淺談疏浚技術的發展方向

王剛

（長江武漢航道工程局，湖北 武漢 430014）

幾個世紀以來，水一直都是人類的朋友和對手，我們利用水來進行貨運和客運，但在風暴和洪災期間，我們又要設法逃生。我們興建港口航道以滿足運輸需要；興建堤壩和其它建筑物以抵抗洪水以及在海上吹填造陸等等。因此，疏浚設備是必不可少的工具。

1耙吸挖泥船的設計

對于疏浚業來說，吹填造陸是其中一個主要業務領域。在世界許多地方，工業園區的需求在不斷增加，例如機場、集裝箱碼頭或工業廠房、住宅區等。新加坡吹填工程和阿聯酋迪拜棕櫚島I、Ⅱ期大型吹填工程就是一些大規模吹填造地的例子。工程必須開挖和運送千百萬方砂來填筑吹填區和連接島嶼；現有航道必須浚深以通航更大型船舶；環保、地理和政治因素也可能會導致挖泥船運距加長和必須在更深水域施工等。

這些限制條件都要求有更大艙容和更高效率的大型耙吸挖泥船來施工，尤其是當航距不斷增加的情況下，大艙容耙吸船比小艙容耙吸船的采砂成本更低。1992年以前，耙吸船的最大艙容都不超過10000m3，其后，艙容則不斷增加。

2開溝和開挖深坑開溝是海床管線鋪設的預備工作。

視土質情況而定，開溝方法多種多樣，其中一項就是采用疏浚方法。

在完成開溝和鋪管工作后，有時還需要覆蓋，以保護管線。覆蓋施工方法很多，例如拋石法、自然海流法和通過耙吸船吸管回埋法。借助吸管將沙從泥艙泵送到溝槽進行回埋作業。

現在，許多大型耙吸船都擁有深水開溝或為保護海上油氣開采設備的進行所謂的大深坑開挖功能。

“Vasco da Gama”號安裝了挖深達160m的深水開挖設備。為達到160m挖深并保證足夠的泥泵吸入壓力以維持泥泵正常功能，該船的1400mm直徑吸管上安裝了功率高達6500kW的高效潛水泵。

3有限元法

在挖泥船設計過程中，有限元法（FE法）是必不可少的。這些計算方法的專業應用可獲得強固的船體結構，同時重量卻相對較輕，使船船獲得更多的裝載量。

由于在外海環境下疏浚施工以及連續不斷的裝艙卸艙過程，耙吸挖泥船的船體要在強侵蝕環境下經受各種周期性荷載。耙吸船的設計特點包括較小的艙容/船長比，這意味著荷載主要集中在船中部，導致較大的船體大梁彎矩和高剪切強度。

此外，由于采用大功率挖掘設備以及帶艙底泥門的泥艙結構布置，不可避免地要求船體采用大量不連續性設計。

為優化船體的應力重量比以及最大化船體細部結構的強度和疲勞壽命，采用了有限元計算方法。

大型絞吸挖泥船在開敞水域施工時要承受因波浪和開挖巖石時船體振動而產生的大幅波動的荷載。

船舶與海床之間以及橋梁耳軸與定位樁臺車之間的船體形成（撓性）連接的位置上發生裂紋的概率相對較高。

應用有限元計算法可最大限度地減少應力集中出現并提高疲勞壽命。有限元計算法進一步應用于優化絞刀橋梁與定位樁的強度和硬度。為了避免因振動產生的共振或過度變形，目前IHC公司正在建立一個絞刀橋梁與船體的有限元模型以判斷這種振動特性。

4高航行效率船舶的航行阻力取決于船體周圍的水流和航行過程中船舶所產生的波浪。

通過適當的船體設計，可以大大地減少航行阻力并提高船舶的總能量效益。船頭設計尤為重要，許多大型船舶在船體水淺處安裝了所謂的球鼻（即人工鼻），球鼻改變了船體四周的水流狀態，結果減少了波浪造成的航行阻力，因為船舶產生的波浪主要由船頭形狀決定。精心設計的球鼻船頭產生的波浪遠小于傳統船頭的波浪。

