李濤++鄧新杰

摘要： 根據(jù)泥漿浮力及張力的作用原理，通過實驗得出量錘配重與泥漿濃度的關(guān)系，以確定量錘配重在不同泥漿濃度下的影響情況，達(dá)到工前預(yù)估配重的目的。

Abstract： According to the action principle of mud buoyancy and tension， the relationship between the weight of the hammer and the mud concentration is obtained through the experiment to determine the influence of the weight of the hammer at different mud concentration， to achieve the purpose of counterweight before construction.

關(guān)鍵詞： 量錘；浮力；張力；下沉量；量艙效果

Key words： hammer；buoyancy；tension；sinking amount；volume effect

中圖分類號：U61 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）08-0158-03

0 引言

委內(nèi)瑞拉奧里諾科河航道疏浚工程自2011年10月13日開工以來，在外航道施工過程中，多次遇到量艙過程中量錘無法懸浮在泥面的情形，得到的量艙土方極低，大大浪費船舶的施工力量，對工程較為不利。因此通過研究不同配重的量錘在不同泥漿濃度下的沉降量來分析配重比例的最佳選擇，以達(dá)到最大化的確保施工產(chǎn)量，保障公司的經(jīng)濟(jì)效益的目的。本文通過量錘的配重實驗，進(jìn)行探索量錘下沉的極限濃度，以滿足工前預(yù)估量錘配重的要求。

1 工程概況

奧里諾科河航道疏浚工程分為外航道和內(nèi)航道，航道全長196海里，其中外航道長77.8km，范圍0.0～42.0海里，設(shè)計底寬122m，疏浚維護(hù)深度13.4m。內(nèi)航道長285.2km，范圍42.0～196.0海里，設(shè)計底寬從91m到200m不等，內(nèi)航道設(shè)計水深為9.8～13.4m。

內(nèi)航道采用測圖下方計量方式：通過對浚前和浚后測量所得出土方量的差值，根據(jù)項目規(guī)定的計算范圍，計算出有效疏浚土方量，超深部分不計算在內(nèi)。

外航道土方計量采用裝艙計量方式，詳見下文及圖1。

泥艙最大艙容（根據(jù)容積計算表），Vv

泥艙內(nèi)沉淀物體積，Vt=V1+V2

泥艙內(nèi)沉淀土方（V1）：為每個疏浚周期獲得的土方量，使用測深錘讀數(shù)（H）的平均值計算。

hi：單個測深錘的數(shù)值

n：測深錘的數(shù)量

H：測深錘讀數(shù)的平均值，H=（h1+h2+…h(huán)n）/n

泥艙懸浮土方（V2）：為泥艙總?cè)萘浚╒v）減去沉淀土方量（V1）的值，再乘以懸浮混合物的體積百分比（P）的平均值。懸浮混合物的體積百分比（P）的數(shù)值，通過對測深錘讀數(shù)平均值50%處提取樣品進(jìn)行10分鐘的離心分離來獲得。

pi：單個體積百分比的數(shù)值。

P：體積百分比平均值，P=（p1+p2+…+pn）/n

泥艙內(nèi)懸浮土方量，V2=（Vv-V1）×P

泥艙內(nèi)裝艙總土方量，Vt=V1+V2

泥艙內(nèi)裝艙凈土方量，即工程款支付方量Vn，與泥艙內(nèi)裝艙總方量Vt數(shù)值相同。

泥艙凈裝艙方量，Vn=Vt。

2 量艙原理

量錘為一金屬制半圓形中空錘狀物，內(nèi)部可放置加載鐵塊、砂礫或其他物質(zhì)以調(diào)節(jié)重量，由于體積固定，通過調(diào)節(jié)量錘重量可以確定量錘的相對密度。詳見圖2、3及表1。

挖泥結(jié)束后，將量錘通過量艙孔放入泥艙中，待其穩(wěn)定后讀取量繩刻度，所得數(shù)據(jù)即為量艙數(shù)據(jù)，通過對照艙容表進(jìn)行查找，確定泥艙內(nèi)的土方量。

挖泥結(jié)束后泥艙內(nèi)部疏浚物幾乎不流動，可近似為靜止流體，適用阿基米德原理。由該原理可知：潛沒于靜止流體中的物體受到一個垂直向上的力（浮力），大小等于該物體所排開的流體的重量，作用點為所排開流體的形心。公式為F浮=ρ泥gV排。其中：

ρ泥：浸入液體的密度（即泥漿的密度）；

g：重力加速度；

V排：浸入液體的體積。

根據(jù)量錘重力公式可得G=mg=ρgV，若只考慮浮力影響的情況下，F(xiàn)浮=G錘，則ρ泥=ρ錘，即只有在泥漿密度與量錘相對密度相等時，完全浸沒量錘，量錘方能浮在泥面上。但通過施工過程中觀察，泥漿濃度低于量錘相對密度時，量錘于泥艙內(nèi)并未下沉，依然可以浮在泥面上，且下沉量也不多，由此可判斷，量錘在泥漿中不僅受浮力影響，同時也受到不可忽略的液體表面張力的影響，即重力G=F浮+ F張。根據(jù)科學(xué)研究，液體表面張力僅僅與液體的性質(zhì)和溫度有關(guān)，測定方法一般采取毛細(xì)管上升法，通過公式γ=ρgHR/（2cosθ）可直接得到泥面的表面張力。

其中γ為表面張力；R為毛細(xì)管的半徑；H為毛細(xì)管中液面上升的高度；ρ為測量液體的密度；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋沪葹橐后w與管壁的接觸角。

但由于現(xiàn)場實驗條件有限，無法進(jìn)行較為精密的實驗，故重新設(shè)計一種更為直觀的實驗，以得到在不同密度的泥漿中，不同配重下的量錘下沉量h，如圖4，5。

