干船塢灌排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

武守元，王廣成

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

1 船塢灌水和排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 船塢灌水和排水系統(tǒng)的選擇

實(shí)例工程為新建的兩個5萬t級造船塢，船塢的基本尺寸為：塢長215 m，塢寬41 m，塢底高程為-4.8 m。船塢的工作參數(shù)為：進(jìn)出塢水位為4.70 m，設(shè)計(jì)高水位為6.72 m，設(shè)計(jì)低水位為0.47 m，平均高水位為5.39 m，平均低水位為1.06 m，極端高水位為7.47 m，塢頂高程為7.80 m。

該船塢為大、中型船塢。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，兩座船塢共用一套排灌水系統(tǒng)，在兩塢之間設(shè)置一座船塢泵房。船塢灌水系統(tǒng)采用單側(cè)虹吸灌水形式，排水系統(tǒng)與灌水系統(tǒng)結(jié)合設(shè)計(jì)。設(shè)置供電控制層、水泵設(shè)備層和流道層；船塢內(nèi)設(shè)置壓載、沖洗和淡水供應(yīng)系統(tǒng)、污廢水排放和消防系統(tǒng)以及結(jié)合水工結(jié)構(gòu)排水減壓系統(tǒng)設(shè)置相關(guān)設(shè)施。

1.2 船塢灌水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船塢灌水系統(tǒng)采用單側(cè)短廊道虹吸灌水型式。虹吸灌水廊道布置為：進(jìn)口斷面為2.1 m×1.5 m（寬×高），進(jìn)口擴(kuò)大喇叭口斷面為3.0 m×2.0 m（寬×高），進(jìn)口上緣高程為-1.40 m，進(jìn)口下緣高程為-3.40 m，至塢前水域底高程的距離為2.2 m。虹吸駝峰處的斷面為2.1 m×1.5 m，駝峰中心的轉(zhuǎn)彎半徑R=4.95 m，駝峰底部高程為7.80 m。虹吸灌水時，啟動真空泵抽氣引水，同時在駝峰處設(shè)有真空破壞閥。船塢的灌水時間約為2.0小時。在灌水系統(tǒng)的進(jìn)口設(shè)有格柵，柵條間距取50 mm。

虹吸駝峰處設(shè)置抽真空裝置，由泵房內(nèi)設(shè)置的2套真空泵抽吸，為1用1備，并兼顧排水虹吸管的抽真空。為減少單側(cè)灌水水流對船塢的影響，本設(shè)計(jì)灌水進(jìn)塢廊道及消力池與排水進(jìn)水廊道及集水池合用。由于兩個船塢共用一個灌水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)在灌水廊道進(jìn)入各自塢室前，分別設(shè)置雙向閘板閥。

船塢灌水量采用式（1）計(jì)算：

式中：

μ為灌水廊道流量系數(shù)，μ=1/(§J+§C+§W+§K+§S+§L+§Y）1/2，§J為輸水廊道進(jìn)口阻力系數(shù)，一般取0.2，§C為輸水廊道出口阻力系數(shù)，通常取1.0，§W為輸水廊道彎管處阻力系數(shù)，取b/R=1.12，經(jīng)計(jì)算[1]得§W=0.2，§K為輸水廊道出口擴(kuò)大處阻力系數(shù)，§K=（1-W1/W2）2=（1-1.5 m×4 m/1.5 m×8.5 m）2=0.28，§S為輸水廊道進(jìn)口收縮處阻力系數(shù)，查表[1]為0.36，§L為輸水廊道進(jìn)口攔污柵阻力系數(shù)，§L=?（S/b）4/3=1.79（2/4）4/3=0.71，§Y為輸水廊道沿程摩阻損失的阻力系數(shù)，內(nèi)襯鋼板取 0.01，因此流量系數(shù)μ=0.60（模型實(shí)驗(yàn)測得為0.53～0.56）；

H為灌水初始水頭，H=9.3 m；

W為灌水廊道計(jì)算斷面面積，4.0 m×1.5 m。

灌水歷時由式（2）計(jì)算：

式中：W1為塢室水面面積。

虹吸灌水系統(tǒng)駝峰底最小壓力估算值按式（3）計(jì)算：

式中：

CP為壓降系數(shù)；

b為駝峰斷面高度，取1.2m。

1.3 船塢排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

排水系統(tǒng)的主泵采用潛水混流泵，輔泵采用立式離心泵。每套泵吸水型式采用單流道布置。主泵選用3套，交替全運(yùn)轉(zhuǎn)。主泵為手動依次啟動，自動停泵，主泵最低停泵液位為-4.4 m。輔泵為3套，輔泵兼做船塢排雨水用泵，塢室內(nèi)的初期雨水通過輔泵，排入塢室廊道內(nèi)的污水接納管內(nèi)，輔泵為按液位依次自動運(yùn)行。經(jīng)計(jì)算船塢的排水時間約為3.90小時（該時間計(jì)算以排水至塢底板為準(zhǔn)）。塢內(nèi)設(shè)置排水溝，溝寬0.8 m，坡度為1.5 ‰。

排水泵布置在泵房內(nèi)，泵房布置如下：

1）流道層：該層與集水池同層并于灌水系統(tǒng)消力池合并，排水主泵在流道層的布置為每套泵設(shè)置單獨(dú)流道池，流道入口設(shè)導(dǎo)流板，泵喇叭口下設(shè)隔板的布置形式，流道長度取6.5D，寬度為3D，泵軸中心線距池壁取1.0D（D為主泵吸水口直徑），為防止進(jìn)水流道旋渦的影響，主泵吸水口處設(shè)置導(dǎo)流板，在塢室進(jìn)入集水池進(jìn)口處，設(shè)置導(dǎo)流柵。塢室進(jìn)集水池前設(shè)檢修閘門，閘門的起吊利用塢頂工藝吊機(jī)。

