新海鮫輪在增填沙工程施工中采用三泵串聯(lián)水力輸送分析
——以福建漳州古雷煉化一體化項(xiàng)目為例

呂兵

（中交上海航道局有限公司，上海 200082）

1 工程概況

福建漳州古雷煉化一體化項(xiàng)目百萬(wàn)噸級(jí)乙烯及下游深加工裝置主廠區(qū)場(chǎng)地增填沙工程是圍堤與吹填相結(jié)合的特大型綜合工程，本工程吹填工程量約為1.08×107m3（斷面凈量）。沙料來(lái)源為兄弟嶼采沙區(qū)，屬中、粗沙質(zhì)。本工程吹（回）填施工工藝流程如圖1 所示。

圖1 吹（回）填施工工藝流程圖

吹填施工要求：吹填過(guò)程應(yīng)分級(jí)吹填，III-1 區(qū)域1 級(jí)層厚3.0 m，2 級(jí)層厚3.0 m，其余區(qū)域1 級(jí)層厚約2.5 m，2 級(jí)層厚大約2.0 m；吹填過(guò)程中一旦存在淤泥包，要及時(shí)處理。新海鮫輪參與施工的取沙區(qū)原始水深-4.5～-2.0 m，土質(zhì)為粗砂夾淤泥，其中單位體積土中粉砂約占95%，淤泥約占5%，天然土密度約為1.785 t/m3；排泥管線長(zhǎng)2 576～3 805 m，管徑850 mm，采用三泵串聯(lián)施工，排泥管出口加裝縮口（450～700 mm)，吹填土泵送至1～3 區(qū)。

2 施工中管道泥漿輸送分析

2.1 實(shí)用最低流速的確定

本施工區(qū)域土質(zhì)為粗砂夾淤泥，其臨界流速按砂性土工況計(jì)算，計(jì)算如式（1）：

式中，Vc為土顆粒體積濃度，%；γm為泥漿密度，t/m3；γw為水密度，取1.025 t/m3；γs為土顆粒密度，t/m3；g為重力加速度，取9.81 m/s2；D為排泥管內(nèi)徑，取0.85 m；Vss為顆粒在清水中的沉降速度，m/s；ds為砂粒平均粒徑，m。

由式（1）可以算出上述土質(zhì)的臨界流速，見(jiàn)表1。

表1 不同土類(lèi)、不同泥漿體積濃度的管路臨界流速計(jì)算值（管徑850 mm）

實(shí)用最低流速系數(shù)Kv取值見(jiàn)表2。

表2 實(shí)用最低流速系數(shù)Kv 取值表

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)取樣分析和以往在廈門(mén)工地施工經(jīng)驗(yàn)Kv取1.25，能滿足現(xiàn)場(chǎng)管道輸送所需，現(xiàn)將此類(lèi)土質(zhì)的臨界流速和最低實(shí)用流速列于表3。

表3 不同泥漿濃度下的管路臨界流速和最低實(shí)用流速計(jì)算值（管徑850 mm）

在施工過(guò)程中，由于砂質(zhì)較粗，管道中的泥漿流態(tài)在短時(shí)間內(nèi)較難改變，如果追求高濃度施工且施工流速長(zhǎng)時(shí)間介于臨界流速和最低實(shí)用流速之間，就有可能會(huì)發(fā)生堵管現(xiàn)象，因此在實(shí)際施工過(guò)程中，應(yīng)保持足夠的流量和穩(wěn)定的泥漿濃度，才能滿足船舶安全、高效和低能耗施工。

2.2 泥泵裝置系統(tǒng)工況區(qū)的選擇

泥泵裝置系統(tǒng)工況區(qū)的是指泥泵工作時(shí)的流量和揚(yáng)程，要在泥泵驅(qū)動(dòng)裝置（柴油機(jī)）允許工況內(nèi)不超負(fù)荷，保持泥泵及其主機(jī)負(fù)荷在可用范圍之內(nèi)，同時(shí)排泥管路能夠輸送，且磨損較小，并使土方生產(chǎn)率較佳。具體做法包括：

1）根據(jù)泥泵機(jī)組性能和取砂區(qū)土質(zhì)，計(jì)算和繪制泥泵機(jī)組產(chǎn)生高濃度和低濃度下的H-Q曲線（H-Q曲線為流速-總壓頭曲線，表示壓頭和流量的關(guān)系）。

2）根據(jù)管線組成情況，計(jì)算和繪制高濃度、低濃度狀態(tài)下的管路特性曲線。

3）根據(jù)不同濃度計(jì)算和繪制在不同泥漿濃度狀態(tài)下的臨界流速的限制線。

在特定的管路條件下，由于施工過(guò)程中的泥漿濃度變化，泥泵特性曲線和管道特性曲線也在上下、左右變動(dòng)，對(duì)于同一管道而言，輸送泥漿的濃度高低改變了管道中的阻力。綜合圖表、實(shí)際施工工況和排距變化，中粗砂土質(zhì)條件下新海鮫輪的施工流速控制在5.5～6.3 m/s，保證了流速控制在臨界流速之上，還能在施工中盡量提高泥漿濃度，以達(dá)到提高船舶生產(chǎn)效率和降低能耗的目的。平均排距在3.3 km 時(shí)統(tǒng)計(jì)的典型運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 平均排距在3.3 km 時(shí)統(tǒng)計(jì)的典型運(yùn)行參數(shù)

