海貍3800型絞吸式挖泥船開(kāi)挖粘土與粉質(zhì)粘土生產(chǎn)率探討

□沈 丹(中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)國(guó)際工程有限公司)

□周 林(中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)港航建設(shè)有限公司)

我國(guó)南方地區(qū)水系比較發(fā)達(dá)，疏浚與吹填工程多以在內(nèi)河、湖區(qū)施工為主。在湖區(qū)的上層土質(zhì)多以粘土與粉質(zhì)粘土為主。絞吸式挖泥船在對(duì)粘土與粉質(zhì)粘土施工時(shí)，生產(chǎn)率與預(yù)算定額的生產(chǎn)率相差很大。結(jié)合吳江汾湖開(kāi)發(fā)區(qū)堆土工程，探討海貍3800型（J03）絞吸式挖泥船在湖區(qū)開(kāi)挖粘土與粉質(zhì)粘土?xí)r的生產(chǎn)率。

海貍3800型挖泥船的主要性能參數(shù)如表1。

表1 荷蘭IHC海貍3800絞吸式挖泥船主要參數(shù)表

吳江汾湖開(kāi)發(fā)區(qū)堆土工程取土區(qū)為元白蕩，淤泥層很薄，而粉土層又集中在-6m以下（設(shè)計(jì)挖深-8m），本工程取土主要是開(kāi)挖粘土與粉質(zhì)粘土，土質(zhì)參數(shù)為：含水率w%=27%，比重Gs=2.74，重度 =19.5kN/m3，空隙比 e0=0.8，飽和度 Sr=95%，液限WL=38.2%，塑限Wf=20.5，塑性指數(shù)Ip=17.7，液性指數(shù)IL=0.56，標(biāo)貫N=10。

對(duì)于粘土與粉質(zhì)粘土，影響挖泥船生產(chǎn)率主要因素有絞刀挖泥量與泥泵輸泥量，二者的低者決定著挖泥船的生產(chǎn)率。

1.影響效率的參數(shù)

絞吸式挖泥船在挖泥過(guò)程中，為了達(dá)到最佳生產(chǎn)率，應(yīng)根據(jù)土質(zhì)、泥層厚度和挖深，掌握好絞刀前移距、切土厚度、橫移速度和絞刀轉(zhuǎn)速等。挖泥量Q=f（H,L,V）。下面分別探討各因素對(duì)挖泥量的影響。

1.1 切土厚度(h)

J03配備的絞刀為閉合球狀絞刀，適合挖粘性土、砂土、碎石。絞刀參數(shù)：功率 552kW，Dmax=2.9m，Dave=2.15，鉸刀長(zhǎng) =1.9m，刀臂數(shù)=6，刀片數(shù)=6×8。

絞刀切土厚度主要由絞刀尺度和土質(zhì)情況而定，一般不大于一個(gè)絞刀平均直徑，粘土與粉質(zhì)粘土土質(zhì)較硬，切土困難，在施工時(shí)偶爾還會(huì)出現(xiàn)跑刀現(xiàn)象，所以h=(0.5～1.0)絞刀直徑，甚至更小，施工時(shí)切土厚度在0.65m左右。

1.2 前移距離（L）

前移距離是保證泥泵輸送泥漿濃度，提高生產(chǎn)率的重要因素。前移距主要由土質(zhì)、泥層厚度和絞刀長(zhǎng)度決定。前移距一般選取絞刀長(zhǎng)度的0.5～1.0倍，以不出現(xiàn)遺漏泥土為原則，施工時(shí)每次前移距離約為1.5m左右。

1.3 橫移速度（v）

橫移的目的是為了泥泵能夠得到合適的泥漿濃度，即絞刀切削下的泥土能夠完全予以水力轉(zhuǎn)移。如果橫移速度過(guò)高，絞刀單位時(shí)間切削土量大于泥泵輸送能力，會(huì)造成土方遺留水底，還能使絞刀原動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大；反之橫移速度過(guò)低，泥泵的輸送能力不能充分發(fā)揮而使生產(chǎn)能力下降。J03橫移速度控制在6m/min左右。

1.4 絞刀轉(zhuǎn)速

絞刀轉(zhuǎn)速主要由土質(zhì)、橫移速度、絞刀驅(qū)動(dòng)裝置的特性決定。絞刀轉(zhuǎn)速可按下式計(jì)算得出：

需要的絞刀轉(zhuǎn)速=橫移速度/（需要的切土厚度×刀片數(shù)）；實(shí)際生產(chǎn)中在開(kāi)挖粘土與粉質(zhì)粘土?xí)r絞刀轉(zhuǎn)速為31r/min。

切土厚度、前移距離、橫移速度和絞刀轉(zhuǎn)速4個(gè)參數(shù)主要靠經(jīng)驗(yàn)確定。對(duì)影響挖泥量各因素分析，可用下面公式計(jì)算出絞刀的生產(chǎn)率：

W=60VL(h-△h/2)

