大型耙吸式挖泥船泥艙格柵設(shè)計與裝艙溢流損失探討

逯新星，魏建峰，陳少軍

（上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136）

0 引言

在航道疏浚與海上取運(yùn)砂等工程中自航耙吸式挖泥船往往扮演著重要的角色。耙吸式挖泥船的施工效率也很大程度上影響著工程進(jìn)度以及工程利潤等方面，因此耙吸式挖泥船的施工效率在工程中會得到格外的關(guān)注。通過對船舶施工情況的監(jiān)控，從施工工藝以及設(shè)備改進(jìn)等方面來提升耙吸式挖泥船的施工效率。而溢流損失是反映耙吸式挖泥船施工效率的一個重要因素，減少溢流損失也是增加施工效率的一個重要方面。

耙吸式挖泥船泥艙格柵設(shè)計是利用水力消能原理，在不影響裝艙效果的同時，盡可能減少溢流損失、增加船舶裝艙效率的設(shè)備改進(jìn)方式。

1 溢流損失

1.1 基本概念

耙吸式挖泥船在采用裝艙溢流施工工藝時，泥泵吸上來的泥砂不能完全沉淀于泥艙，隨著溢流過程而排出泥艙，稱為溢流損失。用公式表示為溢流產(chǎn)量與裝艙產(chǎn)量的比值[1]。

式中：Pbru為裝艙產(chǎn)量，m3/s；Pnet為溢流產(chǎn)量，m3/s；Cvout為溢流濃度，%；Cvin為裝艙濃度，%；Qout為溢流流量，m3/s；Qin為裝艙流量，m3/s。

1.2 影響因素

由式（1）看出溢流濃度越大，溢流損失就越大，而溢流濃度是溢流出泥艙的單位體積含砂量。假設(shè)進(jìn)艙的單位體積含砂量一定，要使溢流的單位體積的含砂量變小，則必須有一部分泥砂發(fā)生了沉淀。溢流損失越小，這個沉淀量就必須越大，而影響泥砂沉淀量大小的決定性因素就是泥砂的沉淀速度，因此研究泥砂的沉速是提高裝艙溢流效率不可缺少的內(nèi)容。在發(fā)生溢流損失時，泥艙內(nèi)的液面是高于溢流筒頂端的。也就是說只有高于溢流筒的泥漿才能發(fā)生溢流，如圖1所示。

圖1 可溢流區(qū)域剖面示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overflow area section

泥砂從泥砂出口運(yùn)動到溢流筒，在這個過程中如果泥砂沉淀深度H'大于泥艙液面到溢流筒頂部的距離H0，那么這部分泥砂就不會發(fā)生溢流損失。泥沙沉淀深度可用下式計算[2]：

式中：S為泥砂由出砂口運(yùn)動到溢流筒的水平路程，m；ω為泥砂沉淀速度，m/s；V為泥漿流速，m/s；H'為泥砂沉淀深度，m。

從式（2）可以看出，沉速ω越大，流速V越小，泥砂沉淀深度H'越大，就越不容易發(fā)生溢流損失。而S是由泥艙大小以及出泥口設(shè)計布局控制的，此處暫不考慮其變化。

1.2.1 對泥砂沉速的研究

對泥砂的沉淀應(yīng)考慮其動水中的運(yùn)動情況。泥砂動水沉速公式（該公式適用于水流挾砂濃度小于50 kg/m3的條件下）如下[3]：

式中：K為動水沉降系數(shù)；ω動為動水泥砂沉速，m/s；ω0為靜水泥砂沉速，m/s；v*'為水流紊流強(qiáng)度。

式中：v為流速，m/s；n為滿寧糙率；g為重力加速度，m/s2；v*為切力流速，H為水深，m；J為比降。

將式（4）帶入式（3）可得：

從式（5）可以分析得出，在水深H一定的情況下，泥砂動水沉降速度ω動與其靜水沉降速度ω0成正相關(guān)，與流速v成負(fù)相關(guān)。反映泥砂靜水沉降速度的經(jīng)驗(yàn)公式就比較多了，以岡恰洛夫公式[4]為例：

層流區(qū)沉速公式（d＜0.15 mm）：

過度流區(qū)沉速公式（0.15 mm＜d＜1.5 mm）：

紊流區(qū)沉速公式（d＞1.5 mm）：

不同粒徑d對應(yīng)的泥砂靜水沉速經(jīng)驗(yàn)公式不同，類比多種經(jīng)驗(yàn)公式，基本可以得出，泥砂靜水沉速ω與泥砂比重γs、泥砂直徑d成正相關(guān)，與運(yùn)動黏滯系數(shù)υ成負(fù)相關(guān)。在客觀環(huán)境不變的情況下，泥砂靜水沉速ω為定值。

