新海鮫輪在增填沙工程施工中采用三泵串聯水力輸送分析
——以福建漳州古雷煉化一體化項目為例

呂兵

（中交上海航道局有限公司，上海 200082）

1 工程概況

福建漳州古雷煉化一體化項目百萬噸級乙烯及下游深加工裝置主廠區場地增填沙工程是圍堤與吹填相結合的特大型綜合工程，本工程吹填工程量約為1.08×107m3（斷面凈量）。沙料來源為兄弟嶼采沙區，屬中、粗沙質。本工程吹（回）填施工工藝流程如圖1 所示。

圖1 吹（回）填施工工藝流程圖

吹填施工要求：吹填過程應分級吹填，III-1 區域1 級層厚3.0 m，2 級層厚3.0 m，其余區域1 級層厚約2.5 m，2 級層厚大約2.0 m；吹填過程中一旦存在淤泥包，要及時處理。新海鮫輪參與施工的取沙區原始水深-4.5～-2.0 m，土質為粗砂夾淤泥，其中單位體積土中粉砂約占95%，淤泥約占5%，天然土密度約為1.785 t/m3；排泥管線長2 576～3 805 m，管徑850 mm，采用三泵串聯施工，排泥管出口加裝縮口（450～700 mm)，吹填土泵送至1～3 區。

2 施工中管道泥漿輸送分析

2.1 實用最低流速的確定

本施工區域土質為粗砂夾淤泥，其臨界流速按砂性土工況計算，計算如式（1）：

式中，Vc為土顆粒體積濃度，%；γm為泥漿密度，t/m3；γw為水密度，取1.025 t/m3；γs為土顆粒密度，t/m3；g為重力加速度，取9.81 m/s2；D為排泥管內徑，取0.85 m；Vss為顆粒在清水中的沉降速度，m/s；ds為砂粒平均粒徑，m。

由式（1）可以算出上述土質的臨界流速，見表1。

表1 不同土類、不同泥漿體積濃度的管路臨界流速計算值（管徑850 mm）

實用最低流速系數Kv取值見表2。

表2 實用最低流速系數Kv 取值表

據現場土質取樣分析和以往在廈門工地施工經驗Kv取1.25，能滿足現場管道輸送所需，現將此類土質的臨界流速和最低實用流速列于表3。

表3 不同泥漿濃度下的管路臨界流速和最低實用流速計算值（管徑850 mm）

在施工過程中，由于砂質較粗，管道中的泥漿流態在短時間內較難改變，如果追求高濃度施工且施工流速長時間介于臨界流速和最低實用流速之間，就有可能會發生堵管現象，因此在實際施工過程中，應保持足夠的流量和穩定的泥漿濃度，才能滿足船舶安全、高效和低能耗施工。

2.2 泥泵裝置系統工況區的選擇

泥泵裝置系統工況區的是指泥泵工作時的流量和揚程，要在泥泵驅動裝置（柴油機）允許工況內不超負荷，保持泥泵及其主機負荷在可用范圍之內，同時排泥管路能夠輸送，且磨損較小，并使土方生產率較佳。具體做法包括：

1）根據泥泵機組性能和取砂區土質，計算和繪制泥泵機組產生高濃度和低濃度下的H-Q曲線（H-Q曲線為流速-總壓頭曲線，表示壓頭和流量的關系）。

2）根據管線組成情況，計算和繪制高濃度、低濃度狀態下的管路特性曲線。

3）根據不同濃度計算和繪制在不同泥漿濃度狀態下的臨界流速的限制線。

在特定的管路條件下，由于施工過程中的泥漿濃度變化，泥泵特性曲線和管道特性曲線也在上下、左右變動，對于同一管道而言，輸送泥漿的濃度高低改變了管道中的阻力。綜合圖表、實際施工工況和排距變化，中粗砂土質條件下新海鮫輪的施工流速控制在5.5～6.3 m/s，保證了流速控制在臨界流速之上，還能在施工中盡量提高泥漿濃度，以達到提高船舶生產效率和降低能耗的目的。平均排距在3.3 km 時統計的典型運行參數見表4。

