干船塢灌排水系統的設計及應用研究

武守元，王廣成

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

1 船塢灌水和排水系統的設計

1.1 船塢灌水和排水系統的選擇

實例工程為新建的兩個5萬t級造船塢，船塢的基本尺寸為：塢長215 m，塢寬41 m，塢底高程為-4.8 m。船塢的工作參數為：進出塢水位為4.70 m，設計高水位為6.72 m，設計低水位為0.47 m，平均高水位為5.39 m，平均低水位為1.06 m，極端高水位為7.47 m，塢頂高程為7.80 m。

該船塢為大、中型船塢。從經濟角度考慮，兩座船塢共用一套排灌水系統，在兩塢之間設置一座船塢泵房。船塢灌水系統采用單側虹吸灌水形式，排水系統與灌水系統結合設計。設置供電控制層、水泵設備層和流道層；船塢內設置壓載、沖洗和淡水供應系統、污廢水排放和消防系統以及結合水工結構排水減壓系統設置相關設施。

1.2 船塢灌水系統設計

船塢灌水系統采用單側短廊道虹吸灌水型式。虹吸灌水廊道布置為：進口斷面為2.1 m×1.5 m（寬×高），進口擴大喇叭口斷面為3.0 m×2.0 m（寬×高），進口上緣高程為-1.40 m，進口下緣高程為-3.40 m，至塢前水域底高程的距離為2.2 m。虹吸駝峰處的斷面為2.1 m×1.5 m，駝峰中心的轉彎半徑R=4.95 m，駝峰底部高程為7.80 m。虹吸灌水時，啟動真空泵抽氣引水，同時在駝峰處設有真空破壞閥。船塢的灌水時間約為2.0小時。在灌水系統的進口設有格柵，柵條間距取50 mm。

虹吸駝峰處設置抽真空裝置，由泵房內設置的2套真空泵抽吸，為1用1備，并兼顧排水虹吸管的抽真空。為減少單側灌水水流對船塢的影響，本設計灌水進塢廊道及消力池與排水進水廊道及集水池合用。由于兩個船塢共用一個灌水系統，設計在灌水廊道進入各自塢室前，分別設置雙向閘板閥。

船塢灌水量采用式（1）計算：

式中：

μ為灌水廊道流量系數，μ=1/(§J+§C+§W+§K+§S+§L+§Y）1/2，§J為輸水廊道進口阻力系數，一般取0.2，§C為輸水廊道出口阻力系數，通常取1.0，§W為輸水廊道彎管處阻力系數，取b/R=1.12，經計算[1]得§W=0.2，§K為輸水廊道出口擴大處阻力系數，§K=（1-W1/W2）2=（1-1.5 m×4 m/1.5 m×8.5 m）2=0.28，§S為輸水廊道進口收縮處阻力系數，查表[1]為0.36，§L為輸水廊道進口攔污柵阻力系數，§L=?（S/b）4/3=1.79（2/4）4/3=0.71，§Y為輸水廊道沿程摩阻損失的阻力系數，內襯鋼板取 0.01，因此流量系數μ=0.60（模型實驗測得為0.53～0.56）；

H為灌水初始水頭，H=9.3 m；

W為灌水廊道計算斷面面積，4.0 m×1.5 m。

灌水歷時由式（2）計算：

式中：W1為塢室水面面積。

虹吸灌水系統駝峰底最小壓力估算值按式（3）計算：

式中：

CP為壓降系數；

b為駝峰斷面高度，取1.2m。

1.3 船塢排水系統設計

排水系統的主泵采用潛水混流泵，輔泵采用立式離心泵。每套泵吸水型式采用單流道布置。主泵選用3套，交替全運轉。主泵為手動依次啟動，自動停泵，主泵最低停泵液位為-4.4 m。輔泵為3套，輔泵兼做船塢排雨水用泵，塢室內的初期雨水通過輔泵，排入塢室廊道內的污水接納管內，輔泵為按液位依次自動運行。經計算船塢的排水時間約為3.90小時（該時間計算以排水至塢底板為準）。塢內設置排水溝，溝寬0.8 m，坡度為1.5 ‰。

排水泵布置在泵房內，泵房布置如下：

1）流道層：該層與集水池同層并于灌水系統消力池合并，排水主泵在流道層的布置為每套泵設置單獨流道池，流道入口設導流板，泵喇叭口下設隔板的布置形式，流道長度取6.5D，寬度為3D，泵軸中心線距池壁取1.0D（D為主泵吸水口直徑），為防止進水流道旋渦的影響，主泵吸水口處設置導流板，在塢室進入集水池進口處，設置導流柵。塢室進集水池前設檢修閘門，閘門的起吊利用塢頂工藝吊機。

