秦亮，肖云豐，楊正軍，李金峰

（1.中交天津航道局有限公司，天津 300461；2.中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300461）

0 引言

成球黏性土輸送是疏浚工程界及理論界的難題，密實(shí)黏性土在管路水力輸送過程中會(huì)形成球塊狀，使輸送的水力損失較不成球黏性土明顯增大，同時(shí)堵管潛在風(fēng)險(xiǎn)大，難以高濃度高產(chǎn)量輸送。有關(guān)成球黏性土施工國內(nèi)外有些相關(guān)研究，中交上海航道局有限公司對(duì)新海鱷輪絞吸挖泥船泵送硬塑性亞黏土施工情況進(jìn)行分析[1]；華北水利水電工程集團(tuán)有限公司對(duì)絞吸式挖泥船施工堵管進(jìn)行分析[2]；Boor等人研究了疏浚黏土[3]。以上研究雖然涉及部分黏性土輸送問題，但僅局限于綜合施工、管線阻力改善等研究方面，對(duì)于密實(shí)成球黏性土相關(guān)輸送臨界流速定量計(jì)算及系統(tǒng)施工工藝方面未進(jìn)行深入的研究。鑒于該種土質(zhì)對(duì)施工的影響及其地域分布的廣度，筆者以大型絞吸式挖泥船在廈門菜厝地區(qū)施工的現(xiàn)場數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)不同管線工況下成球黏性土的管路輸送進(jìn)行研究，提出適宜該成球黏性土輸送的施工工藝，供工程界與理論界參考。

1 成球黏性土輸送施工現(xiàn)場

1.1 黏性土輸送起球情況

大型絞吸船天麒號(hào)在廈門地區(qū)施工密實(shí)黏性土，圖1顯示了泥塘內(nèi)泥球大量堆積現(xiàn)象。技術(shù)人員安排了對(duì)6個(gè)吹填區(qū)的泥塘泥球進(jìn)行檢測，各泥塘內(nèi)黏性土球粒徑5~35 cm，黏粒與粉粒含量之和均在80%以上，塑性指數(shù)大于11，土球平均密度在2.0 t/m3以上，土球密度大，黏性大，起堆快，輸送為主要的限制生產(chǎn)因素。

圖1 泥塘現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.1 Photo of reclamation area

1.2 絞吸船輸送系統(tǒng)運(yùn)行情況

天麒號(hào)絞吸船配備3臺(tái)進(jìn)口900 WN型泥泵，水下泵由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速228 r/min，兩臺(tái)艙內(nèi)泵由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速295 r/min，泥泵系統(tǒng)總功率達(dá)到11 000 kW。其輸送系統(tǒng)總裝機(jī)功率在國內(nèi)大型絞吸船中位于前列。表1為天麒號(hào)絞吸船在該工地清水和施工挖泥時(shí)的典型工藝參數(shù)。

從表1中可以看出，泵送清水時(shí)，3臺(tái)泵轉(zhuǎn)速分別為207、282、286 r/min，系統(tǒng)流速就已經(jīng)達(dá)到8.3 m/s，流量19 000 m3/h以上，排壓僅1 213 kN/m2，清水阻力系數(shù)0.008 4，泥泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總功率9 273 kW；相同管線輸送1.16 t/m3密度泥漿時(shí)，在泥泵轉(zhuǎn)速明顯增加的情況下，流速仍降低明顯，排壓約增加50%，系統(tǒng)總功率變化不大，而輸送1.21 t/m3密度泥漿時(shí)，總功率反而有所降低，流速低于4.8 m/s，系統(tǒng)有堵管危險(xiǎn)，濃度不能進(jìn)一步增加，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速也沒有增加空間，輸送能力達(dá)到極限。

表1 施工參數(shù)Table 1 Construction parameters

2 管線方案對(duì)生產(chǎn)能力的影響研究

黏性土長距離吹填工程，在船機(jī)設(shè)備固定的情況下，管線是制約生產(chǎn)能力的主要因素，包括管線承壓能力、管徑等。

2.1 承壓能力對(duì)產(chǎn)量的影響

在黏性土長距離吹填中，由于黏性土的阻力較大，在末級(jí)泵出口排壓非常高，這就造成管線承受壓力可能達(dá)到極限。在這種情況下管線的承壓能力將限制泥泵提供的最高排壓，從而限制了船舶的產(chǎn)量。