表4 平均排距在3.3 km 時統計的典型運行參數

從表4 中的泥泵機組運行參數可以看出，當濃度達到30%時，泥泵機已接近或達到滿負載運轉；當濃度達到40%時，已接近臨界流速，表明此時需要控制濃度，否則會出現堵管現象。

3 施工效果分析

新海鮫輪在排距為2 521～3 805 m 時的參數情況匯總表見表5。

表5 新海鮫輪在排距2 521～3 805 m 時參數情況匯總表

從表5 數據可以看出，新海鮫輪所采取的施工方案是較為合理的，主要表現在3 個方面：（1）泥泵轉速匹配和疏浚設備運行參數都均處于正常狀態，有利于泥泵機組柴油機功率的正常發揮，同時能避免轉速過高產生過大的船舶振動而影響設備使用壽命或增加不必要的設備維修。（2）施工時，最大泥漿濃度能達到40%以上，平均濃度控制在約30%，真空度不大于0.05 MPa 可以有效減小泥泵汽蝕現象，同時為提高泥漿濃度創造了有利空間。（3）施工時，泥漿流速基本控制在5.5～6.2 m/s，既能較好地保持管道中的流態，又克服了由于施工流速過大而造成管路摩阻較大，起到了節能降耗的作用，還能有效避免堵管的發生[1]。

4 二次取砂（粗砂）施工中的一些體會

1）對于管道輸送泥漿而言，由于砂質較粗，管道輸送阻力增加，泥泵裝置的工況點向左轉移，導致流量下降和泥泵有效揚程上升，當管道內流速低于泵送土質的臨界流速時，將導致泥漿顆粒在管道內沉淀，堵管的概率較短排距施工而言要大，因此，在實際工程施工中必須根據施工區的土質情況和船舶性能認真分析泥泵裝置運行工況區，使泥泵轉速匹配和運行參數均處于正常可控狀態，有利于泥泵機組柴油機功率的正常發揮，新海鮫輪正常施工時泥漿流速控制在5.5～6.2 m/s，在實用最低流速5.5 m/s 以上，較好地保持了管道中的泥漿流態。

2）粗砂挖掘施工情況下，泥漿在管道內的流態不易變化，不同濃度的泥漿在管道區域內形成不同的壓力區域，因而整條管線中的壓力分布極不均勻。因此，挖泥施工操作時應謹慎操作，保持適當的橫移速度，防止水下泵吸入真空過高，維持泥漿濃度穩定性，使泥泵的排出壓力、流量波動處于較小狀態。

3）施工過程中應橫移速度優先，在一定的橋架下放量和前移量下，較快的橫移速度能獲得更高的泥漿濃度，前提是在絞刀壓力、橫移壓力、流速不受限的前提下。當橋架下放深度和前移進尺一定時，生產效率高低取決于橫移速度控制。因此，準確合理的橫移操作是提高生產效率的主要手段之一，也是一個合格敬業的挖泥操作手素質的良好體現。

5 結語

新海鮫輪參與福建漳州古雷增填砂工程二次取砂（中粗砂）吹填施工，期間排距在2.5～3.8 km 變化，滿足最低實用流速的需要，按照土質和施工流量的需要，不斷調整泥泵機組轉速和串聯泵的匹配，力求安全、高效、低耗施工，每月產量均超過了7×105m3，達到了預期的目標。

目前，新海鮫輪針對二次取砂（中粗砂）、中排距工況，采用高效泥泵三泵串聯施工尚屬首次，許多施工技術與管理還處于探索階段，并且隨著工程的推進還會有更多意想不到的施工技術問題要去面對和解決。新海鮫輪在以后的施工實踐中，始終以在安全的前提下，提高生產效率、降低能耗為目的，不斷積累實際施工數據，認真研究分析探討，為今后疏浚技術研發和施工管理提供參考。