大型耙吸挖泥船裝艙系統設計研究

王振瑯，曾 湛

（708研究所，上海 200011）

0 引 言

耙吸挖泥船是自航吸揚式挖泥船，大型耙吸挖泥船設計有較大艙容的泥艙，用于邊耙吸疏浚，邊裝艙溢流沉淀，達到規定泥艙容重的裝載量，駛向目的地，由泥門卸泥或泥泵抽艙艏噴、吹岸圍海造田。隨著港口建設的發展，推動著疏浚業的前進，大型耙吸挖泥船也蓬勃發展。由于缺少有效的科學試驗，對提高裝艙效率、縮短裝艙時間、節能減排裝艙系統設計大部分是憑經驗及借助國際同類型船或母型船作參考進行設計，很少做充分的定量或定性分析。本文擬對裝艙系統的基本水力狀態及管系設備的幾種不同布置進行一些動態的定性分析比較，提出見解，供同行探討共勉。

裝艙系統主要包括裝艙管系、消能箱、溢流裝置、低濃度排放以及閘閥控制等。文章著重從疏浚系統中裝艙管系的走向、分流布置方式，消能箱形式、朝向與布置位置，溢流裝置的設計與布置等進行優化分析，設計研究。并對閘閥設置、低濃度排放作一闡述。

1 疏浚裝艙系統

裝艙系統是疏浚系統的重要組成部分，其系統樹詳見圖1。

2 裝艙管系的分流走向布置

裝艙管系的分流走向布置：設計者通常考慮的是如何確保偌大的泥艙裝艙效果及裝載平衡，采用何種形式裝艙，設置幾個入艙口，每個入艙口的間隔距離是多少。這就引入了疏浚的土質對其的影響。對不同的土質有不同的沉降速度及對泥艙的攪動，在同樣狀態下的不同漂移距離，這對裝艙的平衡都帶來了不同的影響，出現不同的結果，直接影響裝艙的效果。但是一條船的裝艙管系不能同時以滿足各種土質的沉淀速度和漂移的距離來考慮管系的入口數量、布置間隔，而通常是采用一種標準的土質——中性土作為設計的依據。例如沙質土的標準，d10取平均直徑 0.36mm，d90取平均直徑 0.16mm，d50取平均直徑0.23～0.25mm，然后兼顧不同土質進行調節，提高裝艙效果，達到裝艙的平衡性。裝艙管系的分流走向布置大致有如下2種方式。

圖1 系統樹

2.1 單主管分流

單主管分流為左右泥泵泵出的泥漿合流于主管輸送，然后多支管分流裝艙。這種布置方式，也有2種類型：一種為多支管分流，沿主管向兩側分流，每分支設閘閥調節，不設消能箱直接裝艙，見圖2；另一種為沿主管向支管分流，每分支設閘閥調節，由設置的消能箱裝艙，見圖3。

2.1.1 能量關系[1]

多支管分流的基本能量狀態：由于不設消能箱支管直接朝下裝艙，故流體將向下產生速度動能與重力勢能，若對泥艙產生的總能量不考慮運動中的熱能損耗則為：

圖2 單管分流多支管

圖3 單管分流消能箱

設置消能箱的能量狀態：由于支管水流朝下，隨即進入消能箱時具有的能量由消能箱吸收，然后減速，由消能箱排口水平排出拋遠入艙。此時水平動能消耗于噴距，其實際水平動能使泥漿向后或向前推移，若向后再回流，延長了沉降時間，有利于后部泥艙的裝載。而入艙為勢能，因為消能箱處于液面下，Δh=0，故其影響勢能為：

(1)、(2)式中：ρ——流體密度；

υn——流體具有的某種物理變化率，與通流面有關；

V——輸送管中介質的流速；

g——重力加速度；

Δh——噴口與溢流面的高度差；

Eε——多支管總能量；

Ev——多支管總動能；

Eg——多支管總勢能；

Eg′——設消能箱的總勢能。

從而可知采用消能箱可以大大減少入艙泥漿對泥艙的攪動，提高沉淀及裝艙效果。

2.1.2 兩者優缺點

前者支管多，分流進艙有利于裝艙平衡，施工簡單，但對泥艙攪動大，影響沉淀效果，裝艙效率較低。而設置消能箱，泥漿對泥艙攪動小，有利泥砂沉淀，提高裝艙效果，同時減少管系及閘閥數量，控制也較簡便。但裝艙的平衡性調整相對較差。兩者的初投入相差不多，而后者的效率更高，隨著時間增量而效益更加可觀，故后者優于前者。

2.2 雙管合流[2]