表2統(tǒng)計(jì)了采用兩種承壓能力管線船舶生產(chǎn)的主要參數(shù)，低承壓管線最大承壓1 750 kN/m2（17.5 bar），高承壓管線最大承壓1 950 kN/m2（19.5 bar）。在2 987 m管線中提高管線承壓能力后，船的排出壓力提高9.1%，產(chǎn)量提高了89.9%。在3 558 m管線中提高管線承壓能力后，船的排出壓力提高17%，產(chǎn)量提高了111%。

在增加排壓的情況下，可以增加施工的流速和濃度，從而提高產(chǎn)量。表2中顯示在排壓增加后，2種管線中施工濃度都有非常明顯的增加，利于產(chǎn)量提高。在低承壓管線施工過程中，發(fā)生過有堵管風(fēng)險(xiǎn)時(shí)增加泥泵轉(zhuǎn)速結(jié)果爆管的情況。在低承壓管線施工時(shí)考慮到安全因素，操作人員控制濃度偏低。而在高承壓能力管線施工時(shí)，船舶的施工流速可以適當(dāng)降低，施工濃度適當(dāng)提高，從而進(jìn)一步提高產(chǎn)量。在發(fā)生堵管危險(xiǎn)時(shí)可以迅速采取給泥泵升轉(zhuǎn)速提高瞬時(shí)排壓，保證正常生產(chǎn)。

表2 不同承壓能力管線生產(chǎn)率對(duì)照表Table2 Comparison table on productivitiesof pipes with different bearing pressure

2.2 管徑對(duì)產(chǎn)量的影響

船舶生產(chǎn)能力與管線直徑及排距的關(guān)系如表3，可見采用900 mm管線在管線長度略有增加的情況下，綜合生產(chǎn)率較800 mm管提高36.5%。

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)于天麒號(hào)長距離吹填黏土工況，其功率是充足的，主要是阻力限制了流量的上升，而泥泵轉(zhuǎn)速?zèng)]有上升空間，從而影響了船舶功率的發(fā)揮。采用900 mm管能在更小排壓下產(chǎn)生更高流量，有利于充分發(fā)揮其功率。在流量超過11 500 m3/h的情況下，同等流量下900 mm管的水力損失小于800 mm管，即在相同排壓下，900 mm管能輸送更多的泥漿。相同壓力下，900 mm管中流量比800 mm管中的流量大25%左右。天麒船在施工轉(zhuǎn)速已經(jīng)發(fā)揮較充分的情況下，濃度再增加，阻力增加，800 mm管內(nèi)流速將下降很快；而換900 mm管，同流量下阻力減小近80%，所以濃度可進(jìn)一步提高，而流量降低不明顯。

表3 不同管徑管線生產(chǎn)率Table 3 Productivitiesof different diameter pipelines

采用900 mm管除上述優(yōu)勢(shì)外，較800 mm管提高施工濃度的另外一個(gè)原因是由于管路截面增大，將大大減小局部高濃度造成的堵管問題，同時(shí)泥漿質(zhì)量大，整體泥漿的慣性大，增強(qiáng)流速的穩(wěn)定性，有利于控制濃度的平穩(wěn)性。

3 成球黏性土質(zhì)輸送中臨界流速的確定

疏浚工程中成球黏性土輸送存在巨大的堵管風(fēng)險(xiǎn)，堵管的出現(xiàn)主要和管道內(nèi)固體的沉積有關(guān)，表征固相是否沉積的重要參數(shù)是臨界流速。目前有多種計(jì)算管道中臨界流速的方法，然而對(duì)于成球黏性土并未見有文獻(xiàn)報(bào)道其適用的方法。

本次分析將討論6種計(jì)算臨界速度的公式，分別是：Durand model模型、Jufin-Lopatin模型、MTIHolland模型、疏浚工程技術(shù)規(guī)范中的公式和Zandi模型。

取臨界流速和現(xiàn)場速度的比值進(jìn)行討論，當(dāng)該值大于1時(shí)，沉降開始。從結(jié)果來看，Durand model模型和技術(shù)規(guī)范公式一所計(jì)算的結(jié)果偏大，受密度的影響不靈敏；Jufin-Lopatin模型和MTI Holland模型相近計(jì)算結(jié)果較小，對(duì)密度值也不靈敏；技術(shù)規(guī)范公式二和Zandi模型計(jì)算值較適中，對(duì)密度變化靈敏，在預(yù)測此次施工中管道的沉降甚至堵管因素方面較適合。Durand model模型和技術(shù)規(guī)范公式一在每次堵管前都沒看到明顯的變化；技術(shù)規(guī)范公式二和Zandi模型所預(yù)測的臨界速度在三次堵管前都有一個(gè)明顯超過管道流速的區(qū)域，可用于監(jiān)視堵管量。

