海貍3800型絞吸式挖泥船開挖粘土與粉質粘土生產率探討

□沈 丹(中國水電建設集團國際工程有限公司)

□周 林(中國水電建設集團港航建設有限公司)

我國南方地區水系比較發達，疏浚與吹填工程多以在內河、湖區施工為主。在湖區的上層土質多以粘土與粉質粘土為主。絞吸式挖泥船在對粘土與粉質粘土施工時，生產率與預算定額的生產率相差很大。結合吳江汾湖開發區堆土工程，探討海貍3800型（J03）絞吸式挖泥船在湖區開挖粘土與粉質粘土時的生產率。

海貍3800型挖泥船的主要性能參數如表1。

表1 荷蘭IHC海貍3800絞吸式挖泥船主要參數表

吳江汾湖開發區堆土工程取土區為元白蕩，淤泥層很薄，而粉土層又集中在-6m以下（設計挖深-8m），本工程取土主要是開挖粘土與粉質粘土，土質參數為：含水率w%=27%，比重Gs=2.74，重度 =19.5kN/m3，空隙比 e0=0.8，飽和度 Sr=95%，液限WL=38.2%，塑限Wf=20.5，塑性指數Ip=17.7，液性指數IL=0.56，標貫N=10。

對于粘土與粉質粘土，影響挖泥船生產率主要因素有絞刀挖泥量與泥泵輸泥量，二者的低者決定著挖泥船的生產率。

1.影響效率的參數

絞吸式挖泥船在挖泥過程中，為了達到最佳生產率，應根據土質、泥層厚度和挖深，掌握好絞刀前移距、切土厚度、橫移速度和絞刀轉速等。挖泥量Q=f（H,L,V）。下面分別探討各因素對挖泥量的影響。

1.1 切土厚度(h)

J03配備的絞刀為閉合球狀絞刀，適合挖粘性土、砂土、碎石。絞刀參數：功率 552kW，Dmax=2.9m，Dave=2.15，鉸刀長 =1.9m，刀臂數=6，刀片數=6×8。

絞刀切土厚度主要由絞刀尺度和土質情況而定，一般不大于一個絞刀平均直徑，粘土與粉質粘土土質較硬，切土困難，在施工時偶爾還會出現跑刀現象，所以h=(0.5～1.0)絞刀直徑，甚至更小，施工時切土厚度在0.65m左右。

1.2 前移距離（L）

前移距離是保證泥泵輸送泥漿濃度，提高生產率的重要因素。前移距主要由土質、泥層厚度和絞刀長度決定。前移距一般選取絞刀長度的0.5～1.0倍，以不出現遺漏泥土為原則，施工時每次前移距離約為1.5m左右。

1.3 橫移速度（v）

橫移的目的是為了泥泵能夠得到合適的泥漿濃度，即絞刀切削下的泥土能夠完全予以水力轉移。如果橫移速度過高，絞刀單位時間切削土量大于泥泵輸送能力，會造成土方遺留水底，還能使絞刀原動機負荷增大；反之橫移速度過低，泥泵的輸送能力不能充分發揮而使生產能力下降。J03橫移速度控制在6m/min左右。

1.4 絞刀轉速

絞刀轉速主要由土質、橫移速度、絞刀驅動裝置的特性決定。絞刀轉速可按下式計算得出：

需要的絞刀轉速=橫移速度/（需要的切土厚度×刀片數）；實際生產中在開挖粘土與粉質粘土時絞刀轉速為31r/min。

切土厚度、前移距離、橫移速度和絞刀轉速4個參數主要靠經驗確定。對影響挖泥量各因素分析，可用下面公式計算出絞刀的生產率：

W=60VL(h-△h/2)