主排水泵的排水時間按式（4）計(jì)算：

式中：

V為船塢水量；

Q為每臺主泵的平均排水流量的總和。

主泵為虹吸出水，其揚(yáng)程采用式（5）計(jì)算：

式中：

H為泵揚(yáng)程（m）；

K為系數(shù)，取1.05；

h1為出口上緣的淹沒水深（m）；

h2為出水管和吸水管水頭損失（m）（包括沿程和局部水頭損失）；

h3為主泵啟動的最低水位與虹吸駝峰中心高差，主泵啟動最低水位取-4.4 m。

2）設(shè)備層：該層主要包括樓梯間、泵間、吊裝孔、泵的進(jìn)、出水管路及附件，泵間內(nèi)設(shè)有排水主泵、輔泵、壓載和沖洗水泵、消防泵以及排漬泵等。壓載和沖洗水泵為海水泵，主要滿足船舶壓載和沖洗要求。消防泵主要為船塢提供消防用水要求，消防用水亦為海水。壓載和沖洗水泵、消防泵的吸水管為兩根DN600，相互備用，吸水管的取水液位為-1.0 m（低于設(shè)計(jì)低水位），消防管路為雙出戶。泵房內(nèi)設(shè)置兩套排漬泵，根據(jù)液位自動啟停,用于排除泵房內(nèi)日常的少量集水。其集水池為2.5 m×1.5 m，深1.5 m。為保證船塢虹吸灌水系統(tǒng)正常運(yùn)行，泵房內(nèi)設(shè)置兩套真空泵，1用1備，同時兼顧排水虹吸管路運(yùn)行。在外海特定水位情況下，真空泵的引水時間灌水廊道為3.7分鐘，排水管道為0.5分鐘，因?yàn)樵诤缥霉β室欢ㄇ闆r下，灌水廊道虹吸時間和外海水位有關(guān)。

3）電、控設(shè)備層及管理用房：該層為塢頂下層，內(nèi)設(shè)變、配電室，控制室，值班室等，同時該層留有樓梯間和吊裝孔。房間設(shè)有通風(fēng)機(jī)和除濕機(jī)。

4）排水出口：排水泵的出口采用虹吸排水形式。其出口上緣低于平均低水位下0.5 m，駝峰底高程取7.8 m，駝峰處設(shè)有抽吸真空管和真空破壞閥。虹吸排水出口采用喇叭口形式，用于減少出口流速，降低水流沖力對附近船舶的影響。

2 船塢灌水和排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性評價

2.1 船塢灌水和排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性驗(yàn)證

船塢灌、排水泵房設(shè)計(jì)方案和數(shù)據(jù)的合理性，可通過物理模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行校核驗(yàn)證，通過模型實(shí)驗(yàn)可輔助灌水系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足要求，如圖1初始方案是駝峰斷面處管道高度為1 m，后調(diào)整為1.5 m，通過調(diào)整駝峰斷面高度發(fā)現(xiàn)，駝峰斷面高度和整個灌水流道高度相同可有效減少駝峰斷面處負(fù)壓。但對于排水系統(tǒng)，由于實(shí)驗(yàn)泵與實(shí)際運(yùn)行排水泵之間，無論從輸出流量、電機(jī)功率、外型尺寸等都存在差異，對實(shí)際運(yùn)行過程中的水流條件、噪音、震動等情況，模型實(shí)驗(yàn)?zāi)M的真實(shí)性有限，因此待確定排水泵后，針對泵的具體運(yùn)行工況及布置情況，對有可能出現(xiàn)的問題加以關(guān)注，以確保使用過程中排水泵運(yùn)行可靠、安全、穩(wěn)定。

圖1 灌水廊道剖面示意

2.2 模型實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

通過物理模型試驗(yàn)，得出模擬結(jié)果如下：

1）灌水虹吸形成初始流量最大，隨著塢室水位增加，過流能力減小。

2）當(dāng)設(shè)計(jì)方案在低水位灌水出現(xiàn)進(jìn)口有旋渦，同時虹吸形成困難時，可在進(jìn)口增設(shè)格柵（兼做整流），降低駝峰高度，同時增加集水池側(cè)水封高度，可解決虹吸問題。

3）在灌水系統(tǒng)運(yùn)行時，若集水池頂板有集氣現(xiàn)象且有氣旋，同時存在灌水進(jìn)塢室水流不均勻現(xiàn)象。可在頂板增設(shè)通氣管，同時在廊道配流點(diǎn)處增加整流墩，能有效減少集氣。虹吸出口在廊道內(nèi)設(shè)置整流墩后出口速度均勻。

4）排水過程中，虹吸排水管鵝管處出現(xiàn)負(fù)壓，鵝管頂負(fù)壓較鵝管底要大，外海水位較低時，管內(nèi)負(fù)壓較大。

3 結(jié) 語

船塢灌排水泵房是整個船塢構(gòu)筑物中較重要的部分，泵房構(gòu)筑物及設(shè)備運(yùn)行較為頻繁，合理的泵房設(shè)計(jì)為船塢正常工作提供保障。在我國，干船塢灌排水技術(shù)經(jīng)過了近 70年的發(fā)展，我們經(jīng)過對前人的經(jīng)驗(yàn)消化吸收，發(fā)展到今天的灌排水技術(shù)。隨著模型實(shí)驗(yàn)水平和水力學(xué)理論的不斷提升，在確保灌排水泵房安全平穩(wěn)運(yùn)行的前提下，使灌水廊道過水?dāng)嗝娣e盡量減少，有效降低工程投資和造價，是我們今后繼續(xù)研究的方向。