根據利用CFD計算法獲得的船體設汁經驗，IHC公司設計出一款形狀特別的船尾。船尾設計獲得一個進入推進器的理想水流通道，可以減少推進器振動并獲得更高的效率。

5流體動力計算（CFD）

CFD方法可計算出這些船體設計變化的結果。如上所述，船頭對航行效率有很大的影響，同樣，船體與推進器之間的相互作用可通過CFD方法計算。

船體產生的渦流對航行效率有一定影響，并可能產生振動。CFD方法可為優化船舶設計提供數據，并最終獲得最佳的水流進入推進器。

對于挖泥船，風、波浪和潮流作用方面的數據對于預測不同天氣狀況下的船舶操縱性能是必不可少的。通過使用CFD計算方法獲得的某些系數可以預測操縱性能。

6泥泵IHC公司開發出高效泥泵，在同等安裝功率情況下可獲得比普通標準泥泵更高的產量。

為確保泥泵性能和預測耐磨性，在IHC公司的研究部門（荷蘭MTl）進行了由CFD分析方法輔助進行的實驗室研究。荷蘭MTI有一套可測試泥泵的環路，環路管直徑為300mm，可提供可靠的實型泵試驗結果。為了提高產量，現代耙吸挖泥船都裝有射流泵，其一般有3項主要功能：

（1）使底土流體化并減少耙頭所需切削力。

（2）使泥艙疏浚土在卸艙期間流體化，以縮短卸艙時間。

（3）卸艙后清洗泥艙。

為了防止射流水中有時夾帶過多沙粒造成高磨損率，多功能、小型高效泥泵越來越多被用作射流泵。

為了優化疏浚效率，疏浚過程中的泵速必須根據真空度、泥漿流速和泥漿濃度等疏浚參數進行優化凋整。

IHC公司開發的Variblock齒輪箱是一種可連續變速傳動齒輪箱，它可在恒定輸入功率和速度情況下以最小的功率損失提供輸出速度的變化，可實現各種輸出速度，例如，在輸出速度15%增減幅度內，齒輪箱總效率達94%.Variblock齒輪箱可避除非自航吸揚挖泥船（例如絞吸挖泥船）在不同管線長度情況下對葉輪直徑的調整。其投資額遠低于一個泥泵電動裝置，而且所有液壓配件在全球可即時供應。

7耙頭耙吸挖泥船的耙頭對挖泥船的性能有很大影響，因此其設計、質量和多用途性是至關重要的。

盡管挖泥產量主要由耙頭寬度、開挖厚度和航速決定，而其它因素也起著重要作用。例如所需拖曳力等。耙頭設計通常會詳細考慮疏浚過程的所有其它主要因素。

多年來已經開發出多種類型的耙頭。最初，耙頭完全根據沖刷原理設計：即在耙頭活動擋板與底床之間產生水流。例如，IHC公司的Dutch（荷蘭）型耙頭，水流主要從擋板后面進入耙頭，而Califoenia（加利福尼亞）型耙頭的水流則主要從擋板兩側進入。

耙頭借助底床上的水流在底床與耙頭之間產生的壓差，將底土疏松并挖起。最新式的現代耙頭則在整個耙頭寬度的固定部件裝有射流裝置，在活動擋板上裝有切割刀片或切削齒，借助上述兩者的共同作用，可降低耙頭所需的壓差，同時產量卻可大大提高。通過調節擋板后側的進水瓣，可供給足夠的額外用水。

在某些情況下，泥漿濃度和射流水量很高，只需較少的額外供水量。有時，擋板通過液壓缸保持在與耙頭固定部件與耙頭固定部件一定的相對位置，使之能夠抵消因切削刀造成的上沖運動，這可采用一個預調切削力完成。

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