)算，并通過大比尺模型實(shí)驗(yàn)測量了裝艙過程中的流速和濃度等；Cees van Rhee提出了裝艙過程的簡二維CFD計(jì)算模型。在這些研究中心，有些基于沉降理論估算溢流損失，有些是計(jì)算流體力學(xué)方法對裝艙溢流的流態(tài)過程進(jìn)行模擬，從而得到模擬計(jì)算的產(chǎn)量，Camp模型沉積理論的方法簡單快捷，但不能反映出泥艙結(jié)構(gòu)對溢流的影響；Van Rhee 的模型雖然模擬了裝艙的過程(包括溢流)，但是受制于二位模型的局限性，只能反映泥艙的基本結(jié)構(gòu)，并且僅對單一粒徑進(jìn)行了分析，而不能對多粒徑組泥沙的沉積特點(diǎn)及相互的影響進(jìn)行分析。

本文針對泥沙在裝艙溢流過程中的特性差異及對施工參數(shù)的影響，根據(jù)郝宇馳等由RANS方程與泥沙經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合所建立的裝艙溢流數(shù)值計(jì)算方法，分別基于長江口航道疏浚工程和長江下游12.5 m深航道疏浚工程施工現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，建立15 800 m3和11 800 m3耙吸挖泥船泥艙模型，具體模擬了細(xì)沙和粗沙的裝艙溢流全過程，對裝載量進(jìn)行了實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，并估算了溢流損失量，據(jù)此給出合理裝艙溢流時(shí)間等關(guān)鍵施工參數(shù)的確定依據(jù)。

1 模型基本方程

1.1 流體力學(xué)方程

基于流體不可壓縮的假定，連續(xù)性方程及動(dòng)量方程分別為

(1)

(2)

式中：VF為流動(dòng)的體積分?jǐn)?shù)；ρ為流體密度；RDIF為流體湍流擴(kuò)散項(xiàng)；RSOR為流體質(zhì)量源項(xiàng)，流體的速度分量(U,V,W)分別是對應(yīng)(x,y,z)坐標(biāo)系或(r，θ，z)坐標(biāo)系的對應(yīng)方向值；Ax，Ay，Az分別為3個(gè)方向自由面流動(dòng)的面積分?jǐn)?shù)；Gi為加速度。

1.2 泥沙運(yùn)動(dòng)方程

耙吸裝艙過程，包括泥沙的懸浮和沉積、沖刷、推移等運(yùn)動(dòng)過程。

1)懸浮沉積。泥沙的輸運(yùn)連續(xù)性方程為：

(3)

其中：cs,j為懸浮泥沙的濃度；u是水沙混合物的平均流速。

2)沖刷過程。Shields對各種泥沙顆粒進(jìn)行了臨界起動(dòng)試驗(yàn)，實(shí)測得到無量綱臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力與顆粒雷諾數(shù)的Shields關(guān)系曲線。隨著沉積面的升高，泥艙過流面積縮小，流速增大，達(dá)到臨界流速時(shí)，沉積泥沙再次起動(dòng)，由于起動(dòng)沖刷問題的復(fù)雜性，只能采用經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算此過程。根據(jù)資料，選用基于Mastbergen和Von den Berg[1]的經(jīng)驗(yàn)公式：

(4)

(5)

床面的Shields數(shù)θj則根據(jù)剪切應(yīng)力τ計(jì)算：

(6)

3)推移過程。推移是較大顆粒泥沙沿沉積面滾動(dòng)或跳動(dòng)形成的泥沙運(yùn)動(dòng)形式。選用Meyer，Peter和Muller的公式計(jì)算：

Φj=βj(θj-θcr,j)1.5

(7)

式中，Φj是無量綱推移質(zhì)輸送率，與單寬體積推移質(zhì)輸送率qj的關(guān)系為

(8)

2 邊界條件

2.1 壁面邊界條件

泥艙壁面定義為無滑移壁面邊界，在對稱邊界上流量通量為0，流體剪切應(yīng)力為0，即在與壁面邊界相鄰的水體周圍，固壁結(jié)構(gòu)是固定的；水體可以沿邊界自由滑動(dòng)，但不能穿透也不能拉開固壁邊界。

2.2 溢流邊界條件

為模擬溢流過程，設(shè)定了自由出流邊界條件，該條件實(shí)質(zhì)上是Sommerfeld輻射邊界條件，即在邊界上：

(9)

式中：φ為所要輻射的變量；C為波浪傳播的速度；n為輻射邊界的法向向量。

3 不同粒徑的裝艙特性分析

為了分析粒徑差異對裝艙過程的影響，設(shè)置與Miedema和Van Rhee相同的參數(shù)，泥艙艙容約15 800 m3。模擬選用的裝艙泥沙中值粒徑d50為0.4 mm的歐洲北海中沙。表1是模擬工況，計(jì)算時(shí)間為7 000 s。

