灌河口吹填工程長(zhǎng)排距管線水力特性分析

呂 澎，逯新星

(中交上海航道局有限公司，上海 200002)

管線線路規(guī)劃布設(shè)是吹填工程中一項(xiàng)至關(guān)重要的工作，它對(duì)后續(xù)吹填施工效率具有重要影響。管線一般由鋼質(zhì)長(zhǎng)管、短管、彎管、異徑管和橡膠管組成，按敷設(shè)位置可分為浮管、沉管和岸管[1]。目前隨著國(guó)內(nèi)疏浚與吹填施工技術(shù)的發(fā)展，在施工工藝和吹填管線方面的研究也是琳瑯滿目，例如施工工藝方面的研究有“挖運(yùn)拋+挖吹”和“耙吸裝駁”工藝[2]、絞吸式挖泥船+接力泵船串聯(lián)工藝[3]、耙吸船與電吹船組合工藝[4]等；管線水力特性的研究有長(zhǎng)距離漿體管道輸送中的沿程阻力研究[5]、泥沙管道輸送試驗(yàn)系統(tǒng)的研制及分析[6]、有壓輸水管道水力特性研究[7-8]等。本文以灌河口5萬t級(jí)航道整治工程(H2-H3先導(dǎo)工程)施工項(xiàng)目中管線線路的規(guī)劃布設(shè)作為分析對(duì)象，介紹了該項(xiàng)目中管線規(guī)劃的方式和特點(diǎn)；并主要以管線水力特性作為分析要點(diǎn)，計(jì)算了管路輸送泥漿的實(shí)耗總水頭；并與施工船舶新海豚輪泥泵泥漿揚(yáng)程做比較，判斷新海豚輪采用2泵施工或3泵施工的可行性；通過對(duì)管線的安裝特點(diǎn)及水力特性分析來判斷施工船舶的施工能力，為工程選用合適的設(shè)備提供參考方法。同時(shí)本文還比較了浮管、沉管和岸管單位長(zhǎng)度阻力系數(shù)大小，為吹填工程管線規(guī)劃提出了參考意見。

1 船上吸、排泥管線布置

灌河口5萬t級(jí)航道整治工程(H2-H3先導(dǎo)工程)施工項(xiàng)目為灌河口出海航道整治工程的先導(dǎo)試驗(yàn)段。灌河口進(jìn)港航道全長(zhǎng)29.15 km，此次先導(dǎo)段工程長(zhǎng)度約為1.44 km，位于新沂河匯入灌河河口處且位于灌河拐彎處，同時(shí)還受潮汐影響，泥沙運(yùn)動(dòng)情況復(fù)雜。根據(jù)疏浚區(qū)域自然條件、土質(zhì)和船機(jī)的作業(yè)條件等情況，適合先導(dǎo)段工程項(xiàng)目的疏浚施工工藝為絞吸工藝，采用絞吸式挖泥船進(jìn)行疏浚，由絞吸船將泥漿通過浮管+沉管+岸管輸送至吹泥區(qū)。本工程浮管長(zhǎng)度約0.6 km，沉管鋪設(shè)長(zhǎng)度約1.8 km，需穿越航道，水上協(xié)調(diào)工作較大；岸管從接岸點(diǎn)到吹填區(qū)需穿越4座橋梁、2條道路、1條河流，岸管全程約7.6 km，鋪設(shè)耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，協(xié)調(diào)難度大。泥沙通過管道在長(zhǎng)距離的輸送過程中，受到的摩擦阻力大，動(dòng)能損失高，導(dǎo)致吹填效率降低。施工船舶為絞吸船新海豚輪，該船舶擁有3個(gè)泥泵，可采用2泵或3泵施工，不同的泥泵組合方式對(duì)應(yīng)的吸、排泥管線線路也不相同，詳見表1[9]。

表1 新海豚輪船上吸、排泥管線布置情況表Tab.1 Arrangement of suction and discharge pipeline of Xinhaitun

