拼裝式小型絞吸船遠(yuǎn)距離多級接力泵送吹填工藝在疏浚工程中的應(yīng)用

◎ 沈如健 覃耀童 中交廣州航道局有限公司

圖1 項目平面布置圖

1.工程概況

建于上世紀(jì)60年代的八尺門海堤工程，截斷了東山灣與詔安灣的水體交換，造成海峽水體交換受阻，淤積嚴(yán)重，低潮露灘面廣，高潮水深小。本工程主要為海堤拆除后的水道清淤，清淤寬度100m、長度6400m，工程量約139萬m3，疏浚土均運(yùn)輸至10km外的紅樹林種植區(qū)。由于八尺門海域至紅樹林種植區(qū)的原始水道狹窄，且受多座大橋限制，無法滿足大型清淤船只作業(yè)，極大增加了施工難度。為加快項目推進(jìn)，在傳統(tǒng)抓斗配小型泥駁清淤工藝的基礎(chǔ)上，增加小型絞吸船遠(yuǎn)距離多級接力泵送吹填工藝共同疏浚作業(yè)。

2.設(shè)備選用及排距計算

2.1 設(shè)備選擇與參數(shù)

該項目共投入一艘泥泵型號450PNS-50、額定轉(zhuǎn)數(shù)650r/min、軸功率600KW的小型絞吸船，配套柴油機(jī)額定功率680KW、轉(zhuǎn)數(shù)1500r/min。接力泵站采用浮箱，內(nèi)設(shè)泥泵和柴油機(jī)，泥泵型號400PNS-30、額定轉(zhuǎn)數(shù)730r/min、軸功率250kW，配套柴油機(jī)額定功率300kW、轉(zhuǎn)數(shù)1000r/min。

2.2 接力泵站浮力計算

1）接力泵站浮箱重量計算。浮箱尺寸：8.1m×3.6m×2.8m，采用12mm厚鋼板焊接，鋼板密度一般為7.85g/cm3，殼體重量約11700kg，其他構(gòu)件等重量約6500kg，總計約18200kg。

2）接力泵站設(shè)備重量計算。柴油機(jī)3100kg，泥泵（含底座）3600kg，1000L柴油重約840kg，管線等其他設(shè)備約3000kg，合計約10540kg。

3）管線泥漿重量計算。接力泵站工作時，內(nèi)外Φ400mm管線泥漿重量對接力泵站影響的折算長度約25m。根據(jù)泥漿濃度公式：

4）浮箱浮力計算。浮箱高度2.8m，外接排泥管法蘭口底距殼底1.6m，距殼頂1.2m，即接力泵吃水不大于1.6m均滿足管線拼接作業(yè)要求。根據(jù)浮力公式：

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式中：F浮為浮箱浮力；液為海水密度，取1.025t/m3；g為重力加速度，為9.81m/s2；V為浮箱排開液體的體積。經(jīng)計算浮箱吃水h=1.1m＜1.6m，滿足工作要求。

2.3 柴油機(jī)性能匹配計算

根據(jù)柴油機(jī)功率公式：

式中，N為柴油機(jī)額定功率kW；N1為泥泵軸功率kW；K為儲備功率系數(shù)，一般為1.1～1.5；η為傳動效率，一般為0.96～0.98，取0.98。經(jīng)計算接力泵站柴油機(jī)儲備功率系數(shù)K=1.17＞1.1，絞吸船柴油機(jī)儲備功率系數(shù)K=1.11＞1.1，均滿足正常工作需求。

2.4 接力泵站排距計算

實(shí)際液體恒定總流能量方程式：

式中：Z1、Z2為排泥管兩端標(biāo)高；P1、P2為排泥管兩端壓強(qiáng)，實(shí)測P1=0.5 Mp a、P2一般不小于0.1MPa；v1、v2為排泥管兩端流速，一般v1=v2；α1、α2為排泥管兩端動能校正系數(shù)，均取1.00；g為重力加速度；為泥漿密度；hW為總水頭損失，包括沿程水頭損失Hf、局部水頭損失Hj及流速水頭損失H流。

式中：L為排泥管全長。水上浮管因橡膠接頭摩阻較大，通常將這部分長度乘以1.3～1.75，取1.75；水下沉管通常將這部分長度乘以1.0～1.1，取1.1；D為排泥管徑；v為平均流速；泥為泥漿密度；水為海水密度，取1.025t/m3；λ為摩阻系數(shù)，與管道內(nèi)流態(tài)、管壁特性有關(guān)，可通過雷諾數(shù)Re來判斷流態(tài)；ξ為局部水頭損失系數(shù)。

