拼裝式小型絞吸船遠距離多級接力泵送吹填工藝在疏浚工程中的應用

◎ 沈如健 覃耀童 中交廣州航道局有限公司

圖1 項目平面布置圖

1.工程概況

建于上世紀60年代的八尺門海堤工程，截斷了東山灣與詔安灣的水體交換，造成海峽水體交換受阻，淤積嚴重，低潮露灘面廣，高潮水深小。本工程主要為海堤拆除后的水道清淤，清淤寬度100m、長度6400m，工程量約139萬m3，疏浚土均運輸至10km外的紅樹林種植區。由于八尺門海域至紅樹林種植區的原始水道狹窄，且受多座大橋限制，無法滿足大型清淤船只作業，極大增加了施工難度。為加快項目推進，在傳統抓斗配小型泥駁清淤工藝的基礎上，增加小型絞吸船遠距離多級接力泵送吹填工藝共同疏浚作業。

2.設備選用及排距計算

2.1 設備選擇與參數

該項目共投入一艘泥泵型號450PNS-50、額定轉數650r/min、軸功率600KW的小型絞吸船，配套柴油機額定功率680KW、轉數1500r/min。接力泵站采用浮箱，內設泥泵和柴油機，泥泵型號400PNS-30、額定轉數730r/min、軸功率250kW，配套柴油機額定功率300kW、轉數1000r/min。

2.2 接力泵站浮力計算

1）接力泵站浮箱重量計算。浮箱尺寸：8.1m×3.6m×2.8m，采用12mm厚鋼板焊接，鋼板密度一般為7.85g/cm3，殼體重量約11700kg，其他構件等重量約6500kg，總計約18200kg。

2）接力泵站設備重量計算。柴油機3100kg，泥泵（含底座）3600kg，1000L柴油重約840kg，管線等其他設備約3000kg，合計約10540kg。

3）管線泥漿重量計算。接力泵站工作時，內外Φ400mm管線泥漿重量對接力泵站影響的折算長度約25m。根據泥漿濃度公式：

4）浮箱浮力計算。浮箱高度2.8m，外接排泥管法蘭口底距殼底1.6m，距殼頂1.2m，即接力泵吃水不大于1.6m均滿足管線拼接作業要求。根據浮力公式：

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式中：F浮為浮箱浮力；液為海水密度，取1.025t/m3；g為重力加速度，為9.81m/s2；V為浮箱排開液體的體積。經計算浮箱吃水h=1.1m＜1.6m，滿足工作要求。

2.3 柴油機性能匹配計算

根據柴油機功率公式：

式中，N為柴油機額定功率kW；N1為泥泵軸功率kW；K為儲備功率系數，一般為1.1～1.5；η為傳動效率，一般為0.96～0.98，取0.98。經計算接力泵站柴油機儲備功率系數K=1.17＞1.1，絞吸船柴油機儲備功率系數K=1.11＞1.1，均滿足正常工作需求。

2.4 接力泵站排距計算

實際液體恒定總流能量方程式：

式中：Z1、Z2為排泥管兩端標高；P1、P2為排泥管兩端壓強，實測P1=0.5 Mp a、P2一般不小于0.1MPa；v1、v2為排泥管兩端流速，一般v1=v2；α1、α2為排泥管兩端動能校正系數，均取1.00；g為重力加速度；為泥漿密度；hW為總水頭損失，包括沿程水頭損失Hf、局部水頭損失Hj及流速水頭損失H流。

式中：L為排泥管全長。水上浮管因橡膠接頭摩阻較大，通常將這部分長度乘以1.3～1.75，取1.75；水下沉管通常將這部分長度乘以1.0～1.1，取1.1；D為排泥管徑；v為平均流速；泥為泥漿密度；水為海水密度，取1.025t/m3；λ為摩阻系數，與管道內流態、管壁特性有關，可通過雷諾數Re來判斷流態；ξ為局部水頭損失系數。

考慮到排泥管線內泥漿流速無實測數據，采用最低實際流速（經濟流速）作為平均流速計算值。根據淤泥臨界流速公式（8）和最低實用流速（經濟流速）公式（9）：

式中：C為土粒體積濃度，實測為21%；ds為土粒平均粒徑，淤泥取0.03mm；g為重力加速度；D為排泥管內徑，取0.40m；γS為土粒密度，實測為2.67t/m3。Kv為最低實用流速系數，淤泥、粉土Kv=1.10。將已知條件代入（8）（9）式中，求得經濟流速vp=2.58m/s。

實際兩臺接力泵之間采用360根8m長PE沉管連接，接力泵兩端各拼接1m橡膠短管，管線全長2882m，且兩個接力泵排泥管接口標高相同。那么，兩個接力泵之間的總水頭損失hw僅考慮沿程水頭損失Hf及流速水頭損失H流。在計算總水頭損失hw前，先根據雷諾數公式Re判斷管道內泥漿流態：

式中：v 為管中平均流速；d 為管道直徑，即0.4 0m；μ泥、μ水為泥漿及相同溫度清水的黏性系數；Sv為泥漿濃度，實測為21%。根據東山縣年平均氣溫23℃，查水的粘滯系數表求得μ水=0.9358×10-3N·S/m2，則Re=8.51×105>2300，為紊流。查詢實用管道當量粗糙度表，PE管道絕對粗糙度ε=0.01mm，則ε/d=0.01/400=2.5×10-6，查詢穆迪圖可知λ=0.012。代入（4）公式，求得P2=0.123MPα>0.1MPα，滿足接力泵使用要求。若P1=0.5MPα、P2=0.1MPα，求得L最長=3404m÷1.1=3095m>2882m，滿足接力泵使用要求。

