射流清淤船技術(shù)進(jìn)展

王 楠，何炎平，黃 超

(上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240)

1 射流清淤船的誕生與特點(diǎn)

20世紀(jì)80年代中期，荷蘭工程師Mr.van Wezenbeek首先提出了射流清淤船(water injection dredging，WID)的概念。1987年，荷蘭HAM公司建造了世界上第一艘射流清淤船Jetsed號(hào)，美國(guó)在1992年仿造荷蘭的HAM922建造了第一艘射流清淤船BT-208號(hào)［1］。到目前為止，全世界大約有數(shù)十艘射流清淤船，大都工作于具有一定寬度的航道，沿海港口以及入海口區(qū)域，包括荷蘭、比利時(shí)、德國(guó)、美國(guó)及中國(guó)等。國(guó)外比較有代表性的射流清淤船的主要技術(shù)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 射流清淤船的主要技術(shù)性能參數(shù)

射流清淤船是一種高效、低成本的清淤船型。除了一般的維護(hù)工作外，對(duì)于其它設(shè)備難以達(dá)到的區(qū)域，它也能夠得心應(yīng)手地進(jìn)行清淤工作。比如邊坡和滑道、船閘和干船塢前沿地帶、突堤和系泊船下面，能夠從事為管線或隧道段落進(jìn)行的海底整平工作等。與傳統(tǒng)的挖泥船相比，主要有以下使用特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)［2］。

1)清淤方式是通過(guò)低壓水沖刷沉積的細(xì)粒泥沙，使泥沙懸浮于水中，在天然水流的作用下輸送泥沙。因此無(wú)需對(duì)泥沙實(shí)施挖掘、裝運(yùn)或者使用管道輸送，由此減少了額外的工程開(kāi)支，并且鋪設(shè)管道也會(huì)對(duì)其它船舶的航行造成影響。

2)一般這種船型的主尺度都比較小，船舶操作靈活;另外由于施工操作簡(jiǎn)單，配備的施工人員，施工設(shè)備，都相對(duì)比較少，從而降低了清淤成本。

3)射流清淤船依靠射水沖刷泥沙，使之起揚(yáng)和移位，因此，它可以清除其它挖泥船不易或無(wú)法清除的地方和部位，噴嘴可以接近永久建筑物表面而不損傷其表面;可以對(duì)不平整復(fù)雜表面做高效清淤，又能確保其安全不損壞，在一些特定的時(shí)候如能與其它挖泥船配合作業(yè)，可以取得更佳的清理效果。

4)從能量的角度來(lái)看，由于只需要將水注入到泥土層中，而不需要將泥土吸起和排出，因此所耗費(fèi)的能量較小。并且，在整個(gè)清淤過(guò)程中，WID只有水進(jìn)入泵中，而沒(méi)有其它顆粒進(jìn)入，因此對(duì)于泵的磨損也較小。

5)WID工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生很大的羽流，并且由于航道的設(shè)定，產(chǎn)生的混合層將在特定的方向上運(yùn)動(dòng)，因此可以很好地控制淤泥排放位置。

2 射流清淤船的工作環(huán)境及原理

2.1 工作環(huán)境

射流清淤船相比一般的挖泥船具有非常多的優(yōu)勢(shì)，但是縱觀其整個(gè)發(fā)展歷史，它并沒(méi)有大量的被建造，主要的制約因素就是工作環(huán)境。射流清淤船對(duì)環(huán)境有著很高的要求，鑒于上述特點(diǎn)，它只能應(yīng)用于比較狹窄，并且有一定低位能的航道，如深槽、深潭等;或者是某些入海口，這是因?yàn)樵谶@樣的地理環(huán)境下產(chǎn)生的潮汐流可以加快泥沙的運(yùn)輸，但是潮汐流并不是工作環(huán)境的充分條件。此外，WID對(duì)于疏浚泥沙的成分也有很高的要求，疏浚物的基本成分必須是泥或細(xì)砂，由圖1可以清楚地看出，在清淤前后，細(xì)砂的質(zhì)量濃度降低了很多，而中砂或者更大的顆粒則基本沒(méi)有變化。此外泥沙粒徑與輸送距離也有關(guān)系，一般泥沙中值粒徑小于0.05 mm時(shí)，其疏浚效率會(huì)越來(lái)越高。

2.2 工作原理

圖1 射流清淤船工作前后淤泥中含沙量的變化

圖2 WID基本原理

在清淤作用航行中，船舶通過(guò)射流泵吸取河中的水，泵出的水流通過(guò)船上的管路輸送到射流裝置中，再由噴嘴低壓注入到注射區(qū)1(見(jiàn)圖2)中，使得此處淤泥的水含量升高，淤泥逐漸液化成水-泥混合層。同時(shí)噴嘴中噴出的垂直流使得原本水平的河床變成一個(gè)曲線，由于漩渦的存在，使得該混合層在水中分散開(kāi)來(lái)，并不斷吸收周圍的水，此時(shí)混合層的密度并不單一，流體上的作用力不平衡。隨著流動(dòng)的繼續(xù)，混合層的密度逐漸趨于一致，進(jìn)而形成一個(gè)均勻的懸浮混合層，即過(guò)渡區(qū)2。這種混合層的密度大于周圍水的密度，形成密度差，于是混合層開(kāi)始移動(dòng)，即形成了所謂的密度流［3］。懸浮的水-泥混合層在密度流的作用下進(jìn)入運(yùn)輸區(qū)3，直至輸送到指定的地點(diǎn)，由此完成了清淤工作。