綜上可以得出結(jié)論：在其他情況一定時，泥漿流速越小，泥砂沉速就越大。影響泥砂沉速的因素非常多，除了比重、直徑、流速外，還與流態(tài)，砂粒形狀、密度以及泥砂所在介質(zhì)的運(yùn)動黏度有關(guān)，同時還受溫度，含鹽度等因素影響。對于挖泥船施工工況的不可控性，很多外在影響因素較為復(fù)雜且難以模擬，所以只對泥漿流速進(jìn)行研究。

1.2.2 對泥漿流速的研究

在研究流速控制前，首先明確研究對象。發(fā)生溢流損失的是溢流筒上部的泥漿，因此對溢流筒水平面以上的泥漿進(jìn)行流速控制研究才具有實(shí)際意義。為了模擬一個較為平衡的狀態(tài)，對于一些變量也必須做一定的假設(shè)，例如：進(jìn)艙流量Q進(jìn)一定；溢流損失流量Q出一定，且Q進(jìn)=Q出。

式中：V1為距離進(jìn)艙口較近的某一進(jìn)艙斷面（艙壁和泥漿表面、溢流筒水平面所形成的斷面）水流水平平均流速；V2為距離溢流筒較近的某一溢流斷面（艙壁和泥漿表面、溢流筒水平面所形成的斷面）水流水平平均流速；S1為進(jìn)艙后V1對應(yīng)的溢流筒水平面上方的泥漿斷面面積；S2為溢流前V2對應(yīng)的溢流筒水平面上方的泥漿斷面面積；H1為S1斷面所對應(yīng)的泥漿表面到溢流筒水平面的高度差；H2為S2斷面所對應(yīng)的泥漿表面到溢流筒水平面的高度差；B為泥艙寬度。

需要說明的是：為了增加可比性，這里選取的溢流斷面是靠近溢流筒可溢流的泥艙橫截面，如圖2所示。而現(xiàn)實(shí)中這個溢流截面是圍繞溢流筒的一個圓形截面。這種轉(zhuǎn)換驗(yàn)證的可靠性，將會在下文中提到。

圖2 斷面假設(shè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of section hypothesis

如果采取某種方式對流速控制后使得V1＞V2，那么H2＞H1。說明流速降低會促使水面壅高。水面壅高就意味著沉淀高度增加，不利于有效沉淀，而流速的降低又會增加泥砂沉速，有利于充分沉淀。這兩者的利弊關(guān)系需要仔細(xì)分析后才能得出結(jié)論。

假設(shè)泥漿密度分布均勻，泥砂沉速分布一致，且采用極限分析方法來比較。

1）以初狀態(tài)的各個量為研究對象，即泥漿始終以流速V1流動，泥砂沉速ω1保持不變，泥面與溢流筒高差始終為H1，流入溢流筒的距離為S。假設(shè)初始斷面某一砂礫距離溢流筒的斷面高差為Hx，則：

式中：H'為泥砂沉淀高度。

若H'＜Hx，說明沉淀高度小于初始斷面高差，則發(fā)生溢流損失；若H'＞Hx，說明沉淀高度大于初始斷面高差，則發(fā)生有效沉淀。

極限假設(shè)，若H'=H1，而因?yàn)镠1≥Hx，故恰好能夠發(fā)生完全有效沉淀，即：

2）以末狀態(tài)的各個量為對象，并將其放在初始斷面進(jìn)行研究，即泥漿始終以流速V2流動，泥砂沉速ω2保持不變，泥面與溢流筒高差始終為H2，流入溢流筒的距離為S，則：

式中：T2為泥砂從初始斷面流動距離S后到達(dá)溢流筒所經(jīng)歷的時間。

將式（13）代入，可得：

假設(shè)恰好發(fā)生完全有效沉淀所需要的時間：

結(jié)合式（15）和式（16）可得：

又由式（11）可得：

由1.2.1節(jié)中對泥砂的沉速研究可知：流速降低，沉速就會增大，故 V1＞V2?ω2＞ω1?T2/T2'＞1，說明有充分時間發(fā)生完全沉淀。

前述提到真實(shí)的溢流截面是圍繞溢流筒的一個截面，長L、高H2'以及流速V2'都和假定的B、H2和V2不同，但可以確定B H2V2＞L H2'V2'，因?yàn)閺募俣ǖ慕孛鍿2通過的泥漿水只有一部分會溢流到溢流筒，還有一部分會到達(dá)泥艙前壁，要么碰撞返回，要么向下運(yùn)動參與下部的回流。本研究是把溢流量進(jìn)行了放大，當(dāng)放大后的結(jié)果都能滿足推論，那真實(shí)的情況也一定滿足。