主排水泵的排水時間按式（4）計算：

式中：

V為船塢水量；

Q為每臺主泵的平均排水流量的總和。

主泵為虹吸出水，其揚程采用式（5）計算：

式中：

H為泵揚程（m）；

K為系數，取1.05；

h1為出口上緣的淹沒水深（m）；

h2為出水管和吸水管水頭損失（m）（包括沿程和局部水頭損失）；

h3為主泵啟動的最低水位與虹吸駝峰中心高差，主泵啟動最低水位取-4.4 m。

2）設備層：該層主要包括樓梯間、泵間、吊裝孔、泵的進、出水管路及附件，泵間內設有排水主泵、輔泵、壓載和沖洗水泵、消防泵以及排漬泵等。壓載和沖洗水泵為海水泵，主要滿足船舶壓載和沖洗要求。消防泵主要為船塢提供消防用水要求，消防用水亦為海水。壓載和沖洗水泵、消防泵的吸水管為兩根DN600，相互備用，吸水管的取水液位為-1.0 m（低于設計低水位），消防管路為雙出戶。泵房內設置兩套排漬泵，根據液位自動啟停,用于排除泵房內日常的少量集水。其集水池為2.5 m×1.5 m，深1.5 m。為保證船塢虹吸灌水系統正常運行，泵房內設置兩套真空泵，1用1備，同時兼顧排水虹吸管路運行。在外海特定水位情況下，真空泵的引水時間灌水廊道為3.7分鐘，排水管道為0.5分鐘，因為在虹吸泵功率一定情況下，灌水廊道虹吸時間和外海水位有關。

3）電、控設備層及管理用房：該層為塢頂下層，內設變、配電室，控制室，值班室等，同時該層留有樓梯間和吊裝孔。房間設有通風機和除濕機。

4）排水出口：排水泵的出口采用虹吸排水形式。其出口上緣低于平均低水位下0.5 m，駝峰底高程取7.8 m，駝峰處設有抽吸真空管和真空破壞閥。虹吸排水出口采用喇叭口形式，用于減少出口流速，降低水流沖力對附近船舶的影響。

2 船塢灌水和排水系統設計的合理性評價

2.1 船塢灌水和排水系統設計的合理性驗證

船塢灌、排水泵房設計方案和數據的合理性，可通過物理模型實驗進行校核驗證，通過模型實驗可輔助灌水系統設計滿足要求，如圖1初始方案是駝峰斷面處管道高度為1 m，后調整為1.5 m，通過調整駝峰斷面高度發現，駝峰斷面高度和整個灌水流道高度相同可有效減少駝峰斷面處負壓。但對于排水系統，由于實驗泵與實際運行排水泵之間，無論從輸出流量、電機功率、外型尺寸等都存在差異，對實際運行過程中的水流條件、噪音、震動等情況，模型實驗模擬的真實性有限，因此待確定排水泵后，針對泵的具體運行工況及布置情況，對有可能出現的問題加以關注，以確保使用過程中排水泵運行可靠、安全、穩定。

圖1 灌水廊道剖面示意

2.2 模型實驗模擬結果

通過物理模型試驗，得出模擬結果如下：

1）灌水虹吸形成初始流量最大，隨著塢室水位增加，過流能力減小。

2）當設計方案在低水位灌水出現進口有旋渦，同時虹吸形成困難時，可在進口增設格柵（兼做整流），降低駝峰高度，同時增加集水池側水封高度，可解決虹吸問題。

3）在灌水系統運行時，若集水池頂板有集氣現象且有氣旋，同時存在灌水進塢室水流不均勻現象。可在頂板增設通氣管，同時在廊道配流點處增加整流墩，能有效減少集氣。虹吸出口在廊道內設置整流墩后出口速度均勻。

4）排水過程中，虹吸排水管鵝管處出現負壓，鵝管頂負壓較鵝管底要大，外海水位較低時，管內負壓較大。

3 結 語

船塢灌排水泵房是整個船塢構筑物中較重要的部分，泵房構筑物及設備運行較為頻繁，合理的泵房設計為船塢正常工作提供保障。在我國，干船塢灌排水技術經過了近 70年的發展，我們經過對前人的經驗消化吸收，發展到今天的灌排水技術。隨著模型實驗水平和水力學理論的不斷提升，在確保灌排水泵房安全平穩運行的前提下，使灌水廊道過水斷面積盡量減少，有效降低工程投資和造價，是我們今后繼續研究的方向。