田會(huì)靜，張磊，秦亮，李章超

（1.中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300461；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461；3.天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 300457）

泥泵泥漿揚(yáng)程計(jì)算模型的對比分析及工程應(yīng)用

田會(huì)靜1，張磊1，秦亮2，李章超3

（1.中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300461；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461；3.天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 300457）

基于自主開發(fā)的DTAS系統(tǒng)，分別以曹妃甸和東莞施工數(shù)據(jù)為參照，采用規(guī)范方法、GIW的Hr簡化法、沃曼的HrEr完整法以及反分析法等4種泥泵泥漿揚(yáng)程的計(jì)算方法對施工現(xiàn)場進(jìn)行模擬計(jì)算，并與施工數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，得出針對曹妃甸較單一土質(zhì)，規(guī)范算法的計(jì)算數(shù)值偏低，而Hr簡化法和HrEr完整法的計(jì)算結(jié)果最為接近實(shí)際的施工數(shù)據(jù)，因此實(shí)際施工中推薦采用考慮因素更為全面的HrEr完整法。對于東莞混合性土質(zhì)，規(guī)范方法+反分析法能互相彌補(bǔ)不足，得出系數(shù)KH，從而為施工的進(jìn)一步計(jì)算分析奠定基礎(chǔ)。建議在泥泵泥漿揚(yáng)程計(jì)算時(shí)，要針對不同的土質(zhì)選擇合適的計(jì)算模型，以便對施工做出更加準(zhǔn)確的預(yù)測。

挖泥船輸送系統(tǒng)；DTAS；泥泵泥漿揚(yáng)程；特性曲線；運(yùn)行工況區(qū)

0 引言

泥泵泵送泥漿時(shí)的水力特性受土質(zhì)比重、顆粒大小、泥漿濃度、流速等因素影響較大，目前所見到的表示泥泵泵送泥漿特性的公式，基本形式均為Hr=Hw·f，常見的模型有規(guī)范方法、GIW模型和沃曼模型，各種模型均是通過圖表的方式查值、修正計(jì)算泥泵泥漿揚(yáng)程，但具體計(jì)算考慮因素不同，生產(chǎn)實(shí)踐中到底哪種方法適應(yīng)何種土質(zhì)工程，至今實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)較少。

常規(guī)泥泵工況點(diǎn)的計(jì)算較為復(fù)雜，而利用天航局開發(fā)的DTAS系統(tǒng)可以方便快捷地得到計(jì)算結(jié)果，DTAS系統(tǒng)不僅涵蓋了上述3種泥泵泥漿揚(yáng)程的計(jì)算方法，還增加了以規(guī)范算法為基礎(chǔ)的反分析方法。本文將以曹妃甸和東莞的施工數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對4種計(jì)算模型進(jìn)行對比分析，得出各自的適用性及局限性，以便為施工人員提供參考。

1 泥泵泥漿揚(yáng)程計(jì)算方法

1.1 規(guī)范算法

根據(jù)JTS 181-5—2012《疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，泥泵泥漿揚(yáng)程宜按照下列公式計(jì)算[1-2]：Hm=Hw[KH（γm-γw）+1] （1）式中：Hm為泥泵的泥漿水頭，m；Hw為泥泵的清水水頭，m；γm為泥漿密度，t/m3；γw為清水密度，t/m3；KH為泥泵泥漿揚(yáng)程土質(zhì)換算系數(shù)，取值見表1。

表1 KH系數(shù)表Table 1 KHcoefficien t table

1.2 Hr簡化法

《Slurry Transport Using Centrifugal Pumps》[3]基于過去15年GIW實(shí)驗(yàn)室所做的水動(dòng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)了泥泵揚(yáng)程下降值與土顆粒中值粒徑、葉輪直徑等的關(guān)系。圖1[3]中給出了土顆粒比重2.65，細(xì)粒含量為0，泥漿體積濃度為15%時(shí)的不同葉輪直徑的泥漿揚(yáng)程下降值與土顆粒直徑的關(guān)系。當(dāng)土顆粒比重不是2.65，細(xì)粒含量不是0時(shí)，泥泵泥漿揚(yáng)程需要進(jìn)行修正。

圖1 Hr簡化法Fig.1 Sim p lified method of H r

1.3 HrEr完整法

根據(jù)沃曼的《泥漿泵手冊（2009）》[4]，基于實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程施工數(shù)據(jù)，圖2給出了不同泥漿濃度、不同土顆粒直徑、不同土顆粒比重以及不同葉輪直徑情況下的泥泵泥漿揚(yáng)程和效率的下降圖[4]。