2.5 絞吸船排距計算

1）絞吸船吸口至1#接力泵局部阻力系數計算。根據《疏浚與吹填工程設計規范》（JTS 181-5-2012）查詢管線局部阻力系數，彎管阻力系數按下列公式計算，具體詳見表1。

表1 局部阻力系數計算結果統計表

式中：D為管徑m；R為彎管曲率半徑m；α為彎曲角度。

2）絞吸船吸口至1#接力泵沿程阻力系數計算。根據實用管道當量粗糙度表，新的鑄鐵管道絕對粗糙度ε=0.2 5 m m，則ε/d=0.25/450=5.56×10-4，查詢穆迪圖可知λ=0.017，具體詳見表2。

表2 沿程阻力系數計算結果統計表

3）吸泥管系平均流速vs計算。絞吸船作業時，泥泵前端壓力為P1為0.014MPa；泥泵進口中心線距離水面標高0.1m；平均潮位值為1.18m，則Z1=1.08m；開挖底標高-3.4m，則Z2=-3.40m；吸泥管系hw包括沿程水頭損失Hf、局部水頭損失Hj及流速水頭損失H流。代入公式（4）求得吸泥管內平均流速vs=2.71m/s。

4）絞吸船排距計算。根據泥泵生產廠家提供的泥泵清水特性Q-H曲線，當泥泵實際轉數600r/min、效率74%時，清水揚程hw為50m，則泥泵泥漿揚程應按下式計算：

式中：Hm為泥泵泥漿揚程；Hw為泥泵清水揚程；KH為泥泵泥漿揚程土質換算系數，淤泥取0.75；γm為泥漿密度；γ為天然土密度，1.67t/m3；為泥漿體積濃度；γw為海水密度，1.0 2 5t/m3。代入公式（1 2）（13）求得泥泵泥漿揚程Hm=56m。

絞吸船排距按管路輸送泥漿時實耗總水頭公式計算：

式中：vs、vd分別為吸排泥管平均流速；v 為管路排出口流速；λm=λw×γm為管路泥漿沿程阻力系數；Ls、Ld為吸排泥管總長；Ds、Dd為吸排泥管管徑；y為水面距離海底距離；Z為排高；∑ξms、∑ξmd分別為吸排泥管系局部阻力系數之和。將已知條件代入公式（14）求得絞吸船最大排距Ld=5096m。考慮到絞吸船作業時管線主要為浮管、沉管，其中浮管長度一般在200m左右，沉管長度=（5096-200×1.75）÷1.1≈4300m，則理論上可敷設管線長度在4500m左右。

3.接力泵站位置確定

考慮到絞吸船納泥區離疏浚區較遠，沿線工況復雜，易受潮汐、水深、漁船等因素影響，接力泵站一般不能設置在最遠排距位置上，仍需預留一定的管線富余長度。實際按2900m一段從納泥區沿著岸側灘涂向疏浚區敷設，共4段。接力泵站均放置在水道邊灘涂上，在不影響船舶航行的情況下保證冷卻水及油料供應正常。絞吸船尾管長度因受疏浚區形狀、施工干擾、水深等限制，實際尾管僅敷設1600m，則全線總長約13.2km。

4.接力泵站啟動程序

清淤作業時，在通知接力泵站值班人員開啟泥泵前，絞吸船先啟動絞刀，并下放到開挖泥面；值班人員接受信號后，將柴油機啟動并合排，使泥泵保持低速運轉，并打開吸泥口排氣閥，待排氣閥無空氣排出且滿泥后關閉。當吸入口壓力大于0.1MPa時，再逐步提高柴油機轉速，并將排出口壓力控制在0.5-0.6MPa之間。以此類推，依次啟動2#、3#、4#接力泵站。如遇清理絞刀頭、故障修理等停歇時間較長事件時，吹水0.5h后即可通知全線停泵排除故障。

5.施工效率分析

絞吸船的生產效率主要受土質、絞刀功率、橫移速度、泥泵功率、挖深、接力泵功率、管線長度、時間利用率等因素影響，而本工藝絞吸船平均挖寬30m、挖深0.5m、進尺0.8m，每橫移一次施工時間約2.5min，則絞刀挖掘小時生產率：w=30×0.5×0.8×60/2.5=288m3/h，泥泵輸送小時生產率：Qs=π/4×0.42×2.58×21%=245m3/h，取Qs為絞吸船生產率。考慮到絞吸船清理絞刀、移錨、接管、加油等影響時間較多，實際每天有效作業時間約12h，生產效率約2940m3。

經統計分析發現，停歇時間中清理絞刀占比約50%，為主要原因。針對該主要原因，施工現場增加一臺清障設備提前對疏浚區進行清理，有效縮減了清理絞刀的停歇時間，作業時間平均延長約3h，生產效率提升至3675m3。該工程成功應用了拼裝式小型絞吸船遠距離多級接力泵送吹填工藝，使傳統抓斗配小型泥駁的投入數量大為減少，施工效率明顯提高，工程整體清淤進度得到有效保障。

6.結語

通過對接力泵站及絞吸船總水頭損失、最大排距的計算，并結合工程實踐結果，本工程采用4臺接力泵串聯的吹填工藝滿足施工需要。為小型絞吸船遠距離多級接力泵送吹填工藝技術的發展提供寶貴經驗，也為大型絞吸船串聯接力泵技術的發展提供參考借鑒。