2 管線規(guī)劃布設(shè)概述

圖1 端點(diǎn)站示意圖Fig.1 Schematic diagram of endpoint station

灌河口5萬t級(jí)航道整治工程(H2-H3先導(dǎo)工程)施工項(xiàng)目中管線包括浮管、沉管和岸管，其中浮管長(zhǎng)約600 m，沉管長(zhǎng)約1 800 m，岸管長(zhǎng)約7 600 m，總長(zhǎng)約10 000 m。浮管：由若干長(zhǎng)為11.8 m，直徑為850 mm的自浮橡膠管組成。沉管：由若干長(zhǎng)為11.8 m，直徑為850 mm的鋼管和長(zhǎng)為2 m、直徑850 mm的橡膠管間隔相連組成，敷設(shè)過程中考慮線路過長(zhǎng)且穿越航道，共設(shè)置了5個(gè)端點(diǎn)站(端點(diǎn)站即在連接兩段水下沉管或浮管時(shí)采用一小段浮管作為連接點(diǎn)，該小段浮管設(shè)有水閥和空氣閥，方便沉管的沉放和起浮作業(yè))，見圖1所示。

岸管：由若干直鋼管、橡膠管、彎度管組成，直鋼管長(zhǎng)度包括11.8 m、6 m，橡膠管長(zhǎng)度包括11.8 m、2 m，彎度管彎度包括15°、30°、45°，直徑均為850 mm。管線詳細(xì)情況見表2所示。

3 管路實(shí)耗總水頭計(jì)算

由表1可知施工船舶新海豚存在2泵、3泵兩種組合方式，其中2泵施工也包含兩種船舶管線系統(tǒng)，本文以表1中采用水下泵、左艙內(nèi)泵兩泵串聯(lián)施工作為研究對(duì)象。

表2 管線詳細(xì)情況說明表Tab.2 Details of the pipeline

本工程疏浚施工土質(zhì)為淤泥質(zhì)粘土，灰色，流塑，含少量腐殖質(zhì)，局部夾薄層粉土，實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)2.1擊[10]。根據(jù)土質(zhì)特點(diǎn)可以判斷，在計(jì)算實(shí)耗總水頭時(shí)可采用輸送泥漿時(shí)實(shí)耗總水頭計(jì)算公式[11]

(1)

式中：hm為管路輸送泥漿總水頭，m；Σξms為吸泥管系局部阻力系數(shù)之和；vs為吸泥管平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；λms、λmd為吸、排管路泥漿沿程阻力系數(shù)；Ls為吸泥管直管長(zhǎng)，m；Ds為吸泥管內(nèi)徑，m；y為水面距海底距離，即挖深，m；γm為泥漿密度，t/m3；γw為清水密度，t/m3；v為管路排ΣLd出口流速，m/s；Σξmd為排泥管系局部阻力系數(shù)之和；為從泥泵排出口至排泥管出口所有的排泥管長(zhǎng)度總和，m；vd為排泥管平均流速，m/s；Dd為排泥管內(nèi)徑，m；Z為排高，即水面至排泥管出口中心的高度，m。

表3 實(shí)耗總水頭計(jì)算公式中已知數(shù)據(jù)表Tab.3 The known data table in the calculation formula of total real consumption water head

表3中各數(shù)據(jù)值是根據(jù)工程有關(guān)資料[9]查得，其中γm可根據(jù)公式(2)求得

γm=(γ-γw)ρ+γw

(2)

式中：γm為泥漿密度，t/m3；ρ為泥漿天然體積濃度，%，實(shí)測(cè)12組數(shù)據(jù)，取平均值為22%；γ為天然土密度，t/m3，根據(jù)土質(zhì)參數(shù)表[10]查得淤泥土質(zhì)對(duì)應(yīng)值為1.75 t/m3；γw為清水密度，t/m3，海水取1.025 t/m3。

3.2 實(shí)耗總水頭計(jì)算公式中未知數(shù)據(jù)推算

3.2.1 求λms、λmd

管路泥漿沿程阻力系數(shù)可采用公式(3)[11]計(jì)算得出

λm=λw×γm

(3)

式中：λm為輸送泥漿時(shí)的沿程阻力系數(shù)；λw為輸送清水時(shí)的沿程阻力系數(shù)；γm為泥漿密度，t/m3。

清水沿程阻力系數(shù)λw可根據(jù)《疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS181-5-2012)[10]查得吸泥管管徑為0.9 m，即λws=0.012 0；排泥管管徑為0.85 m，查表后內(nèi)插計(jì)算出λwd=0.012 25。將λws、λwd代入公式(3)，求得λms=0.014 16，λmd=0.014 455。

