近海航道耙吸船裝艙效率影響因素分析

齊峰

摘 要：耙吸船具有自航、自行作業的優點，可以在無其他設備配合下完成疏浚作業。應用廣泛。為了進一步研究耙吸船裝艙效率的影響因素，本文以廣州港某進港航道為實例研究對象，結合實例工程的實際疏浚作業數據，分析滿艙后裝艙效率的影響因素。最后，結合實例工程在2019-2020年多組實測樣本數據，得到了在不同進艙泥漿密度下，耙吸船裝艙效率與流量大小的關系曲線。

關鍵詞：耙吸船;疏浚作業;裝艙效率;小波函數去糙

1 研究背景及實例工程概況

1.1 研究背景

航運是國際貿易的重要途徑和運輸手段，隨著航運集中化、船舶大型化、裝載高效化的趨勢不斷發展，對近海港口、航道的吃水要求越來越高。近海航道由于邊界不固定，受到潮汐、洋流、風浪、內河河口排入等多重影響，海床演變復雜，深航槽不易穩定，航道普遍呈快速回淤狀態，需要定期疏浚。在目前常用的疏浚類型中，耙吸船由于具有自航能力，且具備自行完成挖泥、運輸、卸載等作業，是疏浚作業中常用的作業形式。基于耙吸船在疏浚業務中的高占有率，因此，加強對耙吸船施工數據的搜集、分析，研究耙吸船裝艙效率的影響因素，對于優化耙吸船作業形式，提高生產效率具有十分重要的作用。

1.2 實例工程概況

廣州港位于珠江三角洲地區的中心，是世界十大港之一;是整個南中國海上的海上運輸中轉樞紐和航運龍頭港區。目前，廣州港內包括有珠海、虎門、廣州內港、新沙等9個港區。實例工程為廣州港沙角和燕門之間的進港航道（伶仃航道），位于廣州灣內。綜合中山港進港航道外側潛堤、南中國海與臺灣海峽風浪及潮波影響，工程處洋流特點復雜，海床演變劇烈，長期需要進行疏浚處理。目前工程海域基本選擇耙吸船作為疏浚作業方式（占區域疏浚次數的83.5%，占區域總疏浚量的65.9%）。

2 影響因子分析

2.1 與耙頭挖掘能力相關的敏感因子

主動因素包括耙齒的類型、數量和角度等。對于實例工程中需要疏浚的海床淤泥，疏浚土的運輸性能和裝載效果主要由泥漿泵工作性能、泥漿回路布設特性等因素綜合決定。在選擇船型和設備時，耙吸船設備與疏浚作業效率有關的特性因子，包括諸如泥漿泵特性、耙頭的尺寸、管路動力性能、泥漿罐設置區域、泥漿罐具體尺寸、裝載形式（前、后、四角）、溢流裝置，這些因子都有成熟的設計思路和固定搭配，不容易進行調整。其他的一些因素，比如土的性質、水溫、土壤孔隙率、內摩擦角等因素則無法人為確定。

此時，影響儲罐運輸和裝載的可控主動因素是疏浚總量、泥漿罐的總容積、泥漿泵工作效率、耙深、船體吃水和潮位，被動因素是泥漿泵真空度、泥漿濃度和流量。

2.2 與輸送和裝艙相關的敏感因子

根據以往實踐經驗，泥泵的工作能力、泥漿輸送路徑、輸送管路孔徑等因素是決定疏浚效率（包括裝艙速率、泥漿輸送速度）的核心因子。

在實例工程中，實際作業的耙吸船均是由施工單位進行定額配置;因此耙吸船的船機設備不容易進行調整。同時考慮到疏浚區域土質性能（比重、中值粒徑、水溫、土壤孔隙率、內摩擦角）都不受人為主觀意愿決定。因此，主觀可改變的敏感因子主要包括：疏浚總量、儲泥艙的容量、泥漿濃度（被稀釋程度）、泵的真空程度、潮位高低、泵的工作功率等等。

