耙吸船疏挖多石底質施工技術與應用

高偉，李金峰，吳永彬

（中交天津航道局有限公司，天津 300461）

耙吸船疏挖多石底質施工技術與應用

高偉，李金峰，吳永彬

（中交天津航道局有限公司，天津 300461）

隨著經(jīng)濟貿易往來和旅游業(yè)的發(fā)展，深水大港、離岸人工島的建設愈發(fā)重要，在疏浚施工中施工多石底質的工程日趨增多，到目前為止耙吸船疏挖該土質是國際疏浚難題。分析了耙吸船疏挖多石底質的難點、采取的解決措施及應用效果，為今后類似工程項目的順利實施提供借鑒。

疏浚工程；耙吸挖泥船；多石底質；施工技術

0 引言

某工程施工底質為珊瑚礁盤中的砂源帶，砂源中夾雜大量珊瑚礁石，粒徑多在20～40 cm，工程投入多條萬m3耙吸船施工，頻繁的堵耙、堵泵造成耙吸船產(chǎn)能無法有效發(fā)揮，面對嚴格的工期要求，如何提高耙吸船生產(chǎn)效率是擺在生產(chǎn)技術人員面前的重要課題。與此類似，俄羅斯布朗克疏浚工程施工區(qū)內存在大量由歷年冰川攜帶沉積而成的直徑不一的塊石，大部分直徑在30～40 cm，為耙吸船施工帶來極大困難。本文將以上述工程為背景，結合其他類似工程，討論此類難題的解決方法，總結類似工程的施工經(jīng)驗。

1 工程難點

1.1 堵泵

耙吸船施工時，大石塊等雜物無法通過泥泵流道，會卡在泥泵相鄰葉片之間無法排出，同時伴隨著泥泵流量、功率的下降，甚至是泥泵強烈的震動，影響船舶產(chǎn)量和輸泥設備安全。

1.2 堵耙

為防止堵泵現(xiàn)象，往往根據(jù)泥泵葉輪球面通道直徑安裝略小尺寸的吸口格柵，限制可能引發(fā)堵泵的石塊進入泥泵。但小尺寸格柵嚴格限制了可疏挖石頭的尺寸，石塊卡在格柵之間又導致嚴重的堵耙問題，阻礙疏浚物的吸入，造成泥泵真空度上升、流速下降，施工效率、有效挖泥時間大幅降低，生產(chǎn)效率受到影響，甚至會發(fā)生泥泵汽蝕現(xiàn)象[1]，損害輸泥設備。

1.3 挖泥設備損壞

耙吸船拖帶耙頭一般以1～3 kn航速航行，埋在土體中的大石塊對耙頭，尤其是對耙齒形成強大沖擊力，耙頭斷齒座、斷齒、掉齒現(xiàn)象突出。

2 解決措施

2.1 格柵形式

耙吸船耙頭格柵一般有鋼板格柵、組合式格柵、鏈條格柵和鋼絲繩格柵等形式，見圖1。

圖1 不同格柵形式Fig.1 Different grid forms

某工程施工過程中，根據(jù)以往施工資料，分析了幾種不同類型格柵的適用性，并進行了現(xiàn)場試驗。

1） 鋼板格柵

鋼板格柵采用鋼板焊接而成，整體固定安裝在耙頭本體內。按照安裝位置不同，分為鋼板格柵內置和外置兩種情況，其中內置格柵是將格柵上、下、左、右焊接在耙腔內完全固定，耙頭在挖掘過程中，格柵與泥面趨于垂直或夾角較大，而外置格柵是將格柵下、左、右焊接在耙腔邊緣，位置靠近耙腔出口，上部懸空，耙頭在挖掘過程中，格柵與泥面夾角較小，易于石塊在重力下脫落，清耙簡單，且格柵面積更大。

2） 組合式格柵

格柵分為上下兩部分，上部格柵角度與耙頭水平夾角約40°，安裝在耙頭活動罩上，隨著耙頭活動罩的調節(jié)而活動。下部格柵安裝在耙腔外端為固定格柵，上下兩部分格柵之間留有空隙，在耙頭活動罩調節(jié)過程中保持空隙不變。在施工時如果發(fā)現(xiàn)有堵耙的跡象，可提升耙頭同時反復調節(jié)活動罩角度，部分石塊在自身重力作用下將自由脫落。

