費(fèi)子豪，呂 鑫，李權(quán)真

(1.中港疏浚有限公司，上海200136；2.海洋工程勘測(cè)設(shè)計(jì)院，自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

我國(guó)幅員遼闊、河道眾多。近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，國(guó)內(nèi)沿海港口、航道建設(shè)由大型化、重型化逐步邁向深水化、綠色化。在疏浚行業(yè)，絞吸式挖泥船挖泥效率高、可控性好，且因其強(qiáng)大的挖掘能力和適應(yīng)遠(yuǎn)距離泵送的優(yōu)勢(shì)，成為全世界應(yīng)用最廣泛的一種挖泥機(jī)具。目前，疏浚施工對(duì)環(huán)保要求的提高以及輸泥路徑上的場(chǎng)地限制因素增多，促使絞吸船需要解決超長(zhǎng)排距吹填施工的問(wèn)題，為保障長(zhǎng)排距施工的安全與穩(wěn)定，總結(jié)制定更規(guī)范、更細(xì)致的施工工藝迫在眉睫。

當(dāng)前最主要解決長(zhǎng)排距輸送效能不足的方案為絞吸船串聯(lián)接力泵船施工工藝，如谷銀遠(yuǎn)[1]系統(tǒng)性闡述了“新海燕”與“航絞接1號(hào)”輪組在曹妃甸工程中的技術(shù)要點(diǎn)和施工效率分析，對(duì)長(zhǎng)排距施工具有指導(dǎo)意義；吳鵬等[2]介紹疏浚土長(zhǎng)距離管道輸送技術(shù)在環(huán)保疏浚工程中的應(yīng)用，彰顯了長(zhǎng)排距施工的環(huán)保價(jià)值和地形適應(yīng)性；劉心勝等[3]介紹絞吸式挖泥船+接力泵船串聯(lián)施工工藝在連云港30萬(wàn)噸級(jí)航道一期疏浚工程中的應(yīng)用，給類(lèi)似高程大、土質(zhì)硬等不利工況條件下的吹填上陸施工提供了新的解決方案。

絞吸船串聯(lián)接力泵船施工工藝中接力泵船位置的確定和船組設(shè)備施工效能配套優(yōu)化是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵性因素。本文針對(duì)南通港小廟洪上延航道工程一階段的超長(zhǎng)排距施工實(shí)際，通過(guò)數(shù)理測(cè)算驗(yàn)證泥泵配套是否可行，并分析限制施工的主要因素進(jìn)行施工優(yōu)化，可為類(lèi)似超長(zhǎng)排距施工提供參考借鑒。

1 工程概況

南通港小廟洪上延航道工程(一階段)主要服務(wù)于東灶港作業(yè)區(qū)、通州作業(yè)區(qū)以及通州灣港區(qū)一港池。起點(diǎn)位于呂四港區(qū)10萬(wàn)噸級(jí)進(jìn)港航道，終點(diǎn)接入南通港三夾沙南航道，全長(zhǎng)19.2 km，航道通航寬度246 m，設(shè)計(jì)底高程-11.7 m，含備淤深度0.5 m，設(shè)計(jì)邊坡1:10。通航標(biāo)準(zhǔn)為：滿(mǎn)足5萬(wàn)噸級(jí)散貨船乘潮單向通航和2萬(wàn)噸級(jí)散貨船、雜貨船全潮雙向通航。南通港小廟洪上延航道工程平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 南通港小廟洪上延航道工程平面布置

2 設(shè)備選用及施工工藝

2.1 設(shè)備選用

接力泵船“航絞接1號(hào)”的船舶總長(zhǎng)54 m，型寬18 m，總噸位為1 331 t。絞吸船新海鮫輪總噸位為3 785 t，總裝機(jī)功率為13.926 MW，最大挖深27 m。接力泵與主船泥泵、水下泵所使用的柴油機(jī)均為“卡特彼勒”牌。施工區(qū)域和船組設(shè)備主要參數(shù)為：疏浚土質(zhì)為淤泥質(zhì)黏土、粉砂，合計(jì)工程量為126.4萬(wàn)m3，近端、遠(yuǎn)端取泥區(qū)吹距(吹距為取泥區(qū)至岸上吹填區(qū)的實(shí)際敷設(shè)管線(xiàn)長(zhǎng)度)分別約23.0、27.0 km，設(shè)計(jì)排距6 km，接力泵船、主船最大生產(chǎn)能力均為3 500 m3/h，水下泵、泥泵、接力泵額定轉(zhuǎn)速均為1 000 r/min。