考慮到排泥管線內(nèi)泥漿流速無實(shí)測數(shù)據(jù)，采用最低實(shí)際流速（經(jīng)濟(jì)流速）作為平均流速計算值。根據(jù)淤泥臨界流速公式（8）和最低實(shí)用流速（經(jīng)濟(jì)流速）公式（9）：

式中：C為土粒體積濃度，實(shí)測為21%；ds為土粒平均粒徑，淤泥取0.03mm；g為重力加速度；D為排泥管內(nèi)徑，取0.40m；γS為土粒密度，實(shí)測為2.67t/m3。Kv為最低實(shí)用流速系數(shù)，淤泥、粉土Kv=1.10。將已知條件代入（8）（9）式中，求得經(jīng)濟(jì)流速vp=2.58m/s。

實(shí)際兩臺接力泵之間采用360根8m長PE沉管連接，接力泵兩端各拼接1m橡膠短管，管線全長2882m，且兩個接力泵排泥管接口標(biāo)高相同。那么，兩個接力泵之間的總水頭損失hw僅考慮沿程水頭損失Hf及流速水頭損失H流。在計算總水頭損失hw前，先根據(jù)雷諾數(shù)公式Re判斷管道內(nèi)泥漿流態(tài)：

式中：v 為管中平均流速；d 為管道直徑，即0.4 0m；μ泥、μ水為泥漿及相同溫度清水的黏性系數(shù)；Sv為泥漿濃度，實(shí)測為21%。根據(jù)東山縣年平均氣溫23℃，查水的粘滯系數(shù)表求得μ水=0.9358×10-3N·S/m2，則Re=8.51×105>2300，為紊流。查詢實(shí)用管道當(dāng)量粗糙度表，PE管道絕對粗糙度ε=0.01mm，則ε/d=0.01/400=2.5×10-6，查詢穆迪圖可知λ=0.012。代入（4）公式，求得P2=0.123MPα>0.1MPα，滿足接力泵使用要求。若P1=0.5MPα、P2=0.1MPα，求得L最長=3404m÷1.1=3095m>2882m，滿足接力泵使用要求。

2.5 絞吸船排距計算

1）絞吸船吸口至1#接力泵局部阻力系數(shù)計算。根據(jù)《疏浚與吹填工程設(shè)計規(guī)范》（JTS 181-5-2012）查詢管線局部阻力系數(shù)，彎管阻力系數(shù)按下列公式計算，具體詳見表1。

表1 局部阻力系數(shù)計算結(jié)果統(tǒng)計表

式中：D為管徑m；R為彎管曲率半徑m；α為彎曲角度。

2）絞吸船吸口至1#接力泵沿程阻力系數(shù)計算。根據(jù)實(shí)用管道當(dāng)量粗糙度表，新的鑄鐵管道絕對粗糙度ε=0.2 5 m m，則ε/d=0.25/450=5.56×10-4，查詢穆迪圖可知λ=0.017，具體詳見表2。

表2 沿程阻力系數(shù)計算結(jié)果統(tǒng)計表

3）吸泥管系平均流速vs計算。絞吸船作業(yè)時，泥泵前端壓力為P1為0.014MPa；泥泵進(jìn)口中心線距離水面標(biāo)高0.1m；平均潮位值為1.18m，則Z1=1.08m；開挖底標(biāo)高-3.4m，則Z2=-3.40m；吸泥管系hw包括沿程水頭損失Hf、局部水頭損失Hj及流速水頭損失H流。代入公式（4）求得吸泥管內(nèi)平均流速vs=2.71m/s。

4）絞吸船排距計算。根據(jù)泥泵生產(chǎn)廠家提供的泥泵清水特性Q-H曲線，當(dāng)泥泵實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)600r/min、效率74%時，清水揚(yáng)程hw為50m，則泥泵泥漿揚(yáng)程應(yīng)按下式計算：

式中：Hm為泥泵泥漿揚(yáng)程；Hw為泥泵清水揚(yáng)程；KH為泥泵泥漿揚(yáng)程土質(zhì)換算系數(shù)，淤泥取0.75；γm為泥漿密度；γ為天然土密度，1.67t/m3；為泥漿體積濃度；γw為海水密度，1.0 2 5t/m3。代入公式（1 2）（13）求得泥泵泥漿揚(yáng)程Hm=56m。