3.2.2 求Σξms、Σξmd

(1)吸泥管系局部阻力系數(shù)之和Σξms。計(jì)算吸泥管系局部阻力系數(shù)之和，首先明確計(jì)算對(duì)象，此處討論的泥泵組合方式是采用2泵施工中的①+②+⑤+⑥模式(見表1)，因此吸泥管只考慮①和②管段。船管管路除存在轉(zhuǎn)彎段外還存在吸泥口、閘閥和三通管，局部損失的計(jì)算方式也不相同。

圖2 彎管示意圖Fig.2 Schematic diagram of elbow

①吸泥管彎管段局部損失。計(jì)算彎管段局部阻力系數(shù)時(shí)，由于管線轉(zhuǎn)彎段都是緩彎管，如圖2所示，可采用水力學(xué)中彎管管道局部水頭損失系數(shù)計(jì)算公式[12]

(4)

式中：ξ為局部阻力系數(shù)；d為管道直徑，m；ρ為轉(zhuǎn)彎半徑，m；θ為轉(zhuǎn)彎角，(°)。

將表1中吸泥管各彎管段數(shù)據(jù)代入公式(4)中，可計(jì)算得出吸泥管各彎管段局部水頭損失系數(shù)，詳見表4。

②吸泥管其他局部損失。吸泥管其他局部損失包括吸泥口、閘閥和三通管等局部損失，各阻力系數(shù)宜采用實(shí)測(cè)數(shù)值，當(dāng)無實(shí)測(cè)值時(shí)，可根據(jù)《疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS181-5-2012)[11]查得。計(jì)算ξm時(shí)，可近似采用公式(3)[11]，將局部阻力系數(shù)ξw(輸送清水時(shí))和ξm(輸送泥漿時(shí))套入公式(3)中可計(jì)算得出吸泥口、閘閥和三通管等輸送泥漿時(shí)的局部阻力系數(shù)，見表5。

表4 吸泥管彎管局部阻力系數(shù)表Tab.4 Local resistance coefficient of bent pipe of suction pipe

表5 吸泥管吸泥口、閘閥和三通管局部阻力系數(shù)表Tab.5 Local resistance coefficient of suction pipe suction port, gate valve and tee pipe

由表4和表5可以求得吸泥管系局部阻力系數(shù)之和Σξms=3.6。

(2)排泥管系局部阻力系數(shù)之和Σξmd。

①船上排泥管局部損失。求船上排泥管局部損失的方法和求吸泥管系局部阻力系數(shù)一樣，見表6和表7。由表6、表7數(shù)據(jù)可知Σξmd1=3.079 7。

表6 船上排泥彎管阻力系數(shù)表Tab.6 Resistance coefficient of ship′s mud discharge bend

表7 船上排泥管閘閥和三通阻力系數(shù)表Tab.7 Resistance coefficient of mud discharge pipe gate valve and tee on board

②水上、水下、岸管局部損失。水上、水下、岸管的轉(zhuǎn)彎角參數(shù)見表2所示，將各參數(shù)值代入公式(4)可得表8。

由表8數(shù)據(jù)可知ξmd2=4.984。

排泥管系局部阻力系數(shù)之和：Σξmd=ξmd1+ξmd2=8.063 7

3.2.3 求vd、vs和v

(1)排泥管平均流速vd。由于無實(shí)測(cè)資料，在討論排泥管平均流速時(shí)采用最低實(shí)用流速(經(jīng)濟(jì)流速)vp作為計(jì)算值，見公式(5)[11]

vp=Kvvc

(5)

式中：vp為最低實(shí)用流速，m/s；Kv為最低實(shí)用流速系數(shù)，查表所得，淤泥、粉土的Kv值為1.10；vc臨界流速，m/s，按輸泥平均濃度計(jì)算。

本施工區(qū)域?qū)儆诙褱现量陂T處，中值粒徑小于0.05 mm。淤泥、平均粒徑小于0.05 mm的粘土以及粉土，其臨界流速宜按公式(6)[11]計(jì)算。