表1 裝艙過程參數(shù)

各粒徑組在裝艙溢流的過程中溢流損失變化見圖1。

圖1 各粒徑組的溢流損失隨時(shí)間的變化

根據(jù)圖1可知，從實(shí)際來說，細(xì)顆粒泥沙溢流損失發(fā)生時(shí)間早于粗顆粒；從損失量來說，細(xì)顆粒泥沙也明顯大于粗顆粒。50 μm粒徑泥沙的溢流損失約占損失總量的50%，100 μm約占12%，200 μm約占18%，400 μm約占8%，600 μm約占6%，900 μm約占4%，1 200 μm約占2%。50 μm顆粒是溢流損失的主要部分，其溢流損失率(曲線斜率)隨著裝艙時(shí)間的增大而增大，其余粒徑組在5 600 s時(shí)刻前損失率較小，之后明顯開始增大。可以看出，各種不同粒徑的疏浚土在泥艙中的沉積、沖刷特性是顯著不同的，需要針對性的制定工藝，提高施工效率。

4 實(shí)船裝艙過程分析

4.1 細(xì)沙裝艙過程模擬

根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)圖，建立15 800耙吸挖泥船三維泥艙數(shù)學(xué)模型，根據(jù)長江口航道疏浚工程現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對裝載量和土方量的計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，并開展裝艙溢流損失分析。實(shí)船現(xiàn)場數(shù)據(jù)測試，施工參數(shù)見表2。

表2 鹽城大豐港典型裝艙過程參數(shù)

將現(xiàn)場實(shí)測裝載量與土方量(最終留在艙內(nèi)的泥沙換算為自然狀態(tài)下的重量)和模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，繪制裝載量曲線與土方量時(shí)間變化曲線，見圖2。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)基本一致。

圖2 15 800 m3裝艙過程對比驗(yàn)證

由于該工程疏浚泥沙顆粒較細(xì)，因此，在該段時(shí)間內(nèi)，通過裝艙最終沉積在艙底的泥沙較少，泥艙中大部分泥沙處于懸浮狀態(tài)。由于該工程實(shí)際施工中，挖泥船單次裝艙時(shí)間約1 h，因此將裝艙溢流過程的模擬時(shí)間擴(kuò)展到3 600 s，得到以下結(jié)果，見圖3。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在330 s時(shí)開始溢流，溢流泥沙含量隨時(shí)間逐步增大，約700 s時(shí)溢流泥沙含量的增長率明顯加大(對應(yīng)于溢流泥沙含量曲線的斜率變大)；1 000 s時(shí)達(dá)到145 kg/m3，之后增幅變緩，2 700 s左右時(shí)溢流泥沙含量達(dá)到270 kg/m3，逐漸接近裝艙濃度(裝艙入流泥沙含量約300 kg/m3)。由圖3可知，溢流損失率可分為低中高三個(gè)階段。2 700～3 000 s以后，總裝載量的增長比較有限，而溢流損失增幅明顯，說明此后的裝艙過程效率較低。建議裝艙時(shí)間為2 700 s，由于在具體施工過程中，還受到潮流、波浪、疏浚進(jìn)度、拋泥區(qū)位置、環(huán)境要求等因素的影響，因此，建議在確定裝艙時(shí)間時(shí)，綜合各因素確定。

圖3 裝艙溢流過程中的溢流濃度與溢流損失對比

4.2 粗沙裝艙過程模擬

長江下游12.5 m深水航道疏浚工程，疏浚泥沙中值粒徑d50為0.76 mm，施工船舶為艙容11 800 m3的自航耙吸挖泥船，根據(jù)施工記錄，航行運(yùn)距約46 km，裝艙時(shí)間約1.8 h。實(shí)處船測試數(shù)據(jù)作為模擬工況，模型計(jì)算時(shí)間為6 200 s。計(jì)算起始水深約3.0 m。

進(jìn)口采取現(xiàn)場實(shí)測的時(shí)間序列濃度值和入流流量值，11 800 m3的自航耙吸挖泥船泥艙分為4個(gè)入流口裝艙。裝艙模擬的相關(guān)參數(shù)見表3。工程現(xiàn)場主要為粗沙，因此泥沙在進(jìn)入泥艙后迅速沉積，圖4是15 800 m3的自航耙吸挖泥船泥艙內(nèi)的泥沙沉積情況模擬結(jié)果。可以看出，在1 500 s時(shí)，泥艙底部已經(jīng)沉積了大量的泥沙。

表3 裝艙模擬的相關(guān)參數(shù)

圖4 15 800 m3的自航耙吸挖泥船裝載過程對比驗(yàn)證

將現(xiàn)場實(shí)測的裝載量與土方量(最終留在艙內(nèi)的土方量)和模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，并繪制裝艙量曲線、土方量曲線和溢流損失曲線。通過對比可見，裝艙量和土方量的模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)是基本一致的，說明所建立15 800 m3的自航耙吸挖泥船泥艙粗沙裝艙的三維數(shù)學(xué)模型是準(zhǔn)確可信的。