3） 鏈條格柵

鏈條格柵由鏈條、卸扣和眼板組成，橫向鏈條通過眼板安裝在耙頭兩側側板上，橫縱向的各鏈條采用網(wǎng)格式鏈接，交點用卸扣（或鋼絲扣）連接。軟格柵與硬質格柵相比，石塊不易卡在格柵網(wǎng)格處，一旦耙頭堵塞，由于鏈條格柵采用卸扣（或鋼絲扣）連接，可直接拆除卸扣取下鏈條，使清石工作簡單、省時。但由于鏈條存在一定伸縮性，為了防止大于泥泵流道的石塊進入泥泵，需要編制的網(wǎng)格尺寸較硬格柵小，致使鏈條占吸口面積比例較大，整個格柵對耙頭真空的損耗較大，吸入效果有一定降低。此類型格柵在多個挖掘硬黏土的工程中應用效果良好[2]。

4） 鋼絲繩軟格柵

由于鏈條格柵中鏈環(huán)的結構復雜，通過減小鏈徑來改善鏈條格柵影響吸入效果的做法效果有限，考慮采用鋼絲繩代替鏈條制作軟格柵，同時有效發(fā)揮出軟格柵柔性連接、對真空度影響小等特點。為此提出了使用鋼絲繩代替鏈條制作軟格柵的方案。相對鏈條格柵，鋼絲繩格柵的結構更為簡單，格柵占吸口面積比例更小，對耙頭真空損耗也相應減小，降低了對施工的負面影響。

可水下自清理；連續(xù)施工時間增加；上架清理時間短；對真空影響??；更換方便。

結構強度較鏈條格柵差，需定期維修、更換。

綜合試驗結果見表1，鋼絲繩軟格柵顯示出對多石底質更好的適應性，其優(yōu)點一是格柵本身具備張力，結構簡單，利于清耙時石塊的脫落，二是更換方便，不會占用挖泥裝艙時間，三是格柵占吸口面積的比例小，對泥泵吸入的影響小。

2.2 耙齒形式

適用于多石底質的耙齒一方面要求強度高，另一方面要求破土能力強。歐洲疏浚公司多用一種重型尖齒（圖2），如JDN公司耙吸船安裝一種挖掘珊瑚礁專用的重型尖齒，其齒座一般安裝于耙吸船的耙頭耐磨塊上，尖齒使用齒銷固定在齒座上，整體強度高，耙齒整體長度超過40 cm，其一方面提高破土能力，另一方面減少大石頭對耙齒的損傷。由于所需的拖曳力較大，其一般應用于單耙耙吸船上，需要在耙頭法蘭、耙管受力部位進行結構加強，保證設備安全。

表1 某工程格柵試驗結果統(tǒng)計Table 1 Test reaults statistics of the grid of a project

圖2 重型尖齒Fig.2 Heavy teeth

國內耙吸船也常將耙齒焊接于耐磨塊上，常見的類型為犁齒其作用主要是利用耙頭重力實現(xiàn)耙齒入土，加強耙頭破土，其常用于疏挖堅硬土質，但此類耙齒長度短基本無法實現(xiàn)防石的功能，若耙齒過長則強度無法保障。國內耙吸船常采用的設備中具有防石功能的是耙頭立板，其安裝于耙頭本體下，高度一般達到20～40 cm，其功能除防石外還有防止耙頭鉆撇的功能，主要用于疏挖黏土、砂等底質，但其對耙頭破土效果不佳。

某工程中，基于防石和破土兩個方面的需要，在犁齒和立板基礎上組合形成破土防石組合齒。即在原犁齒的前端加裝長50 cm、厚3 cm、高40 cm的防石立板，利用該立板撞擊、活絡石頭，減少對耙齒、齒床的破壞，利用立板后面的犁齒對底質進行疏松破土，防石破土組合齒整體焊接在耙頭本體底部，二者的結合大大增加了整體結構強度。經(jīng)實施，該齒能夠有效防止石頭撞擊脫落，同時有效保護了齒床上的耙齒，耙頭破土能力大大增加（圖3）。

圖3 防石破土組合齒Fig.3 Anti-stone&break ground tooth

2.3 葉輪內徑調整

疏挖多石底質時，若大球面通道的泥泵葉輪備件不足，對于特定的耙吸船泥泵葉輪，當泥泵流道寬度成為限制耙吸船產(chǎn)量的關鍵因素時，可考慮切割泥泵葉輪葉片內徑，通過改造擴大泥泵的流道寬度，同步增大耙頭格柵，可有效提高生產(chǎn)效率。水力式挖泥船泥泵葉輪切割常見的形式為外徑切割[3-4]，理論計算較為成熟，主要解決短距離吹填泥泵超負荷的問題，但葉輪內徑切割在水力式挖泥船中少有發(fā)生，也沒有成熟的理論計算方法。