采用極限假設(shè)的方法，由情況1）的“恰好能夠發(fā)生完全沉淀”推導(dǎo)到情況2）中的“充分發(fā)生完全沉淀”，說明情況2）的條件對于控制溢流損失更為有利。情況2）的數(shù)據(jù)是由于減小流速后由情況1）的數(shù)據(jù)演變而來的，這是一個漸變過程，用極限對比的方法來解決前面所提到的問題，即：沉淀高度增加和沉速增加兩者對于充分沉淀的利弊關(guān)系。經(jīng)過比較不難看出，沉速的增加對于沉淀的有利影響大于沉淀高度增加帶來的不利影響，因此可以毫無顧慮地研究采取措施降低流速。

2 降低流速的措施分析

消能措施是一種降低流速的方法，在水力學(xué)里運(yùn)用廣泛，因此合理的采取消能措施對于泥艙流速的控制和降低溢流損失是十分有效的。

2.1 裝艙系統(tǒng)消能

管道或溜泥槽的末端裝有擴(kuò)散器或消能系統(tǒng)，能降低泵吸進(jìn)來的泥漿流速和分散泥漿。對裝艙系統(tǒng)有兩個要求：

1）必須降低泵入泥艙的泥漿能量。

2）進(jìn)來的泥漿不應(yīng)含有很多氣泡。

泥漿的低能量（即低流速）和不含氣泡，有利于泥砂顆粒在泥艙中迅速沉淀，從而減少溢流損失。根據(jù)其他學(xué)者做過的大量試驗(yàn)可知，在泥砂出口處安裝消能系統(tǒng)是降低泥漿流速最有效的方法之一。常見的消能系統(tǒng)有：擴(kuò)散器系統(tǒng)、深裝艙系統(tǒng)和沸騰箱式系統(tǒng)。

擴(kuò)散器系統(tǒng)：就是在泥砂出口處安裝一個喇叭形擴(kuò)散裝置，泥漿經(jīng)過擴(kuò)散裝置出來后使得能量散開。

深裝艙系統(tǒng)：將擴(kuò)散器深入泥艙內(nèi)較深處，使流速在擴(kuò)散器內(nèi)大大減低，當(dāng)泥漿離開擴(kuò)散器時，剩余的能量在沉降的固體顆粒土層中消散。

沸騰箱式系統(tǒng)：該系統(tǒng)全由格柵組成，格柵起到擴(kuò)散器作用[5]。

以上3種系統(tǒng)都進(jìn)行過廣泛的模型和實(shí)物試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，疏浚細(xì)砂且在泥艙裝載很低時，從限制溢流的觀點(diǎn)來看，深裝艙系統(tǒng)是3種系統(tǒng)中最佳的一種。在泥艙裝載較高時，推薦采用沸騰式裝艙系統(tǒng)和擴(kuò)散器系統(tǒng)。大部分情況下耙吸挖泥船都會采用裝艙溢流的施工工藝，因此深裝艙系統(tǒng)并不實(shí)用，又因?yàn)榉序v箱式裝艙系統(tǒng)在造價、維修以及安裝使用上都較簡單，同時又能格擋住挖泥過程中吸上來的大型石塊，避免其掉落而使泥艙底部因重?fù)舳軗p，因此該系統(tǒng)受到大型耙吸挖泥船的青睞，見圖3所示。

圖3 沸騰箱式出泥系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of boiling box out of mud system

2.2 泥艙消能設(shè)計

采用格柵消能的方式時，對于緩流，基本起不到降低流速的作用，但是對于急流來講就不同了。高速運(yùn)動的泥漿水流在經(jīng)過格柵時容易形成水躍，進(jìn)而產(chǎn)生跌水消能；或者撞擊柵壁，直接抵消掉一部分能量，因此使得柵后水面壅高，水流斷面面積增大，流速降低，進(jìn)而使得泥砂沉淀充分[6]。泥艙內(nèi)前中期泥漿運(yùn)動大體呈現(xiàn)為上下層環(huán)流，在上部設(shè)置格柵，可以有效降低上層環(huán)流的速度，并影響下層流速，使得泥漿的整個環(huán)流速度降低，從而減少溢流損失。對于后期的沖刷溢流損失，格柵也起到了非常明顯的作用，直接阻擋因高速水流卷起的泥砂，加速二次沉淀，如圖4所示。