式中：W—絞刀挖掘生產率（m3/h）；V—橫移速度(m)；L—前移距離(m)；h—絞刀入土深度(m)；△h—超深(m)。

W=60VL(h-△h/2)=60×6×1.5×(0.65-0.1/2)=324m3/h

對于粘土與粉質粘土由于切下來顯塊狀，且絞刀下水流不暢，泥土更難吸入，憑經驗考慮其吸入一般在80%左右。

W吸=324×80%=260m3/h

綜合以上因素,J03在粘土與粉質粘土施工時生產率在260m3/h左右。

2.泥泵與生產效率關系

泥泵是絞吸式挖泥船水力輸送泥漿的關鍵設備，泥漿運行的好壞直接影響到生產率。泥泵的性能參數有：揚程、流量、功率、效率、泥漿濃度與泥漿比重等，它們之間存在相互影響、相互制約的關系。分析泥泵生產率計算式M=QP可知，流量與泥漿濃度是衡量絞吸式挖泥船施工效率的兩個重要參數，可以從提高兩個參數入手來提高生產率。

2.1 泥漿濃度恒定的情況

施工中假設泥漿濃度恒定，則小時生產率M與泥漿流量成正比，在單位時間內流量增加即土方排出量也隨之增加，從而提高生產率。泥泵在某一工況下輸出流量額定，欲使流量增加，由泥泵特性曲線可知，流量與揚程、功率之間密切相關。流量增加相應的泥泵輸出揚程下降而輸出功率增加，但還要考慮工作點移動時工作參數也隨之變換，變換后參數能否變化滿足工況需求和泥泵工作負荷，故流量受輸泥特性限定，一般泥泵排泥流量達到一個定值后便不再提高。我們采用染色法測量平均流速，排泥管直徑為700mm，排距為1950m，根據下列公式計算流量：

Q=A·V

式中：Q—流量（m3/s）；V—流速（m/s）；A—排泥管的橫斷面面積（m2）。

V=L/(t1-t2)

V=L/(t1-t2)=1950/755=2.6m/s

Q=A·V=3600×3.14×0.352×2.6=3600m3/h

J03在粘土與粉質粘土施工時流量為3600m3/h。

2.2 流量恒定的情況

施工中假設排泥流量恒定，則小時生產率M與泥漿濃度成正比，提高泥漿濃度可使泥泵生產率提高。一般情況泥漿可輸送濃度在0%～30%之間，我國一般取10%，但泥漿濃度也不能提太高，如果超高吸排部分揚程損失增高，泥泵排出壓力也必須增加。如果超過泥泵負載能力則可造成泥泵排出下降，會造成排泥管內積存泥漿甚至出現堵管。同時真空度增高至允許吸入上線時，泥泵發生汽蝕現象使得運行狀態失常。施工時一般真空度維持在0.4～0.5bar之間，超過0.5bar管口就會出現泥條甚至出現堵管。通過試驗測得泥漿密度γm為1.09t/m3。泥漿濃度可按下列公式計算：

式中：γm—泥漿的密度（t/m3）；γw—水的密度（t/m3）；γ0—密實土的密度（t/m3）。

J03在粘土與粉質粘土施工時泥漿濃度為9%。

2.3 其他影響因素

此外土質的輸送性與排距對泥泵的生產率也有影響。粘土具有粘結力強的特性，塊體越大其輸送效率越低。長排距施工出現的主要問題是由于泥泵輸送阻力增加而使泥泵排出壓力加大，為了防止排泥管內流速下降出現堵管現象，又要求泥泵有一定的排出流量，從揚程曲線可知，兩項要求是矛盾的。

對影響泥泵生產率的各因素分析，由泥泵生產率計算式M=QP可以計算出在粘土與粉質粘土施工時泥泵的生產率，由于流速與泥漿濃度是在兩個任意時間試驗得到的，所以求得的數值也是偶然值：

M=QP=3600m3/h×9%=324m3/h

而J03在額定滿負荷工作時流量為7250m3/h，我國的泥漿濃度取10%，所以J03泥泵滿負荷產量為M=QP=7250m3/h×10%=725m3/h，由此可見，施工時泥泵不能有效發揮其功率。

3.結論

通過對影響挖泥船生產率的各個因素分析，海貍3800型（J03）在湖區開挖粘土與粉質粘土時的生產率主要受絞刀挖泥量制約。J03在粘土與粉質粘土施工時生產率在260～320m3/h，但隨著外界因素的改變其生產率還是會改變的。通過真實工程經驗，可進行挖泥船技術改進，將原有球狀絞刀頭改為錐式、直徑也可從2.9m減小到2m、刀臂改為4刀臂，從而提高生產效率,降低每立方米油耗,帶來可觀利潤。