絞吸船排距按管路輸送泥漿時實(shí)耗總水頭公式計算：

式中：vs、vd分別為吸排泥管平均流速；v 為管路排出口流速；λm=λw×γm為管路泥漿沿程阻力系數(shù)；Ls、Ld為吸排泥管總長；Ds、Dd為吸排泥管管徑；y為水面距離海底距離；Z為排高；∑ξms、∑ξmd分別為吸排泥管系局部阻力系數(shù)之和。將已知條件代入公式（14）求得絞吸船最大排距Ld=5096m。考慮到絞吸船作業(yè)時管線主要為浮管、沉管，其中浮管長度一般在200m左右，沉管長度=（5096-200×1.75）÷1.1≈4300m，則理論上可敷設(shè)管線長度在4500m左右。

3.接力泵站位置確定

考慮到絞吸船納泥區(qū)離疏浚區(qū)較遠(yuǎn)，沿線工況復(fù)雜，易受潮汐、水深、漁船等因素影響，接力泵站一般不能設(shè)置在最遠(yuǎn)排距位置上，仍需預(yù)留一定的管線富余長度。實(shí)際按2900m一段從納泥區(qū)沿著岸側(cè)灘涂向疏浚區(qū)敷設(shè)，共4段。接力泵站均放置在水道邊灘涂上，在不影響船舶航行的情況下保證冷卻水及油料供應(yīng)正常。絞吸船尾管長度因受疏浚區(qū)形狀、施工干擾、水深等限制，實(shí)際尾管僅敷設(shè)1600m，則全線總長約13.2km。

4.接力泵站啟動程序

清淤作業(yè)時，在通知接力泵站值班人員開啟泥泵前，絞吸船先啟動絞刀，并下放到開挖泥面；值班人員接受信號后，將柴油機(jī)啟動并合排，使泥泵保持低速運(yùn)轉(zhuǎn)，并打開吸泥口排氣閥，待排氣閥無空氣排出且滿泥后關(guān)閉。當(dāng)吸入口壓力大于0.1MPa時，再逐步提高柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，并將排出口壓力控制在0.5-0.6MPa之間。以此類推，依次啟動2#、3#、4#接力泵站。如遇清理絞刀頭、故障修理等停歇時間較長事件時，吹水0.5h后即可通知全線停泵排除故障。

5.施工效率分析

絞吸船的生產(chǎn)效率主要受土質(zhì)、絞刀功率、橫移速度、泥泵功率、挖深、接力泵功率、管線長度、時間利用率等因素影響，而本工藝絞吸船平均挖寬30m、挖深0.5m、進(jìn)尺0.8m，每橫移一次施工時間約2.5min，則絞刀挖掘小時生產(chǎn)率：w=30×0.5×0.8×60/2.5=288m3/h，泥泵輸送小時生產(chǎn)率：Qs=π/4×0.42×2.58×21%=245m3/h，取Qs為絞吸船生產(chǎn)率。考慮到絞吸船清理絞刀、移錨、接管、加油等影響時間較多，實(shí)際每天有效作業(yè)時間約12h，生產(chǎn)效率約2940m3。

經(jīng)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，停歇時間中清理絞刀占比約50%，為主要原因。針對該主要原因，施工現(xiàn)場增加一臺清障設(shè)備提前對疏浚區(qū)進(jìn)行清理，有效縮減了清理絞刀的停歇時間，作業(yè)時間平均延長約3h，生產(chǎn)效率提升至3675m3。該工程成功應(yīng)用了拼裝式小型絞吸船遠(yuǎn)距離多級接力泵送吹填工藝，使傳統(tǒng)抓斗配小型泥駁的投入數(shù)量大為減少，施工效率明顯提高，工程整體清淤進(jìn)度得到有效保障。

6.結(jié)語

通過對接力泵站及絞吸船總水頭損失、最大排距的計算，并結(jié)合工程實(shí)踐結(jié)果，本工程采用4臺接力泵串聯(lián)的吹填工藝滿足施工需要。為小型絞吸船遠(yuǎn)距離多級接力泵送吹填工藝技術(shù)的發(fā)展提供寶貴經(jīng)驗，也為大型絞吸船串聯(lián)接力泵技術(shù)的發(fā)展提供參考借鑒。