在疏浚裝備方面，針對(duì)本標(biāo)段疏浚范圍土質(zhì)主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂和粉砂，采用新型五臂絞刀和刀齒，可以有效切割原狀土，最大程度上提高大型絞吸船對(duì)當(dāng)?shù)毓r的適應(yīng)性。

2.2 施工工藝

在南通港小廟洪上延航道工程施工作業(yè)中，“新海鮫”與“航絞接1號(hào)”以串聯(lián)方式外配5艘輔助船舶實(shí)現(xiàn)船組聯(lián)合工作，其施工工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 絞吸+接力泵船施工工藝流程

3 泥泵組合效能驗(yàn)算

3.1 泥泵揚(yáng)程計(jì)算

泥泵清水特性曲線(xiàn)采用二次曲線(xiàn)模擬，表示為：

(1)

式中：Hw為實(shí)際轉(zhuǎn)速n時(shí)的清水揚(yáng)程；Q為流量；a、b、c為特征曲線(xiàn)在轉(zhuǎn)速n0時(shí)的擬合系數(shù)。

不同疏浚土泥泵特性曲線(xiàn)由式(2)表示[4]：

Hm=Hw[KH(ρm-1)+1]

(2)

式中：Hm為泥泵泥漿揚(yáng)程；KH為土質(zhì)換算系數(shù)，取0.75；ρm為泥漿密度，可由下式計(jì)算：

ρm=(ρ-ρw)C+ρw

(3)

式中：C為泥漿天然體積濃度，取調(diào)試階段平均實(shí)測(cè)值21%；ρ為天然土平均密度，取1.850 t/m3；ρw為清水密度，取1.025 t/m3。計(jì)算得泥漿密度ρm=1.198 t/m3。

絞吸挖泥船和接力泵船泥泵輸送泥漿的特性曲線(xiàn)可由式(4)(5)表示：

(4)

(5)

式中：Hm絞、Hm泵分別為實(shí)際轉(zhuǎn)速n1、n2時(shí)絞吸挖泥船、接力泵船泥泵泥漿揚(yáng)程；a1、b1、c1為特征曲線(xiàn)在轉(zhuǎn)速n01時(shí)的擬合系數(shù)；a2、b2、c2為特征曲線(xiàn)在轉(zhuǎn)速n02時(shí)的擬合系數(shù)。

表1 泥泵參數(shù)

3.2 管路實(shí)耗總水頭計(jì)算

本工程疏浚施工土質(zhì)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂和粉砂，灰色，流塑，含少量腐殖質(zhì)，局部夾薄層粉土。輸送阻力損失包含沿程阻力損失Hf、局部阻力損失Hj、動(dòng)能引起的阻力損失Hd、排高引起的阻力損失Hh?？傋枇捎上率奖硎荆?/p>

HZ=Hf+Hj+Hd+Hh=

(6)

式中：∑ξms、∑ξmd分別為為吸泥管系、排泥管系局部阻力系數(shù)之和；Ls、Ld分別為吸、排泥管系總長(zhǎng)；ρm、ρw分別為泥漿密度、清水密度；λms、λmd分別為吸、排管路泥漿沿程阻力系數(shù)，管路泥漿沿程阻力系數(shù)可由清水沿程阻力系數(shù)與泥漿密度得到：λm=λwρm，λw可由管徑查表內(nèi)插計(jì)算得出，吸泥管管徑為0.90 m時(shí)λms=0.014 16，排泥管管徑為0.85 m時(shí)λmd=0.014 455；y為挖深；Z為排高；Ds、Dd分別為吸、排泥管內(nèi)徑；v為管路出口臨界流速；vs、vd分別為吸、排泥管平均流速，由于無(wú)實(shí)測(cè)資料，在討論排泥管平均流速時(shí)采用最低實(shí)用流速(經(jīng)濟(jì)流速)作為計(jì)算值，經(jīng)濟(jì)流速由泥漿臨界流速與經(jīng)濟(jì)流速系數(shù)Kv的乘積得到，其中淤泥、粉土的Kv=1.10。