(6)

表8 水上、水下、岸管局部阻力系數(shù)表Tab.8 Surface, underwater and shore pipe local resistance coefficient

式中：vc為泥漿臨界流速，m/s；C為顆粒體積濃度，%；ds為土顆粒平均粒徑，mm；g為重力加速度，m/s2；D為吸泥管內(nèi)徑，m；γs為土顆粒密度，t/m3。各參數(shù)取值見表9。

表9 臨界流速參數(shù)取值表Tab.9 Values of critical velocity parameters

將表9各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)值帶入公式(6)中即可算出泥漿臨界流速vc=3.51 m/s，再將其帶入公式(5)中求得最低實(shí)用流速vp=3.86 m/s。將吸泥管平均流速視為最低實(shí)用流速，即vd=vp=3.86 m/s。

(2)吸泥管平均流速vs。由流量與流速公式Q=S·V可得

Q=S吸·V吸=S排·V排

(7)

式中：S吸、S排分別為吸、排泥管泥漿截面面積，m2；V吸、V排分別為S吸、S排對(duì)應(yīng)泥漿截面上泥漿的平均流速，m/s。

由公式(7)可推導(dǎo)出

(8)

式中：ks、kd分別為吸、排泥管滿管率，%，按照最優(yōu)工況效率考慮，吸、排泥管滿管率均視為100%。將ks、kd、vd等值帶入公式(8)，即可求出吸泥管平均流速vs=3.44 m/s。

(3)排出口流速v。根據(jù)公式(8)排出口流速v隨排出口滿管率k變化而變化，變化曲線見圖3所示。仍按最優(yōu)效率考慮，排泥口滿管率為100%，可得出排出口流速v=vd=3.86 m/s。

圖3 排出口流速v與滿管率k關(guān)系曲線圖Fig.3 Relation curve of flow velocity v and full tube rate k at row outlet

上述內(nèi)容中在計(jì)算vd和v時(shí)引用了經(jīng)濟(jì)流速來作為切入點(diǎn)，將排泥管平均流速vd作為經(jīng)濟(jì)流速考慮。經(jīng)濟(jì)流速在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為求一定年限內(nèi)管網(wǎng)造價(jià)和管理費(fèi)用之和的最小流速?！妒杩Ｅc吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS181-5-2012)規(guī)范中經(jīng)濟(jì)流速根據(jù)臨界流速乘以相應(yīng)系數(shù)求得。

按常態(tài)情況，由于管徑問題，吸泥管平均流速vs比vd小，應(yīng)該將vs作為臨界流速?gòu)亩愠銎鋵?duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)流速。但考慮分析得到，泥砂在鉸刀切割作用下已經(jīng)形成紊亂狀態(tài)的泥漿，其進(jìn)入吸泥管前無需考慮天然泥砂起動(dòng)流速的問題。吸泥管較短，泥漿即使在吸泥管內(nèi)以層流狀態(tài)流動(dòng)，泥砂在未發(fā)生完全沉淀前就進(jìn)入了泥漿泵，其流態(tài)再一次紊亂，所以泥漿在進(jìn)入排泥管前不會(huì)發(fā)生沉淀堆積現(xiàn)象，因此就絞吸船實(shí)際情況討論吸泥管臨界流速不和宜。從經(jīng)濟(jì)流速的定義上考慮，排泥管較吸泥管長(zhǎng)，其管網(wǎng)造價(jià)和管理費(fèi)用等經(jīng)濟(jì)效應(yīng)比吸泥管更為突出，因此考慮經(jīng)濟(jì)流速時(shí)應(yīng)以排泥管平均流速為對(duì)象。