3 實測數據處理

3.1 時滯誤差消除

根據耙吸船的作業原理，在耙頭進行吸泥作業后，在被吸入的泥漿到達真空讀數器安裝位置處以后，真空讀數器才能進行工作、讀數。根據施工單位配置在實例工程區域各主要型號耙吸船的吸泥管路設計，管路長度和縱坡降有一定差異，吸入泥漿真空讀數常常有12～25秒鐘的延遲滯后。為進一步消除時間滯后對讀數誤差的影響，需要進行時滯誤差消除處理，如圖1所示。

3.2 傅里葉小波函數去糙

傅里葉小波函數去糙的核心思想是通過頻率誤差分析，去除由儀器自身噪聲（頻率振動）引起的讀數影響。傅里葉小波函數去糙步驟如下：

（1）信號的小波分解。首先需要明確小波共有多少頻數N;然后對N頻小波進行分解。小波包分解算法即由求在子空間和中，即：

4 滿艙后裝艙效率的直接影響因素分析

根據以往工程經驗，可把泥漿裝艙細分成如下幾個階段。

在第一階段，進入泥漿池的泥漿不會從泥漿池溢出，并且大部分挖出的疏浚土顆粒會沉淀在泥漿池中。第一階段從耙頭開始吸入泥漿作業開始，到吸入泥漿的液面曲線頂高程與溢流桶桶高相同。

當污泥的液位到達溢流表面時，溢流現象開始，裝料過程進入第二階段。淤泥池中沉淀了疏浚土顆粒，上泥中的小顆粒以懸浮、移動和層移動的形式懸浮或移動在艙中的泥面上。由于溢流桶內泥漿會持續進行沉淀，導致上部流態密度小，下部流態密度逐漸增大。同時后進入溢流桶的泥漿密度也將大于艙內上層泥漿的密度。進入船艙的泥漿流向溢流口，在時，大顆粒沉降。進入駕駛室的泥漿中的空氣含量應盡可能小，以避免泥漿中氣泡的垂直移動而妨礙沉積。泥漿流速也應在合理范圍內盡可能低，以減少泥漿罐中泥漿流體的湍流，使更多的土壤顆粒沉降下來。因此在疏浚不易沉降的小顆粒（粒徑小于0.1 mm，常以懸浮形式浮于溢流桶表面）時，艙裝滿后，有時尾隨的抽吸船會使用單層裝載。

在第三階段中，泥漿流的形狀改變，槽中的泥漿表面上升，并且泥漿流過泥漿表面的速度非常高。即使最大的疏浚土顆粒也難以沉降，并且淤泥的頂層也被清除，導致溢流損失急劇增加。從第二階段到第三階段的過渡取決于土壤侵蝕狀態，細粒土的啟動速度較低，因此細粒土的轉化比粗粒土快，對于一些非常粗的顆粒，很少達到第三階段。

相對溢流損失也與泥漿管中的泥漿流速成正相關，因為較大的流速會增加泥漿池中泥漿流場的湍流，而流動的水將攜帶更多的泥漿，沙土和泥漿罐泥漿池中的土壤體積曲線呈下降趨勢。有時耙吸船疏浚一些細顆粒的土壤時，滿罐后的單層施工比雙耙施工更為有效。

在上述兩個公式中。Q2可以根據溢流桶桶高（泥漿布滿溢流桶后）、自由面高綜合決定。由于在實際裝艙過程中，溢流桶桶高不會改變，為了減小溢流損失，必須增大Q1和C1;并且盡可能減小C2。由于Q1和C2是正相關關系，Q1增大則C2必然跟著增大。因此，需要在Q1的增加和C2的下降之間找到最高效的平衡，該平衡點（曲線拐點）就是裝艙效率的最優解。

因此，結合實例工程在2019-2020年多組實測樣本數據，可以得到在不同進艙泥漿密度下，耙吸船裝艙效率與流量大小的關系曲線，見下圖。

5 結論

為進一步研究耙吸船裝艙效率的影響因素，本文結合廣州港的實際疏浚作業數據，首先篩選分析了與裝艙效率有關的敏感因子，在此基礎上，通過時滯誤差消除和傅里葉小波函數去糙對數據進行了處理，進一步提高了實測數據的準確性，去除了儀器噪音干擾;最后，對滿艙后裝艙效率的直接影響因素進行了分析，結合實例工程在2019-2020年多組實測樣本數據，得到了在不同進艙泥漿密度下，耙吸船裝艙效率與流量大小的關系曲線。

參考文獻：

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