從表4 中的泥泵機(jī)組運(yùn)行參數(shù)可以看出，當(dāng)濃度達(dá)到30%時(shí)，泥泵機(jī)已接近或達(dá)到滿負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)濃度達(dá)到40%時(shí)，已接近臨界流速，表明此時(shí)需要控制濃度，否則會(huì)出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。

3 施工效果分析

新海鮫輪在排距為2 521～3 805 m 時(shí)的參數(shù)情況匯總表見(jiàn)表5。

表5 新海鮫輪在排距2 521～3 805 m 時(shí)參數(shù)情況匯總表

從表5 數(shù)據(jù)可以看出，新海鮫輪所采取的施工方案是較為合理的，主要表現(xiàn)在3 個(gè)方面：（1）泥泵轉(zhuǎn)速匹配和疏浚設(shè)備運(yùn)行參數(shù)都均處于正常狀態(tài)，有利于泥泵機(jī)組柴油機(jī)功率的正常發(fā)揮，同時(shí)能避免轉(zhuǎn)速過(guò)高產(chǎn)生過(guò)大的船舶振動(dòng)而影響設(shè)備使用壽命或增加不必要的設(shè)備維修。（2）施工時(shí)，最大泥漿濃度能達(dá)到40%以上，平均濃度控制在約30%，真空度不大于0.05 MPa 可以有效減小泥泵汽蝕現(xiàn)象，同時(shí)為提高泥漿濃度創(chuàng)造了有利空間。（3）施工時(shí)，泥漿流速基本控制在5.5～6.2 m/s，既能較好地保持管道中的流態(tài)，又克服了由于施工流速過(guò)大而造成管路摩阻較大，起到了節(jié)能降耗的作用，還能有效避免堵管的發(fā)生[1]。

4 二次取砂（粗砂）施工中的一些體會(huì)

1）對(duì)于管道輸送泥漿而言，由于砂質(zhì)較粗，管道輸送阻力增加，泥泵裝置的工況點(diǎn)向左轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致流量下降和泥泵有效揚(yáng)程上升，當(dāng)管道內(nèi)流速低于泵送土質(zhì)的臨界流速時(shí)，將導(dǎo)致泥漿顆粒在管道內(nèi)沉淀，堵管的概率較短排距施工而言要大，因此，在實(shí)際工程施工中必須根據(jù)施工區(qū)的土質(zhì)情況和船舶性能認(rèn)真分析泥泵裝置運(yùn)行工況區(qū)，使泥泵轉(zhuǎn)速匹配和運(yùn)行參數(shù)均處于正?？煽貭顟B(tài)，有利于泥泵機(jī)組柴油機(jī)功率的正常發(fā)揮，新海鮫輪正常施工時(shí)泥漿流速控制在5.5～6.2 m/s，在實(shí)用最低流速5.5 m/s 以上，較好地保持了管道中的泥漿流態(tài)。

2）粗砂挖掘施工情況下，泥漿在管道內(nèi)的流態(tài)不易變化，不同濃度的泥漿在管道區(qū)域內(nèi)形成不同的壓力區(qū)域，因而整條管線中的壓力分布極不均勻。因此，挖泥施工操作時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎操作，保持適當(dāng)?shù)臋M移速度，防止水下泵吸入真空過(guò)高，維持泥漿濃度穩(wěn)定性，使泥泵的排出壓力、流量波動(dòng)處于較小狀態(tài)。

3）施工過(guò)程中應(yīng)橫移速度優(yōu)先，在一定的橋架下放量和前移量下，較快的橫移速度能獲得更高的泥漿濃度，前提是在絞刀壓力、橫移壓力、流速不受限的前提下。當(dāng)橋架下放深度和前移進(jìn)尺一定時(shí)，生產(chǎn)效率高低取決于橫移速度控制。因此，準(zhǔn)確合理的橫移操作是提高生產(chǎn)效率的主要手段之一，也是一個(gè)合格敬業(yè)的挖泥操作手素質(zhì)的良好體現(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

新海鮫輪參與福建漳州古雷增填砂工程二次取砂（中粗砂）吹填施工，期間排距在2.5～3.8 km 變化，滿足最低實(shí)用流速的需要，按照土質(zhì)和施工流量的需要，不斷調(diào)整泥泵機(jī)組轉(zhuǎn)速和串聯(lián)泵的匹配，力求安全、高效、低耗施工，每月產(chǎn)量均超過(guò)了7×105m3，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

目前，新海鮫輪針對(duì)二次取砂（中粗砂）、中排距工況，采用高效泥泵三泵串聯(lián)施工尚屬首次，許多施工技術(shù)與管理還處于探索階段，并且隨著工程的推進(jìn)還會(huì)有更多意想不到的施工技術(shù)問(wèn)題要去面對(duì)和解決。新海鮫輪在以后的施工實(shí)踐中，始終以在安全的前提下，提高生產(chǎn)效率、降低能耗為目的，不斷積累實(shí)際施工數(shù)據(jù)，認(rèn)真研究分析探討，為今后疏浚技術(shù)研發(fā)和施工管理提供參考。