4 成球黏性土質(zhì)輸送的施工方法

4.1 施工密度預(yù)報(bào)

根據(jù)上述分析可以看出成球黏性土輸送中濃度過高或流速太低均會(huì)造成不利影響，合理控制施工濃度和流速是非常重要的，對(duì)此提出了嚴(yán)格控制流速的要求。流速變化是由整個(gè)管路的泥漿密度決定，反應(yīng)相對(duì)滯后，因此控制進(jìn)口的密度是控制流速、控制生產(chǎn)平穩(wěn)的關(guān)鍵。天麒船密度計(jì)與吸口的距離近百米，據(jù)此，技術(shù)人員取前期施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析真空度與吸入密度間的關(guān)系，提出了以真空度控制密度的方法，制作了真空度-密度對(duì)應(yīng)值表，如表4所示。按照技術(shù)人員給出的期望密度值，應(yīng)用該表進(jìn)行施工控制，流速、排壓等參數(shù)的平穩(wěn)性得到了很好的保證，避免了堵管事故的發(fā)生。

表4 真空度-密度對(duì)應(yīng)表Table4 Corresponding tableof vacuum and density

4.2 分層優(yōu)化土質(zhì)顆粒級(jí)配施工

在臨界流速vc確定過程中，依賴于土質(zhì)的沉降速度vt，具體計(jì)算見式（1）所示，而沉降速度是與流體和固體的密度差有關(guān)的函數(shù)，見式（2）。若減小流體和固體的密度差將會(huì)減小沉降速度，進(jìn)而減小了臨界流速。

在廈門地區(qū)疏浚施工中，上層土質(zhì)為淤泥，下層土質(zhì)為黏土。淤泥在輸送過程中基本呈液態(tài)，表現(xiàn)為密度比水大的流體性質(zhì)。下層的黏土在輸送中呈固體狀，表現(xiàn)為顆粒性質(zhì)。在施工中希望用淤泥形成的流體作為液體相，用來輸送下層黏土塊。根據(jù)上述分析，在施工工藝中確定了上層大殘留分層方案。由數(shù)據(jù)分析得知上層挖掘生產(chǎn)率為1 650 m3/h，上層輸送生產(chǎn)率1 120 m3/h，殘留量530 m3/h，而下層挖掘生產(chǎn)率360 m3/h，輸送生產(chǎn)率810 m3/h，輸送生產(chǎn)率比挖掘生產(chǎn)率大450 m3/h，上層殘留量大部分被輸送下層泥漿時(shí)輸送走。

在合理調(diào)整管線方案，科學(xué)確定臨界流速的基礎(chǔ)上，應(yīng)用成球黏性土施工工藝，天麒號(hào)生產(chǎn)得到明顯好轉(zhuǎn)，日產(chǎn)量由原來的不足3萬m3逐漸提高到5萬m3，生產(chǎn)率由1 500 m3/h提高到2 300 m3/h，萬立方米油耗減小近50%，效益顯著。

5 結(jié)語

以現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以泥泵管路輸送理論為依據(jù)，結(jié)合土質(zhì)工況和船舶設(shè)備性能，開展了成球黏性土輸送工藝研究，提出并實(shí)踐了絞吸船疏浚成球黏性土施工工藝，該工藝消除了密度計(jì)響應(yīng)的延時(shí)，并優(yōu)化管道內(nèi)輸送固體物級(jí)配，顯著提高了施工生產(chǎn)率，降低了堵管風(fēng)險(xiǎn)，成功應(yīng)用于現(xiàn)場生產(chǎn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，可供類似黏性土輸送工程參考。

[1] 王小弟，陶沖林．新海鱷輪挖吹硬塑性亞黏土施工分析[J]．中國港灣建設(shè)，2007（6）：43-46.WANG Xiao-di，TAO Chong-lin.Construction analysis of excavating and pumping hard plastic loam by Xinhaie cuttersuction dredger[J].China Harbour Engineering，2007（6）：43-46.

[2] 于利偉．三相流管道輸送試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析研究[D]．武漢：武漢理工大學(xué)，2006.YU Li-wei.Analysis and research on pipe transportation test and numerical simulation with three-phase flow[D].Wuhan：Wuhan University of Technology，2006.

[3] BOOR M O.Dredging through clay[J].Rock Products，2005，108（4）：28-31.