式中：W—絞刀挖掘生產(chǎn)率（m3/h）；V—橫移速度(m)；L—前移距離(m)；h—絞刀入土深度(m)；△h—超深(m)。

W=60VL(h-△h/2)=60×6×1.5×(0.65-0.1/2)=324m3/h

對(duì)于粘土與粉質(zhì)粘土由于切下來(lái)顯塊狀，且絞刀下水流不暢，泥土更難吸入，憑經(jīng)驗(yàn)考慮其吸入一般在80%左右。

W吸=324×80%=260m3/h

綜合以上因素,J03在粘土與粉質(zhì)粘土施工時(shí)生產(chǎn)率在260m3/h左右。

2.泥泵與生產(chǎn)效率關(guān)系

泥泵是絞吸式挖泥船水力輸送泥漿的關(guān)鍵設(shè)備，泥漿運(yùn)行的好壞直接影響到生產(chǎn)率。泥泵的性能參數(shù)有：揚(yáng)程、流量、功率、效率、泥漿濃度與泥漿比重等，它們之間存在相互影響、相互制約的關(guān)系。分析泥泵生產(chǎn)率計(jì)算式M=QP可知，流量與泥漿濃度是衡量絞吸式挖泥船施工效率的兩個(gè)重要參數(shù)，可以從提高兩個(gè)參數(shù)入手來(lái)提高生產(chǎn)率。

2.1 泥漿濃度恒定的情況

施工中假設(shè)泥漿濃度恒定，則小時(shí)生產(chǎn)率M與泥漿流量成正比，在單位時(shí)間內(nèi)流量增加即土方排出量也隨之增加，從而提高生產(chǎn)率。泥泵在某一工況下輸出流量額定，欲使流量增加，由泥泵特性曲線可知，流量與揚(yáng)程、功率之間密切相關(guān)。流量增加相應(yīng)的泥泵輸出揚(yáng)程下降而輸出功率增加，但還要考慮工作點(diǎn)移動(dòng)時(shí)工作參數(shù)也隨之變換，變換后參數(shù)能否變化滿足工況需求和泥泵工作負(fù)荷，故流量受輸泥特性限定，一般泥泵排泥流量達(dá)到一個(gè)定值后便不再提高。我們采用染色法測(cè)量平均流速，排泥管直徑為700mm，排距為1950m，根據(jù)下列公式計(jì)算流量：

Q=A·V

式中：Q—流量（m3/s）；V—流速（m/s）；A—排泥管的橫斷面面積（m2）。

V=L/(t1-t2)

V=L/(t1-t2)=1950/755=2.6m/s

Q=A·V=3600×3.14×0.352×2.6=3600m3/h

J03在粘土與粉質(zhì)粘土施工時(shí)流量為3600m3/h。

2.2 流量恒定的情況

施工中假設(shè)排泥流量恒定，則小時(shí)生產(chǎn)率M與泥漿濃度成正比，提高泥漿濃度可使泥泵生產(chǎn)率提高。一般情況泥漿可輸送濃度在0%～30%之間，我國(guó)一般取10%，但泥漿濃度也不能提太高，如果超高吸排部分揚(yáng)程損失增高，泥泵排出壓力也必須增加。如果超過(guò)泥泵負(fù)載能力則可造成泥泵排出下降，會(huì)造成排泥管內(nèi)積存泥漿甚至出現(xiàn)堵管。同時(shí)真空度增高至允許吸入上線時(shí)，泥泵發(fā)生汽蝕現(xiàn)象使得運(yùn)行狀態(tài)失常。施工時(shí)一般真空度維持在0.4～0.5bar之間，超過(guò)0.5bar管口就會(huì)出現(xiàn)泥條甚至出現(xiàn)堵管。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得泥漿密度γm為1.09t/m3。泥漿濃度可按下列公式計(jì)算：

式中：γm—泥漿的密度（t/m3）；γw—水的密度（t/m3）；γ0—密實(shí)土的密度（t/m3）。

J03在粘土與粉質(zhì)粘土施工時(shí)泥漿濃度為9%。

2.3 其他影響因素

此外土質(zhì)的輸送性與排距對(duì)泥泵的生產(chǎn)率也有影響。粘土具有粘結(jié)力強(qiáng)的特性，塊體越大其輸送效率越低。長(zhǎng)排距施工出現(xiàn)的主要問(wèn)題是由于泥泵輸送阻力增加而使泥泵排出壓力加大，為了防止排泥管內(nèi)流速下降出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，又要求泥泵有一定的排出流量，從揚(yáng)程曲線可知，兩項(xiàng)要求是矛盾的。

對(duì)影響泥泵生產(chǎn)率的各因素分析，由泥泵生產(chǎn)率計(jì)算式M=QP可以計(jì)算出在粘土與粉質(zhì)粘土施工時(shí)泥泵的生產(chǎn)率，由于流速與泥漿濃度是在兩個(gè)任意時(shí)間試驗(yàn)得到的，所以求得的數(shù)值也是偶然值：

M=QP=3600m3/h×9%=324m3/h

而J03在額定滿負(fù)荷工作時(shí)流量為7250m3/h，我國(guó)的泥漿濃度取10%，所以J03泥泵滿負(fù)荷產(chǎn)量為M=QP=7250m3/h×10%=725m3/h，由此可見(jiàn)，施工時(shí)泥泵不能有效發(fā)揮其功率。

3.結(jié)論

通過(guò)對(duì)影響挖泥船生產(chǎn)率的各個(gè)因素分析，海貍3800型（J03）在湖區(qū)開(kāi)挖粘土與粉質(zhì)粘土?xí)r的生產(chǎn)率主要受絞刀挖泥量制約。J03在粘土與粉質(zhì)粘土施工時(shí)生產(chǎn)率在260～320m3/h，但隨著外界因素的改變其生產(chǎn)率還是會(huì)改變的。通過(guò)真實(shí)工程經(jīng)驗(yàn)，可進(jìn)行挖泥船技術(shù)改進(jìn)，將原有球狀絞刀頭改為錐式、直徑也可從2.9m減小到2m、刀臂改為4刀臂，從而提高生產(chǎn)效率,降低每立方米油耗,帶來(lái)可觀利潤(rùn)。