3 量錘實驗

實驗器材：量錘、電子稱、加載鐵球、泥漿比重計、抹布、水桶、直尺

實驗流程：

步驟1：首先自泥艙內(nèi)取半桶泥漿作為實驗樣品，桶內(nèi)泥樣高度要大于量錘的半徑，并攪拌均勻；

步驟2：用泥漿比重計檢測泥樣的濃度，測三次取平均值作為該樣品此時的濃度ρ；

步驟3：在電子秤上調(diào)節(jié)量錘重量，量錘配重密度取1.3～1.7，量錘重量分別為1807g、1946g、2085g、2224g、2363g，即為一組實驗數(shù)據(jù)；

步驟4：將配重好的量錘輕放入水桶內(nèi)，盡量保持平衡，待其穩(wěn)定后取出，用直尺測量量錘壁上的泥樣線高度h，測相對應(yīng)的4個位置，取平均值，完成一次后用抹布擦干量錘，在進(jìn)行配重，完成一組實驗；

步驟5：完成一次實驗后，向水桶中緩慢注入清水，不斷攪拌，并多次用泥漿比重計檢測泥樣密度，當(dāng)密度預(yù)計達(dá)到所需要的值時，停止注入清水，通過泥漿比重計進(jìn)行檢測，確定泥樣濃度為實驗設(shè)計值，隨后重復(fù)步驟2直至獲得實驗所需的全部數(shù)據(jù)，如圖6至9，及表2所示。

4 實驗結(jié)論

通過量錘下沉實驗，可以看出，當(dāng)不考慮其他影響因素時，泥漿密度小于1.20時，最輕的量錘也無法浮在泥面上，會持續(xù)下沉，直至泥漿密度大于1.20處，該部分土方只能通過離心后記為懸浮層土方；同時泥漿密度大于1.30時，最重的量錘也可懸浮在泥面上，即每種量錘配重均對應(yīng)一個極限濃度，見表3。

由表3可知，量錘配重對應(yīng)的極限濃度即為該量錘配重下的臨界值，若施工中的實際泥漿濃度低于該臨界值，則對應(yīng)的量錘將無法懸浮在泥漿內(nèi)，將導(dǎo)致測量出的土方量極低，造成較大的施工損失。

5 其他影響因素

在實際施工過程中，量艙的效果不僅取決于量錘的配重，還有許多其他影響因素：

①量艙人員的手法：量錘通過操作人員下放至泥艙內(nèi)，下降速度的快慢決定了量錘擁有的動量以及對泥面產(chǎn)生的沖擊力，下降速度越快，量錘砸入泥面的深度越深，量繩的讀數(shù)越大，量艙土方越少；且量艙過程中必定有監(jiān)理人員陪同，若監(jiān)理人員進(jìn)行干涉，提拉、晃動量繩，均會導(dǎo)致量錘進(jìn)一步下沉，量艙土方減少。

②艙內(nèi)泥漿密度分布不均勻：由于施工時間較短（裝艙大約25分鐘，溢流大約2分鐘），挖泥過程中吸入泥艙的清水及低濃度泥漿無法確保溢流完全，仍零散分布在泥艙中，若量艙口附近的泥漿濃度較低，將會造成無法承托住量錘，致使量錘不停下降直到濃度較高的地方；若閘閥沖洗水依舊排入泥艙內(nèi)部，也會影響艙內(nèi)泥漿濃度。

③量艙時間的長短：結(jié)合上述兩個原因，當(dāng)量錘放入泥面的時間越長，下滑的量繩長度越多，量艙土方越少。

④船舶傾斜影響：挖泥過程中船舶會不同程度出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，艏艉左右均有可能傾斜，即會造成下傾的一邊量艙值比上翹的一邊量艙值小，當(dāng)船舶處于滿艙狀態(tài)時，下傾的一邊量艙值往往小于1m，但根據(jù)工程要求，單個量艙值最大即為1m，如此便造成土方的損失，故最佳量艙狀態(tài)為船舶平吃水狀態(tài)。

6 結(jié)論

理論上量錘的配重越輕對工程越有利（對承包方越有利），但實際施工過程中，業(yè)主及承包方必定要通過不斷磋商協(xié)調(diào)達(dá)成一個雙方均認(rèn)可的量錘配重。通過實驗得出的極限濃度，綜合考慮實際工程情況及其他影響因素，可推斷各泥漿濃度下的最適宜量錘配重，詳見表4所示。

該結(jié)論可用于工前踏勘預(yù)估量錘配重。若某一工程土方計量采取量艙計量方式，在工程踏勘過程中，可通過觀察現(xiàn)場實際泥漿密度，來預(yù)估與業(yè)主協(xié)調(diào)量錘配重的底線值。

奧里諾科河外航道0-36海里段土質(zhì)上層以浮泥、淤泥為主，如圖10、11所示，河床底質(zhì)為含松散鈣質(zhì)物的粘質(zhì)粉土。船舶施工目的主要是清除上層淤泥，不同海里段不同時期的淤泥濃度均不相同，濃度高的施工區(qū)段配重1.7 g/cm3也可量出滿艙，濃度低的施工區(qū)段配重1.3g/cm3也未必能夠托住量錘，故與業(yè)主協(xié)調(diào)溝通量錘的配重非常重要，若任由業(yè)主安排將直接影響工程完成情況。

在整個工程中，選擇適宜的量錘配重，能夠良好的控制船舶量艙效果，減少量艙過程中的土方損失，提高船舶施工效率，在其他條件相同的情況下，對確保施工產(chǎn)量、保障經(jīng)濟(jì)效益有著非常重要的作用及影響。

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