泥泵葉輪內徑切割后泥泵葉片長度減小，作用面積減小，入口角發(fā)生變化，會對泥泵的流量、揚程、必需氣蝕余量[5]產(chǎn)生影響，為保證泥泵性能，在切割葉輪提高石塊通過性的同時，需將葉輪切割對泥泵性能參數(shù)的影響控制在5%以內。通過泥泵特性的一般規(guī)律及數(shù)值模擬顯示，當泥泵葉輪葉片內徑少量切割時，泥泵流量的下降程度較揚程低，因此在計算切割長度時，僅考慮對泥泵揚程和必須汽蝕余量的影響。

公式（1）為泥泵理論揚程公式[6]，示意圖如圖4所示。

圖4 泥泵理論揚程計算示意圖Fig.4 Schematic diagram of theoretical head of deliveryon mud pump

經(jīng)公式推導得葉片內徑切割對泥泵揚程影響的計算公式：

式中：R為原葉輪直徑；r0為葉片切割前葉輪中心距葉片根部距離；r1為葉片切割ΔL1后葉輪中心距葉片根部距離；H1為葉片切割ΔL1后泥泵揚程；H0為原泥泵揚程；β為葉輪葉片出口角角度。

以某工程中13 000 m3耙吸船為例，左、右泥泵流道寬度280 mm，限制了耙頭格柵尺寸，在施工過程中頻繁堵泵、堵耙，經(jīng)研究決定對葉輪葉片內徑實施切割。根據(jù)泥泵葉輪內徑切割對泥泵揚程影響的計算公式，以葉輪切割對泥泵性能參數(shù)的影響控制在5%以內為原則，計算得到切割長度最大值為198 mm，以此建立數(shù)學模型，定義必需氣蝕余量差值ΔH如式（3）、（4）、（5）所示。

設計流量16 000 m3/h、18 000 m3/h、20 000 m3/h、22 000 m3/h、24 000 m3/h、26 000 m3/h，驗證必須汽蝕余量的變化值滿足要求。

泥泵葉輪材料為高硬度耐磨性高鉻鑄鐵，含有較多的碳、鉻和硅元素，不能采用普通的方法氣割，而須采用碳弧氣刨的方法，利用碳棒與工件間經(jīng)通電后產(chǎn)生電弧，使工件局部熔化，同時用壓縮空氣將熔化金屬吹掉，避免采用氣割時產(chǎn)生的不利影響。泥泵葉輪切割完成后，需要對耙頭格柵、裝艙口進行相應調整。13 000 m3耙吸船的葉輪切割后，泥泵流道寬度由280 mm增加到350 mm，數(shù)據(jù)顯示泥泵流量、揚程下降5%之內，同期單船過泵量平均提高44%，裝艙生產(chǎn)率平均提高17%。

2.4 堵耙解決方法

耙吸船在使用鋼絲繩格柵時，當發(fā)生堵耙時首先采取提耙、改變活動罩角度的方式，使得堵塞的石塊自行掉落，而石塊在吸入水流的帶動下無法脫落，可采用脫吸口、改變活動罩角度的手法，利用耙管內反沖的水流將石塊沖落，但此方法長時間頻繁使用會易引起如耙管吸口內襯板、半月板開裂脫落等問題，對耙中萬向節(jié)損害嚴重。

而對于一拖二形式的耙吸船，泥泵轉速可無級調速，對于此類耙吸船可改變單純脫吸口、改變活動罩角度的手法，嘗試提耙頭、不脫吸口、降泵轉、改變活動罩角度，如某工程中18 000 m3耙吸船通過試驗確定清耙時泥泵轉速由正常挖泥（180 r/min） 降低至70～100 r/min，此時流速由6 m/s下降至2～3 m/s，大大減小水流對耙頭石塊的攜帶力，據(jù)統(tǒng)計，脫吸口水流反沖方法每次清耙時間約5 min，提耙頭、降泵轉、升泵轉的過程只需要約3 min，大大提高了堵耙清理的效率。