圖4 泥艙內(nèi)格柵分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of grille distribution in the mud cabin

由于格柵橫跨距離較長，對其強(qiáng)度要求很高。一般泥艙設(shè)計都采用了箱型龍骨結(jié)構(gòu)，格柵可以設(shè)計在龍骨的下方，與橫向龍骨架連為一體，其兩邊支出部分直接與泥艙壁連為一體。格柵鋼板的厚度應(yīng)適當(dāng)大于理論設(shè)計值，防止長時間因沖擊而導(dǎo)致扭曲變形、甚至斷裂等危害。格柵的高度應(yīng)適當(dāng)，過高首先不利于強(qiáng)度要求，還容易引起后期裝艙過程出現(xiàn)泥砂不均勻堆積現(xiàn)象；過低達(dá)不到理想的效果。一般將格柵設(shè)計為下邊緣與裝艙泥砂出口的下邊緣齊平或者略低即可，見圖5。

圖5 泥艙格柵設(shè)計剖面圖Fig.5 Design profile of the mud cabin grille

探討了格柵設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)，也必須考慮它的負(fù)面影響。首先研究是否會產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致泥艙裝艙不均勻。不均勻裝艙不僅降低了裝載量和裝艙效率，而且對船舶航行和拋泥過程也產(chǎn)生不利影響。格柵的設(shè)計肯定會在安裝處加速局部沉淀。因?yàn)橛幸徊糠帜嗌拔创┻^柵孔，直接作用在柵壁上的泥砂很有可能直接向下沉降。以下探討這部分直接向下沉淀的泥砂是否會在格柵下面堆積。

在裝艙的前中期，整個泥艙的泥漿運(yùn)動以上下層流為主，上層流體受到格柵的影響，有一部分泥砂直接向下發(fā)生沉淀，但是沉淀一定距離后會受到下層層流的影響，從而跟隨下層層流移動，不會發(fā)生堆積現(xiàn)象。而在裝艙的末期，也就是接近沖刷階段或已經(jīng)發(fā)生沖刷現(xiàn)象這個時期，泥砂會因?yàn)楦駯虐l(fā)生較明顯的堆積現(xiàn)象。但是，這個時期水流的速度是非?？斓?，因?yàn)檫@個階段從出砂口出來的泥漿直接作用于空氣，而不是前中期的淹沒出流，阻力相對較小，沖擊力較大，容易沖散堆積的泥砂，使整個泥砂面趨于平整[7]。再者，一般達(dá)到滿載時，泥砂也不會觸及到格柵下邊緣。根據(jù)分析，因設(shè)置格柵而產(chǎn)生的不均勻沉淀現(xiàn)象并不會很嚴(yán)重，同時也可根據(jù)實(shí)際情況，合理調(diào)節(jié)前后裝艙口，維持整個船舶相對平穩(wěn)。

其次，探討格柵是否會影響泥漿相對平穩(wěn)的流勢，從而加大擾動現(xiàn)象。擾動的產(chǎn)生會減弱沉淀效果。格柵的作用是消能、減緩流速，對泥漿的流勢也會產(chǎn)生一定的影響。泥漿在通過格柵時會產(chǎn)生少量擾動，而這種擾動也會隨著泥漿流動和上下層水流擠壓得到平復(fù)，故影響不大。其實(shí)，對于現(xiàn)實(shí)中的泥艙內(nèi)泥漿的運(yùn)動，擾動現(xiàn)象是十分突出的，即使格柵增大了擾動，但是增大程度與其本身的擾動情況比較也可忽略不計，所以不用擔(dān)心格柵引起的擾動現(xiàn)象。

3 結(jié)語

格柵應(yīng)用廣闊，類型也多種多樣，除了上述圖示的圓形開孔外，還有多種類型的開口，如條形、橢圓形等，哪種類型的開口最為合適需通過試驗(yàn)來說明。本文中一些推論、假設(shè)、設(shè)計是根據(jù)專業(yè)知識，查閱相關(guān)資料并結(jié)合實(shí)際，經(jīng)過理論分析得出的，其專業(yè)性、有效性、實(shí)用性都有待模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)計中并未得出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)模型，其合理性需要反復(fù)試驗(yàn)才能得出結(jié)果。此設(shè)計是源于新?；?輪的泥艙設(shè)計基礎(chǔ)上做的改進(jìn)，其廣泛適用性有待進(jìn)一步觀察。本文僅為設(shè)計耙吸挖泥船泥艙裝載系統(tǒng)方面的改進(jìn)提出理論性的建議。