雙管合流為左、右泵泵出的泥漿分別為獨立的管系，輸送至消能箱前合流，通過閘閥進入消能箱，然后由消能箱擴散分流，見圖 4。或者不設消能箱，而采用雙管多支管分流通過閘閥入艙，見圖 5。該形式是為了防止裝載不平衡或單泵作業時作左右調整，即在兩主流管之間加一根串聯管用閘閥隔開。

這兩種形式的能量關系，如同單管分流的能量狀態，采用消能箱優于不設消能箱，而且不設消能箱還需增設串聯管，用以調節左右舷平衡。該串聯管不工作時間較多，需經常沖洗疏通，否則易造成堵塞。故宜采用消能箱在合流處設分隔坡道分流入艙，這樣也不受雙管裝艙不平衡的影響，且在兩管之間可不設串聯管。

圖4 雙管合流設消能箱

圖5 雙管分流設多支管

2.3 單管分流與雙管合分流

單管分流特點是雙泵泵出的泥漿先合成主管，再由主管分流支管進入消能箱擴散入艙。而雙管合流是雙泵泵出的泥漿到消能箱才合流。其區別在于泥艙段的管系是單根還是雙根，單根的直徑較大，雙根的直徑較小，對大型耙吸挖泥船而言，按同樣流量與流速進入消能箱后入艙的管系作等強度的比較，見表1。

表1 單管分流與雙管分流等強度比較

以上僅是從量化方面比較，只要設了消能箱，兩者的沉淀效果基本相同，若不設消能箱，宜采用單管分流，則對單耙作業時的裝載平衡調整有利，且可不設串聯管。

3 消能箱噴口朝向與布置

3.1 消能箱類型

大型耙吸挖泥船的消能箱通常有立式與臥式之分，立式消能箱一般為每個支管下接一個，消能箱的結構形式為側面百葉片狀，底部格柵狀，可開啟卸大石塊。另有喇叭口導槽消能形式的消能箱，大都用在中小型耙吸挖泥船上。

臥式消能箱近期在大中型耙吸挖泥船普遍使用，效果較好，該形式結構為管狀或矩形截面，中間上部設進口，一側或兩側分中間、左右開孔。開孔部位的前方與下方均采用格柵，兩側為封板，有利導流裝艙擴散，上側敞開便于提取石塊，疏通道口。該消能箱兩端橫向安裝于內艙壁，中間吊裝于橫梁上，中間集流處設分流耐磨坡道，既可有效分流又能均衡裝艙，是一種理想的消能方式。

現就大型耙吸挖泥船普遍采用的臥式消能箱進行分析。

3.2 消能箱噴口、管流同向與溢流筒背向

消能箱的安裝位置與單管分流、雙管集流無關，而與其流向和消能箱的噴口方向、溢流筒或溢流門的位置有關。

按圖6的布置，則艙面管系的泥漿對消能箱噴口a產生的流量近似為泵流量的2/3，而消能箱噴口c近似為泵流的1/3。因為艙面管的流體運動為直流，阻力系數為0.1，而途中的支管斜流分流處的阻力系數約為0.5，流速減緩，故按相差約1/3的量計算分析。如果艙面管流向相反，則噴口a的流量為泵流的1/3，而噴口c的流量為泵流的2/3。因為裝艙時大部分時間的溢流面與噴口流的高度差Δh為負值，故只作水平方向流動分析。

圖6 消能箱噴口、管流同向與溢流筒背向

式中：q——單位時間泵流入艙流量；

可以看出，若流向相反，則大流量入艙的消能箱距溢流筒近，其有效沉降時間較短，造成溢流損失較同向布置大。這充分說明隨流向不同，兩個消能箱入艙的流速也不同，泥漿沉降時間也不同，甚至溢流口沉降深度也不同。除此之外還需根據裝載泥沙的堆角來綜合考慮最后一個消能箱的安裝位置，然后可取2～2.3∶1的參數比值再確定第一個或其余消能箱的位置。

3.3 消能箱噴口、管流與溢流筒同向

按照圖7消能箱噴口與管流、溢流筒同向，同理則噴口d產生的流量為泵流的2/3，噴口b則為泵流的1/3。

圖7 消能箱噴口、管流與溢流筒同向

若管流向相反，如同3.2節的反證方式論證，此時會比3.3節同向的論證好，僅次于3.2節的最佳布置形式。由此可見，消能箱噴口、管流同向與溢流筒背向的形式大大優于消能箱噴口、管流與溢流筒同向的布置形式。

3.4 消能箱噴口雙向開口

該布置狀態如圖8所示，此時消能箱a、b口的總流量為泵流的近似2/3，而c、d口的總流量為泵流的近似1/3。由于雙向開口，則假設噴口面積為單側開口的1.5倍，那么流速按平均計算：