管路除存在轉(zhuǎn)彎段外還存在吸泥口、閘閥和三通管，局部損失的計(jì)算方式也不相同。吸泥管其他局部損失包括吸泥口、閘閥和三通管等局部損失，各阻力系數(shù)宜采用實(shí)測(cè)數(shù)值，當(dāng)無(wú)實(shí)測(cè)值時(shí)，可由《疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》查得。同理利用可查的輸送清水局部阻力系數(shù)ξw計(jì)算得到輸送泥漿時(shí)的局部阻力系數(shù)ξm，見(jiàn)表2。

表2 部分輸送泥漿的局部阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果

綜上求得吸泥管系局部阻力系數(shù)之和∑ξms=3.230，排泥管局部損失系數(shù)之和∑ξmd=7.805 3。

根據(jù)工況資料確定已知的參數(shù)為：C為21%，泥沙中值粒徑ds為0.05 mm，y為11.7 m，Z為4.00 m，Ds、Dd分別為0.90、0.85 m，原狀土密度ρs、ρm分別為2.650、1.198 t/m3，vs、vd分別為3.95、4.43 m/s。

吹填土質(zhì)的顆粒大小，直接影響輸泥管的允許最低流速。針對(duì)顆粒細(xì)的淤泥質(zhì)黏土、粉砂，其極限流速在泥漿密度1.198 t/m3的情況下，管內(nèi)工作流速以4.43 m/s為宜。在超長(zhǎng)排距下，排泥管遠(yuǎn)長(zhǎng)于吸泥管，經(jīng)濟(jì)成本上管理維護(hù)費(fèi)用更高，以排泥管平均流速討論更為合理。將各數(shù)據(jù)代入式(6)求得HZ=308.79 m。

綜上所述，繪制此工程泥泵管線(xiàn)系統(tǒng)流量揚(yáng)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖3 泥泵流量-揚(yáng)程曲線(xiàn)

3.3 接力泵位置確定

理想狀態(tài)下，為降低能耗、節(jié)約成本，首先應(yīng)考慮讓新海鮫輪將泥水混合物泵送至所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離，充分發(fā)揮其效能之后由“航絞接1號(hào)”的接力泵調(diào)整適合剩余排距的泥泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)聯(lián)合經(jīng)濟(jì)輸送，但是由于超長(zhǎng)排距管線(xiàn)鋪設(shè)的不確定性，不易配備正好合適的接力泵。因此，確定一個(gè)理論的“航絞接1號(hào)”布設(shè)位置可使接力泵在穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速下，保證超長(zhǎng)排距輸送系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，不會(huì)因?yàn)榻恿Ρ妙l繁出現(xiàn)狀況而停工調(diào)整。根據(jù)式(4)(6)推導(dǎo)出接力泵船與主船管線(xiàn)長(zhǎng)度計(jì)算式：

(7)

式中：H吸為吸口局部阻力損失；Hy為挖深水頭損失；λd為“航絞接1號(hào)”與“新海鮫”之間排泥管的泥漿沿程阻力系數(shù)。在手工測(cè)算泵船位置時(shí)，需要保證接力泵吸入端壓力≥0.1 MPa，該接力系統(tǒng)才能正常工作。采用式(7)計(jì)算可求得“航絞接1號(hào)”與“新海鮫”之間管線(xiàn)長(zhǎng)度理論最優(yōu)值為S=7.459 km。但是在實(shí)際施工中，由于受到當(dāng)?shù)貪q落潮水位的影響，接力泵船不一定能布設(shè)在最理想位置上。