圖2 H rEr完整法Fig.2 Com pleted method of H rEr

1.4 反分析方法

反分析方法是以規(guī)范算法為基礎(chǔ)，見式（1），以施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)為依據(jù)，反分析出公式中的系數(shù)KH，得出本土質(zhì)的適用系數(shù)，從而以該系數(shù)為參考，對施工生產(chǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的預(yù)測分析。

DTAS系統(tǒng)擬搜集各個(gè)施工現(xiàn)場不同土質(zhì)對應(yīng)的系數(shù)，形成天航泵泥漿性能庫，從而能方便快捷地選擇對應(yīng)的系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。

2 工程應(yīng)用計(jì)算分析

2.1 曹妃甸施工案例

曹妃甸某疏浚吹填工程，疏浚土質(zhì)為粉砂，土顆粒中值粒徑0.075 mm，天然土密度1.85 t/m3，土顆粒比重2.65，泥漿天然土體積濃度30%。施工船舶為天鷗船，水下泵+兩個(gè)艙內(nèi)泵共同運(yùn)行（水下泵258 r/min，艙內(nèi)泵330 r/min）。管線長度12 500 m，管徑800 mm。

下面分別采用規(guī)范算法、Hr簡化法、HrEr完整法3種泥泵泥漿揚(yáng)程計(jì)算方法模擬施工情況，并與施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。計(jì)算結(jié)果見表2及圖3～圖5。

通過3種計(jì)算方法的對比可以看出，針對曹妃甸的粉砂土質(zhì)，Hr簡化法和HrEr完整法與施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)最為相符，而規(guī)范算法的計(jì)算值與實(shí)際相比略低一些。究其原因，可以看到表1中，對于某一種或是某三種土質(zhì)，系數(shù)KH的值是固定的一個(gè)數(shù)值，然而疏浚過程是很復(fù)雜的過程，涵蓋了多種參數(shù)的影響，一個(gè)簡單的參數(shù)KH遠(yuǎn)不能描述復(fù)雜的真實(shí)的施工情況。而后兩種方法，是在大量實(shí)驗(yàn)及工程項(xiàng)目施工數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得出的，較全面地考慮了泥漿濃度、土顆粒直徑、土顆粒比重、細(xì)砂含量、葉輪直徑等參數(shù)的影響，更加貼合真實(shí)的施工情況。

表2 揚(yáng)程及生產(chǎn)率不同算法的對比Table 2 Comparison ofpum ping head and productivity

圖3 工況點(diǎn)和工況區(qū)（規(guī)范算法）Fig.3 W orking condition points and working condition areas(canonicalalgorithm)

圖4 工況點(diǎn)和工況區(qū)（Hr簡化法）Fig.4 W orking condition points and working condition areas(H r)

圖5 工況點(diǎn)和工況區(qū)（H rEr完整法）Fig.5 W orking condition points and working condition areas(HrEr)

2.2 東莞施工案例

2011年天鯨號在東莞施工，土質(zhì)為粉質(zhì)黏土+中風(fēng)化頁巖，巖石飽和抗壓強(qiáng)度5～12 MPa，屬于軟質(zhì)巖石。施工工況為水下泵+2號泵，水下泵轉(zhuǎn)速為200 r/min，2號泵轉(zhuǎn)速為278 r/min，以泥漿密度分別為1.05 t/m3、1.07 t/m3、1.10 t/m3、1.14 t/m3時(shí)的數(shù)據(jù)作為樣本進(jìn)行分析計(jì)算[5]。

根據(jù)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[6]，見圖6，圖中實(shí)線為2號泵278 r/min時(shí)的清水特性曲線，不同形狀的散點(diǎn)分別為泥漿密度為1.05 t/m3、1.07 t/m3、1.10 t/m3和1.14 t/m3時(shí)的施工數(shù)據(jù)。

圖6 天鯨號2號泵泥漿特性施工數(shù)據(jù)Fig.6 Construction data of slurry properties of No.2 TianJing Hao pum p

根據(jù)施工數(shù)據(jù)和泥泵的清水?dāng)?shù)據(jù)，以規(guī)范方法為基礎(chǔ)，反分析出泥泵泥漿揚(yáng)程土質(zhì)換算系數(shù)。計(jì)算結(jié)果分別見表3。

表3 泥泵泥漿揚(yáng)程土質(zhì)換算系數(shù)Table 3 The soil proper ty coefficient conversion factor of the discharge distance of slurry in dredge pump