泥流入艙距溢流筒分別為：

a、b口距溢流筒平均距離為：

c、d口距溢流筒平均距離為：

從而可以看出以上3種布置狀態，對泥沙在過流面的沉降時間是顯然不同的

從上式可以看出消能箱雙向開口比背向單向開口差，優于消能箱噴口、管流方向與溢流筒同向的布置方式（如圖7），即噴口b、d裝艙效果最差。

圖8 消能箱噴口雙向開口

3.5 不同土質過流面流速與沉降關系[3,4]

以圖6的布置按平均流速作圖，泥沙通過消能箱后進入泥艙形成不同程度的攪動，使泥砂懸浮在溢流高度的過流面上運行，其運行速度與每處入艙量及會流量和泥艙寬度、溢流堰高度有關。而泥沙的沉降速度則與土質的類別有關，所以在過流面段內的兩者關系曲線如圖9所示。而低于過流面的泥沙，隨沉降深度的加深逐漸趨向垂直下降，而不受過流速度的影響，所以大部分的泥沙還是會在消能箱附近沉降，因此第一個消能箱可以考慮距溢流筒稍遠些。由于堆積高度的原因，底部逐漸向周圍擴張，以實現有效的裝載效果，因此，其堆角底部直徑應按設計土質計算，進而根據泥艙大小來確定各消能箱位置。

圖9 不同土壤過流面流速與沉降近似關系

4 溢流裝置與消能箱關系

溢流裝置有可調式溢流筒、舷側溢流門和環保型溢流筒等，這些溢流裝置可根據需要及船東的要求進行選擇、設計。可調式溢流筒的特點是泥漿水由船底排出船外，泥漿下沉向后漂移，對水面的污染不明顯，對螺旋槳的影響也少。目前大中型耙吸挖泥船都普遍采用該型溢流筒。舷側溢流門其特點是溢流的泥漿水通過邊艙排出舷外，泥漿水向舷外朝后漂移，對螺旋槳不產生影響，泥漿擴散沉淀，但對水面的污染較明顯，對疏浚區積泥影響較小。環保型溢流筒其特點是溢流泥漿通過過濾沉淀回艙，過濾水通過管道，水槽與高壓沖水泵吸口連通，供耙頭沖水。從而減少溢流水直接排出舷外污染海域、河道，起到環保的作用。溢流裝置的布置應遠離消能箱，消能箱盡量靠近泥艙壁布置，使泥漿水有足夠的沉降距離和時間，溢流筒的最后溢流面應接近泥艙的裝載線。

綜上可知泥沙在泥艙內流動距溢流筒越長，沉降的深度越深，溢流出的水越清，泥沙的溢流損失越小。這與不同的布置方式，噴口的朝向及開口數量都有極大的關系，所以溢流裝置的位置與消能箱的布置是密切相關的。因此，可以得出如下基本結論：

1)艙面管的流向應與消能箱的噴口同向，且與溢流筒背向較理想；

2)消能箱的噴口應背著溢流筒方向布置；

3)消能箱的噴口雙向開口會降低泥沙沉降時間，增加泥漿損失；

4)在保證最遠裝艙效果的前提下，兩消能箱間距對溢流筒之距比取1∶（2～2.3）左右為宜；

5)消能箱噴口中心應低于溢流面1m以上。避免攪動及流動；

6)最后的消能箱位置除考慮噴距及慣性流外，還應考慮泥沙的堆角形成的底部擴散面，對其應進行選取確定；

7)消能箱的數量應考慮疏浚土質的專用性或多樣性及泥艙大小；

8)裝艙的不均勻性，依靠控制閘閥調節。

5 裝艙系統設計

1)管系布置應綜合考慮全船布置的空間要求。

2)管系走向應考慮裝艙的均勻性和單耙作業工況；

3)閘閥安裝位置應盡量靠近分流管，并注意高度影響；

4)綜合考慮艙內泵與水下泵吸排管結合點的流道及閘閥設置，防止產生水擊現象；

5)控制溢流速度及流堰高度，溢流筒盆口流速建議取近似泥艙過流速度的平均值；

6)消能箱的布置注意噴口流對泥門桿的沖刷影響。

6 結 語

本文是作者從事大型耙吸挖泥船設計的部分體會，在目前尚無試驗條件的前提下，從布置的角度，對泥漿沉淀影響提出粗淺看法，并通過綜合的宏觀定性分析、推導，結合有關參考資料來論證設計裝艙系統及其布置的優化依據，供同行設計裝艙系統時探討參考。

[1]孔 瓏. 工程流體力學[M]. 中國電力出版社，1979.

[2]上海航道局. 新海豹譯文[Z].

[3]毛志銓. 泥船內泥砂沉降研究[Z].

[4]中國疏浚協會. 國內外疏浚設備技術性能手冊—水利疏浚及施工設備分冊[M]. 吉林科學技術出版社，2007.