3.2.4 求Ls、ΣLd

計(jì)算管線長(zhǎng)度時(shí)需要考慮管線折算比，詳見表10[11]。

船上管折算比取2.5，浮管折算管取1.3，沉管折算比取1.1。根據(jù)實(shí)際管線情況，管線折算長(zhǎng)度詳見表11。

由表11可得：Ls=115.25 m；ΣLd=10 538.25 m。

3.2.5 求hm1、hm2和hm3

hm1、hm2和hm3分別為模式1(采用水下泵、左艙內(nèi)泵兩泵串聯(lián)施工)、模式2(采用水下泵、右艙內(nèi)泵兩泵串聯(lián)施工)和模式3(采用三泵串聯(lián)施工)對(duì)應(yīng)的實(shí)耗總水頭。上述計(jì)算中以模式1為例，其實(shí)耗總水頭公式各計(jì)算值匯總后見表12所示。將表13中各數(shù)據(jù)代入公式(1)中求得：hm1=154.73 m。參考hm1的計(jì)算方式，可將hm2和hm3計(jì)算得出：hm2=153.75 m；hm3=152.88 m。

表10 船上管、浮管對(duì)岸管長(zhǎng)的折算比Tab.10 Conversion ratio of opposite shore pipe length of ship pipe and floating pipe

表11 管線折算長(zhǎng)度Tab.11 Reduced length of pipeline

表12 模式1實(shí)耗總水頭計(jì)算公式數(shù)據(jù)表Tab.12 Formula data of calculation formula of total actual consumption of model 1

表13 新海豚輪泥泵清水揚(yáng)程參數(shù)表Tab.13 Head parameters of new dolphin mud pump

泥泵泥漿揚(yáng)程宜采用公式(9)[11]計(jì)算

Hm=Hw[KH(γm-1)+1]

(9)

式中：Hm為泥泵泥漿揚(yáng)程，米水柱；Hw為泥泵清水揚(yáng)程，米水柱；KH為泥泵泥漿揚(yáng)程土質(zhì)換算系數(shù)，淤泥質(zhì)粘土對(duì)應(yīng)值為0.75；γm為泥漿密度，t/m3。

新海豚輪泥泵清水揚(yáng)程可查看船舶參數(shù)表得，將清水揚(yáng)程值代入公式(9)，即可算出泥漿揚(yáng)程，見表13所示。由表13可知：對(duì)于本工程2泵施工時(shí)，泥漿揚(yáng)程Hm2=136.5 m；3泵施工時(shí)泥漿揚(yáng)程可達(dá)Hm3=227.9 m。通過比較Hm和hm可以看出，采用3泵施工的工作水頭較實(shí)耗總水頭估算值大，滿足施工要求。

5 管線單位長(zhǎng)度阻力系數(shù)分析

在分析管線單位長(zhǎng)度阻力系數(shù)時(shí)，采用公式(10)進(jìn)行分析

(10)

表14 管線單位長(zhǎng)度阻力系數(shù)表Tab.14 Resistance coefficient per unit length of pipeline

公式(10)是根據(jù)水力學(xué)中局部水頭損失和沿程水頭損失公式[12]推導(dǎo)而來，為了計(jì)算管線單位長(zhǎng)度上水頭損失系數(shù)。

為了詳細(xì)分析各段管線的η值，本文將管線分為船上吸泥管、船上排泥管、浮管、沉管和岸管進(jìn)行考慮，將前面計(jì)算出的各值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并代入公式(10)進(jìn)行計(jì)算得出表14。由表14不難看出

η船吸>η船排>η浮管①>η浮管②>η沉管>η岸管

(11)

船上管的布置在實(shí)際工程中無法改變，但浮管、沉管和岸管可以根據(jù)工程情況加以調(diào)整。由此可見，在實(shí)際管線布置時(shí)，應(yīng)盡量縮短浮管線，其次是沉管，才能讓單位長(zhǎng)度上水頭損失較小。

6 結(jié)論

(1)針對(duì)灌河口5萬t級(jí)航道整治工程(H2-H3先導(dǎo)工程)施工項(xiàng)目的工況條件，通過理論公式結(jié)合工程實(shí)際得出新海豚輪采用3泵施工能保證工程需求；(2)由于浮管易受水流、風(fēng)浪等影響，造成橡膠管扭曲而減少過水截面積，影響施工效率，同時(shí)即使在工況情況最好的情況下，浮管單位長(zhǎng)度水頭損失也較沉管和岸管大，因此在保障工程實(shí)際需求的情況下，應(yīng)盡量減少浮管線的長(zhǎng)度。一般情況下沉管的單位長(zhǎng)度水頭損失較岸管大。