對于類似東莞粉質(zhì)黏土+中風(fēng)化頁巖的混合性土質(zhì)，規(guī)范算法沒有給出相應(yīng)的系數(shù)，Hr簡化法和HrEr完整法也沒給出類似的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但是在規(guī)范算法的基礎(chǔ)上，通過反分析方法可以求出系數(shù)KH，因此對于混合土質(zhì)，規(guī)范算法+反分析法能互相彌補(bǔ)不足，可對施工進(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)測。

3 結(jié)語

通過對比3種泥泵泥漿揚(yáng)程的計(jì)算方法可以看出，對于曹妃甸粉砂土質(zhì)，規(guī)范算法的計(jì)算較實(shí)際數(shù)據(jù)偏低，有很大的局限性，而基于實(shí)驗(yàn)和施工數(shù)據(jù)的Hr簡化法和HrEr完整法的計(jì)算結(jié)果更能反映實(shí)際的施工情況，實(shí)際施工中推薦采用考慮因素更為全面的HrEr完整法。

對于混合性土質(zhì)，各種模型都難以給出具體的計(jì)算方法，但是通過反分析方法可以求出泥泵泥漿揚(yáng)程系數(shù)KH，同時(shí)可以看出系數(shù)KH是隨泥漿密度而變化的，這表明，在較豐富的施工數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，反分析方法能很好地彌補(bǔ)這一不足。因此通過大量工程數(shù)據(jù)的反分析建立泥泵特性數(shù)據(jù)庫，能更加真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際的施工情況，并為施工生產(chǎn)提供更為準(zhǔn)確的參考及預(yù)測，這也是疏浚企業(yè)技術(shù)積累的目標(biāo)之一。

[1]JTS 181-5—2012，疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. JTS 181-5—2012,Design code for dredging and reclamation works [S].

[2]JTS 207—2012，疏浚與吹填工程施工規(guī)范[S]. JTS 207—2012,Construction code for dredging and reclamation works[S].

[3]WILSON K C,ADDIE G R,SELLGREN A,et al.Slurry transport using centrifugal pump[M].The Netherlands:Kluwer Academic Publishers,1996.

[4]WARMAN.Slurry pump handbook[K].2009.

[5]中交天津航道局有限公司.無掩護(hù)絞吸船挖巖施工工藝研究[R].2013. CCCC Tianjin Dredging Company Ltd.Cutter suction dredgers rock excavation technology research[R].2013.

[6]天津市航?？萍挤?wù)有限公司.絞吸挖泥船泥泵輸泥計(jì)算手冊[M].1996. Tianjin Hang Jun Technology Services Ltd.Cutter suction dredger pump transport calculation manual[M].1996.

Com parative analysis and engineering app lication of pum p head calculation models

TIAN Hui-jing1,ZHANG Lei1,QIN Liang2,LIZhang-chao3
（1.CCCC Tianjin Port&Waterway Prospection&Design Research Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China; 2.CCCC Tianjin Dredging Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China;3.Tianjin Key Laboratory for Dredging Engineering Enterprises, Tianjin 300457,China）

Based on the DTAS system developed by Tianjin Dredging Company and with construction data from Caofeidian and Dongguan projects as

respectively,we performed analog computation of construction sites using 4 methods of calculating dredge pump slurry head,that is,the standardized method,the Hr reductionism method of GIW,the HrEr comp lete analysis method of Warman,and the back analysis method.Comparing with the construction data,we drew the conclusion that for silt soil of single property in Caofeidian,the calculations with the standardized method was rather low while the results with the Hr reductionism method and the HrEr complete analysis method were close to the actual construction data.Therefore,the HrEr method should be recommended in the construction.For the m ixed soil of Dongguan,the standardized method and the back analysis method can work together to get the coefficient KH,and thus lay the foundation for further construction analysis and calculation.The result recommends that for the calculation of different construction soil,suitable calculation model should be selected to make more accurate construction predictions.

dredger delivery system;DTAS;dredge pump slurry head;characteristic curve;operating condition area

U616.21

A

2095-7874（2016）11-0017-04

10.7640/zggw js201611004

2016-05-31

2016-07-08

國家科技支撐計(jì)劃課題項(xiàng)目（2014BAB16B03）

田會(huì)靜（1982— ），女，天津市人，碩士，高級工程師，水利水電工程專業(yè)，主要從事疏浚技術(shù)研究工作。E-mail：tiantian9804@163.com