3 結語

對于耙吸船疏挖多石底質，應該從船舶選配、挖泥設備選擇、施工工藝優(yōu)化等方面入手，注意以下幾點。

1）耙吸船優(yōu)先選配流道寬度大的泥泵施工。耙吸船泥泵流道通道的大小由多方面因素決定，如泥泵入口端直徑、葉片設計，最直接的影響來自葉片數(shù)量，耙吸船泥泵葉片數(shù)量一般在3～5個，葉片分割泥泵入口端的空間，較少的葉片數(shù)量將有利于泥泵球面通道的增大，因此優(yōu)先使用葉片數(shù)量較少的葉輪。

2）耙吸船優(yōu)先選擇安裝單排齒主動耙頭。雙排齒耙頭在疏挖多石底質時易導致雙排齒之間堵卡石塊且不易清理，引起流道堵塞和耙齒入土困難，單排齒耙頭更適應此類土質的挖掘。

3）優(yōu)先選擇一拖二形式的耙吸船并安裝鋼絲繩軟格柵。安裝鋼絲繩軟格柵配合泥泵降轉速、調節(jié)耙頭活動罩，易于耙頭堵塞石塊時的自清理，清耙效果好、效率高。

4）在耙頭本體下加裝防石破土組合齒等，可有效保護耙齒、齒床等挖泥設備，同時提高耙頭破土能力。

5） 耙吸挖泥船吸、排泥管盡量使用耐磨材質。石塊對耙吸船管線的磨損嚴重，耙吸船長時間施工時，需要注意管路的保護，盡量使用耐磨材質，對管系的易磨損部位加大測厚頻次，尤其是彎管的沖擊面，必要時可通過管線內部附襯板、焊接耐磨塊等方法延長管線使用壽命。

[1] 天津航道局．疏浚技術[Z]．1997.CCCC Tianjin Dredging Co.,Ltd.Dredging technology[Z].1997.

[2] 吳永彬，李超超，劉益明，等.耙吸船犁齒軟格柵挖掘硬黏土新工藝應用[J].水運工程，2014（7）：166-168.WU Yong-bin,LI Chao-chao,LIU Yi-ming,et al.New dredging technology for stiff clay by TSHD with plough teeth and soft grid[J].Port&Waterway Engineering,2014(7):166-168.

[3] 趙萬勇，李傳振，薛亞麗，等.葉輪切割方式對雙吸離心泵性能的影響[J].蘭州理工大學學報，2016（3）：57-61.ZHAO Wan-yong,LI Chuan-zhen,XUE Ya-li,et al.Effect of impeller cutting modes on performances of double-suction centrifugal pump[J].Journal of Lanzhou University of Technology,2016(3):57-61.

[4] 陸斌，孫鐵，孟慶娟，等.離心泵葉輪切割計算軟件的設計與應用[J].石油化工設備技術，2015（6）：16-18.LU Bin,SUN Tie,MENG Qing-juan,et al.Design and application of centrifugal pump impeller cutting calculation software[J].Petrochemical Equipment Technology,2015(6):16-18.

[5] 潘中永，倪永燕，湯躍，等.離心泵汽蝕余量計算與預測[J].農業(yè)機械學報，2008，39（12）：206-209.Pan Zhong-yong,NI Yong-yan,TANG Yue,et al.Calculation and prediction of centrifugal pump cavitation[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2008,39(12):206-209.

[6] 關醒凡.現(xiàn)代泵技術手冊[M].北京：宇航出版社，1995.GUAN Xing-fan.Modern pump technical manual[M].Beijing:Journal of Astronautics,1995.

Construction technology and application on TSHD dredging stony soil

GAO Wei,LI Jin-feng,WU Yong-bin
（CCCC Tianjin Dredging Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China）

As development of economic trade and tourism,the construction of deep water port and offshore artificial island become more important.Projects in which dredgers excavate stony soil are increasing greatly,and TSHD dredging this kind of material is an international technical problem so far.We analyzed the difficulties,the adopted measures and the application effects of the TSHD dredging stony soil,which can provide references for the smooth implementation of similar projects in the future.

dredging project;TSHD;stony soil;construction technology

U655.32

B

2095-7874（2017）10-0060-05

10.7640/zggwjs201710013

2017-01-13

2017-04-05

國家科技支撐計劃（2014BAB16B03）

高偉（1969— ），男，河北衡水人，碩士，高級工程師，總工藝師，從事疏浚技術領域研究管理工作。E-mail：tggaowei@126.com