4 施工效率分析

4.1 原施工參數(shù)分析

2021-06-12，“新海鮫”與“航絞接1號(hào)”4泵串聯(lián)組成的船組系統(tǒng)進(jìn)場(chǎng)南通港小廟洪上延航道一階段工程，開(kāi)工初期實(shí)測(cè)兩船之間管線(xiàn)長(zhǎng)度6.498 km，“航絞接1號(hào)”后面水上管子長(zhǎng)1.075 km，岸管長(zhǎng)16.292 km，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)23.9 km的超長(zhǎng)排距施工。收集船組施工數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 船組典型施工數(shù)據(jù)

由表3可看出：1)實(shí)際施工平均流速為4.46 m/s，這與上述計(jì)算的排泥管平均流速理論值4.43 m/s一致，驗(yàn)證了效能分析中水力計(jì)算的準(zhǔn)確性和可行性；2)平均時(shí)間利用率僅為51.46%，計(jì)算萬(wàn)立方米油耗為13.84 t/萬(wàn)m3。施工情況不容樂(lè)觀，施工效率亟待優(yōu)化。時(shí)間利用率取決于船機(jī)設(shè)備、絞吸挖泥船和接力泵船的配合以及工況等因素。實(shí)際施工中由于接力泵船和管線(xiàn)設(shè)備損壞問(wèn)題(2021-06-13“航絞接1號(hào)”封水閥泄漏、2021-06-14“航絞接1號(hào)”附近沉管泄漏、2021-06-16“航絞接1號(hào)”盤(pán)根漏水)，頻繁導(dǎo)致施工停滯，使得“新海鮫”未能完全發(fā)揮出產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)。

初步分析是由于主船泥泵輸送泥漿所用揚(yáng)程較大，兩船間管路輸送清水時(shí)的摩阻較小，導(dǎo)致泵前存在富余壓力，接力泵輸送泥水混合物時(shí)吸入壓力偏高?？紤]接力泵船位在滿(mǎn)足吃水限制的情況下應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離“新海鮫”，保證接力泵設(shè)備和接力泵后管線(xiàn)承壓能力不至于損壞和超限，維持整個(gè)接力泵船組系統(tǒng)安全、高效和低耗的施工要求。

4.2 改進(jìn)后效能對(duì)比分析

根據(jù)“新海鮫”與“航絞接1號(hào)”的典型施工數(shù)據(jù)，通過(guò)了解現(xiàn)場(chǎng)工況，使用理論計(jì)算結(jié)果對(duì)主船與泵船之間的距離進(jìn)行優(yōu)化，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況綜合考慮。在保證接力泵船泵前壓力不小于0.1 MPa的前提下，嘗試降低接力泵船前的壓力值，充分發(fā)揮主船和泵船的功效。參考對(duì)接力泵距離的測(cè)算，同時(shí)結(jié)合施工各個(gè)參數(shù)的匹配，最終確定“航絞接1號(hào)”的實(shí)際船位距新海鮫輪的管線(xiàn)加長(zhǎng)至8.427 6 km，其中新海鮫輪施工端點(diǎn)站浮管0.741 6 km，“新海鮫”到“航絞接1號(hào)”進(jìn)水口沉管加長(zhǎng)0.868 km，沉江管總長(zhǎng)7.686 km，絞接后沉管1.022 km，排距總長(zhǎng)延伸至24.9 km。記錄船位變化和管線(xiàn)延伸后的施工數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 調(diào)整后船組施工數(shù)據(jù)

結(jié)合表3、4對(duì)比分析可看出：

1)調(diào)整后船組萬(wàn)立方米油耗為15.31 t/萬(wàn)m3。主要是由于調(diào)整后排距加長(zhǎng)，船位和管線(xiàn)布置更為合理，接力泵船和接力泵后管線(xiàn)承壓能力極限增大，為充分發(fā)揮船組的挖泥疏浚效能，適當(dāng)提高了主船兩個(gè)泵機(jī)的轉(zhuǎn)速，使船組的泥漿輸送耗能增加。