通過對裝載曲線和溢流損失曲線的分析可知，由于粗沙顆粒粗、較易沉積。因此，在整個(gè)裝艙過程中，大部分泥沙都留在艙內(nèi)，并且沉積量較多。根據(jù)溢流損失曲線，溢流開始時(shí)間為2 460 s，其后，溢流泥沙損失比(每時(shí)刻溢流泥沙量相比于入流泥沙量的比值)迅速由0增加至4.5%左右(2 460～4 000 s區(qū)間)，后續(xù)溢流增量趨于平緩(4 000～5 500 s區(qū)間)，在5 500 s以后溢流損失量的增幅再次增大。

4.3 粗沙和細(xì)沙裝艙特性對比分析

將細(xì)沙和粗沙的裝載量、溢流損失量都除以各自的總量，轉(zhuǎn)化為相對值，得到圖5。由圖5中曲線對比分析，長江口航道疏浚工程為細(xì)沙，裝艙歷時(shí)較短，長江下游12.5 m深水航道疏浚工程為粗沙，裝艙濃度較小，裝艙歷時(shí)較長，由于粗沙較易沉積，因此，大部分都留在艙內(nèi)。從裝載量曲線來看，細(xì)沙和粗沙開始溢流的時(shí)刻都處于總時(shí)間的20%左右，之后裝載曲線斜率均開始變緩，但是粗沙的裝載曲線斜率明顯大于細(xì)沙，細(xì)沙在裝載總時(shí)間的60%時(shí)，裝艙曲線近乎水平，說明細(xì)沙的溢流損失占比較大，在該時(shí)刻以后的裝艙效率較低；粗沙在裝艙總時(shí)間的85%之前，還可以保持較高的裝艙效率。從溢流損失來看，細(xì)沙比粗沙溢流損失發(fā)生的快、溢流損失總量多。細(xì)沙的溢流損失基本和溢流同步開始，而粗沙的溢流損失則相對滯后于溢流開始時(shí)刻，這是因?yàn)榧?xì)沙在裝艙過程中處于懸浮狀態(tài)的多一些，粗沙則相對在底層分布的多一些。

圖5 細(xì)沙粗沙裝艙溢流特性對比

5 結(jié) 語

1)利用Miedema和Van Rhee的典型模型，分析了不同顆粒泥沙的裝艙特性，根據(jù)分析結(jié)果，從時(shí)間來說，細(xì)顆粒泥沙溢流損失發(fā)生時(shí)間早于粗顆粒；從損失量來說，細(xì)顆粒泥沙也明顯大于粗顆粒。

2)針對長江口航道疏浚工程和長江下游12.5 m深水航道疏浚工程實(shí)測數(shù)據(jù)，分別模擬分析了細(xì)沙和粗沙的裝艙溢流過程，并據(jù)此確定了合理裝艙溢流時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)。

3)細(xì)沙通過裝艙最終沉積在艙底的泥沙較少，泥艙中大部分泥沙處于懸浮狀態(tài)，艙過程可分為低中高溢流損失率三個(gè)階段，進(jìn)入高溢流損失階段以后，總裝載量的增長比較有限，溢流損失增幅明顯，裝艙效率較低，合理裝艙時(shí)間應(yīng)該選在高溢流損失階段。

4)粗沙在進(jìn)入泥艙后迅速沉積，溢流開始后，溢流泥沙損失比迅速增加至4.0%左右，后續(xù)溢流增量趨于平緩，在5 500 s以后溢流占比的增幅再次增大，由于粗沙可以一直保持一定的凈裝艙率，合理的裝艙溢流時(shí)間應(yīng)該結(jié)合水環(huán)境、拋沙距離等因素的影響，盡可能延長。

5)細(xì)沙粗沙開始溢流的時(shí)刻大致都處于總時(shí)間的20%左右，之后裝載曲線斜率都變緩，但是粗沙的裝載曲線斜率明顯大于細(xì)沙，細(xì)沙在裝載總時(shí)間的60%時(shí)，裝艙曲線近乎水平，說明細(xì)沙的溢流損失占比較大，在該時(shí)刻以后的裝艙效率較低；粗沙在裝艙總時(shí)間的85%之前，還可以保持一定的裝艙效率。從溢流損失來看，細(xì)沙比粗沙溢流損失發(fā)生的快、溢流損失總量多。細(xì)沙的溢流損失基本和溢流同步開始，而粗沙的溢流損失則相對滯后于溢流開始時(shí)刻，這是因?yàn)榧?xì)沙在裝艙過程中處于懸浮狀態(tài)的多一些，粗沙則相對在底層分布的多一些。