成球黏性土長距離輸送施工工藝

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，密實黏性土在管路水力輸送過程中會形成球塊狀，使輸送的水力損失較不成球黏性土明顯增大，同時堵管潛在風(fēng)險大，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，對于密實成球黏性土相關(guān)輸送臨界流速定量計算及系統(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

大型絞吸船天麒號在廈門地區(qū)施工密實黏性土，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6個吹填區(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)運行情況

天麒號絞吸船配備3臺進(jìn)口900 WN型泥泵，水下泵由變頻電機(jī)驅(qū)動，設(shè)計轉(zhuǎn)速228 r/min，兩臺艙內(nèi)泵由柴油機(jī)驅(qū)動，設(shè)計轉(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為天麒號絞吸船在該工地清水和施工挖泥時的典型工藝參數(shù)。

從表1中可以看出，泵送清水時，3臺泵轉(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)動系統(tǒng)總功率9 273 kW；相同管線輸送1.16 t/m3密度泥漿時，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，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，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)險時增加泥泵轉(zhuǎn)速結(jié)果爆管的情況。在低承壓管線施工時考慮到安全因素，操作人員控制濃度偏低。而在高承壓能力管線施工時，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)生堵管危險時可以迅速采取給泥泵升轉(zhuǎn)速提高瞬時排壓，保證正常生產(chǎn)。

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

2.2 管徑對產(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)實測數(shù)據(jù)，對于天麒號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)速沒有上升空間，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)勢外，較800 mm管提高施工濃度的另外一個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，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。目前有多種計算管道中臨界流速的方法，然而對于成球黏性土并未見有文獻(xiàn)報道其適用的方法。

本次分析將討論6種計算臨界速度的公式，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，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模型相近計算結(jié)果較小，對密度值也不靈敏；技術(shù)規(guī)范公式二和Zandi模型計算值較適中，對密度變化靈敏，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

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造成不利影響，合理控制施工濃度和流速是非常重要的，對此提出了嚴(yán)格控制流速的要求。流速變化是由整個管路的泥漿密度決定，反應(yīng)相對滯后，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-密度對應(yīng)表Table4 Corresponding tableof vacuum and density

4.2 分層優(yōu)化土質(zhì)顆粒級配施工

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響應(yīng)的延時，并優(yōu)化管道內(nèi)輸送固體物級配，顯著提高了施工生產(chǎn)率，降低了堵管風(fēng)險，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.