2)優(yōu)化船位和管線(xiàn)布設(shè)后避免絞吸船多級(jí)泥泵串聯(lián)后局部排出壓力過(guò)高的問(wèn)題，同時(shí)在主船和接力泵船的積極有效溝通下制定了合脫泵流程、加轉(zhuǎn)流程、主船和接力泵船在施工中的注意事項(xiàng)等措施，保證了船組時(shí)間利用率達(dá)77%，較開(kāi)工前期增幅近25%，平均日進(jìn)尺量也從155 m/d增加至231 m/d，提高了船組的泵效，極大縮短了工期，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3)對(duì)調(diào)整后1周左右的實(shí)際施工期數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，發(fā)現(xiàn)平均濃度提高到28.52%，管阻變大，加上排距增加，管線(xiàn)水頭損失變大，導(dǎo)致流速有所下降。但優(yōu)化后保證了時(shí)利率和濃度處于較高水平，使生產(chǎn)率由原來(lái)的平均1 476.5 m3/h提高到平均1 820.0 m3/h，增幅23%，主船施工在2021-07-07創(chuàng)造了4.5萬(wàn)m3的日最高產(chǎn)量。

4.3 提高生產(chǎn)效率的措施

在本次超長(zhǎng)排距施工中，管路輸送能力和施工平穩(wěn)性為限制施工生產(chǎn)效率的主要因素，針對(duì)上述工程實(shí)際遇到的問(wèn)題，給出絞吸船串聯(lián)接力泵船施工工藝中提高生產(chǎn)率和時(shí)間利用的建議：1)制定合脫泵流程、加轉(zhuǎn)流程、主船和接力泵船在施工中的注意事項(xiàng)，提高船組之間的溝通配合，保證船舶的時(shí)間利用率；2)提高挖泥施工操作人員的業(yè)務(wù)水平和責(zé)任心，選擇合適的絞刀類(lèi)型、挖泥深度、橫移速度、前移距，以增加泥漿濃度，減少不必要的施工時(shí)間浪費(fèi)；3)工前測(cè)試和勘察準(zhǔn)備應(yīng)細(xì)致準(zhǔn)確，以便管線(xiàn)鋪設(shè)科學(xué)合理，盡量減少轉(zhuǎn)彎、爬坡和縮口，使排距和水頭損失最小化。

5 結(jié)語(yǔ)

1)針對(duì)南通港小廟洪上延航道工程一階段施工項(xiàng)目的超長(zhǎng)排距工況條件，通過(guò)對(duì)泥泵揚(yáng)程和管路消耗總水頭的數(shù)理計(jì)算，并結(jié)合工程實(shí)踐結(jié)果，得出在“新海鮫”與“航絞接1號(hào)”采用“2泵+2泵”串聯(lián)施工工藝能保證此次工程的超長(zhǎng)排距施工需求。

2)在本次超長(zhǎng)排距施工中，管路輸送為限制施工生產(chǎn)效率的主要因素。為提高時(shí)間利用率，保證接力泵設(shè)備和接力泵后管線(xiàn)承壓能力不至于損壞和超限，計(jì)算了“航絞接1號(hào)”的理論船位，避免絞吸船多級(jí)泥泵串聯(lián)后局部排出壓力過(guò)高的問(wèn)題。

3)工藝測(cè)算結(jié)果應(yīng)用于工程實(shí)際中，驗(yàn)證結(jié)果較好，生產(chǎn)率增幅23%，船舶時(shí)間利用率增幅近25%，提高了泵效和船組施工能力，極大縮短了工期，對(duì)類(lèi)似工程的施工參數(shù)控制及設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)具有參考意義，結(jié)合本工程遇到的實(shí)際問(wèn)題歸納總結(jié)的提高產(chǎn)量的可行措施也可為類(lèi)似超長(zhǎng)排距施工提供借鑒。

4)此外，傳統(tǒng)的工前測(cè)試僅憑疏浚施工員的經(jīng)驗(yàn)操作不僅耗時(shí)耗力，且存在諸多安全隱患?？煽紤]基于數(shù)理計(jì)算做成實(shí)時(shí)計(jì)算程序或軟件，作為工前輔助設(shè)計(jì)的參考或駕駛員施工過(guò)程的調(diào)整依據(jù)，保證后續(xù)施工的平穩(wěn)性和連續(xù)性。