3 國(guó)內(nèi)外射流清淤船研究進(jìn)展

自從第一艘WID問(wèn)世以來(lái)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者沒(méi)有停止過(guò)對(duì)其的研究，主要是對(duì)射流能力，清淤效果，環(huán)境影響等方面的研究。J.C.Winterwerp等［4］分析了射流清淤船工作時(shí)產(chǎn)生的混合層，認(rèn)為混合層在垂直剖面上分為0.5～0.8 m厚，質(zhì)量濃度為50～100 g/L的流泥層和覆蓋在上面的清水層，并且這兩層是相互耦合的。因此，建立了一個(gè)二層流泥物理模型(2L fluid mud model)，并且運(yùn)用這個(gè)模型模擬了英國(guó)Crouch河的清淤工作，發(fā)現(xiàn)清淤物的沉淀與懸浮的值與實(shí)驗(yàn)數(shù)值保持在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。作者還運(yùn)用該模型模擬了不同的清淤地點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)射流清淤船對(duì)于清淤地遠(yuǎn)場(chǎng)的影響很小，在實(shí)際工作中可以忽略。Christian Maushake［5］給出了評(píng)價(jià)射流清淤船清淤效果的方法，作者通過(guò)海底聲學(xué)分類系統(tǒng)將清淤位置處的河床泥沙成分分為三類，分別是“淤泥”、“淤泥到細(xì)砂”和“細(xì)砂到中砂”，并用三種不同的顏色表示，這樣河床的泥沙就可以用這三種顏色來(lái)表示，然后分析河床在WID工作前、中、后三個(gè)不同的時(shí)間狀態(tài)的變化，得出射流清淤船高效的工作特性以及對(duì)于超出清淤位置處的影響很小的結(jié)論。K.Nadia Dimou運(yùn)用三維水動(dòng)力和沉淀物輸送模型-ECOMSED來(lái)評(píng)價(jià)WID在Hudson河工作時(shí)產(chǎn)生的混合物輸送的問(wèn)題，得出在工作位置點(diǎn)的上游混合層底層的濃度高于下游混合層底層的濃度;相反，下游混合層表面濃度則高于上游表面的濃度。K.L.Spencer等［6］評(píng)價(jià)了射流清淤船對(duì)工作的環(huán)境影響，作者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)在清淤的過(guò)程中可能會(huì)消耗覆蓋在混合層上層的水柱中所溶解氧的濃度，并且對(duì)居住在水和泥沙中的生物產(chǎn)生一定的生態(tài)毒性的影響。Henk Jan Verhagen［7］研究了射流清淤船工作前后會(huì)引起河流中的密度變化，繼而影響船舶的操縱性，作者通過(guò)試驗(yàn)給出了射流清淤船工作前、后以及一般挖泥船工作后的水流密度剖面圖，見(jiàn)圖3。

圖3 不同清淤船工作河流密度剖面示意

由于水流密度的變化使得駕駛員不斷地調(diào)節(jié)船舶來(lái)適應(yīng)這樣的變化，因此在港口附近施行清淤工作，當(dāng)有大型船舶和一系列小型船舶同時(shí)進(jìn)入港口時(shí)很容易堵塞港口。文獻(xiàn)［7］建議使用操縱模擬器來(lái)模擬密度變化時(shí)對(duì)船舶的影響，讓駕駛員多次進(jìn)行模擬練習(xí)來(lái)適應(yīng)這樣的變化。

早在20世紀(jì)80年代末，在我國(guó)的山東、河南兩省黃河流段上，就開(kāi)發(fā)了這種射流清淤船，相比于荷蘭等國(guó)，船舶在規(guī)模、效率等方面仍然有一定的差距?？偟膩?lái)說(shuō)，我國(guó)使用WID主要是在黃河潼關(guān)河段。這是因?yàn)辄S河淤積的泥沙比較適合射流清淤船攜帶，而且黃河流段的流量比較大，適合泥沙的輸送。研究人員通過(guò)試驗(yàn)的方法分析噴嘴的主要參數(shù)對(duì)射流船的沖刷效果的影響，包括噴嘴的間距、與床面的夾角、噴嘴提升高度以及射流船的航行速度［8-9］等。試驗(yàn)表明，當(dāng)多噴嘴沖刷河床時(shí)，噴嘴間距在一定范圍內(nèi)會(huì)相互影響，而超過(guò)單噴嘴沖刷的最大寬度時(shí)，這種影響就會(huì)消失，但是沖刷坑之間會(huì)產(chǎn)生垅脊，影響沖刷效果，因此實(shí)際工程中的噴嘴間距略小于單噴嘴的最大沖刷寬度。噴嘴的入射角與其提升高度直接影響沖刷的效果，當(dāng)噴嘴的入射角過(guò)小時(shí)，射流沖刷的范圍較大，但是沖刷深度較淺，隨著入射角的增加，沖刷深度逐漸增大，當(dāng)入射角達(dá)到90°時(shí)沖刷深度達(dá)到最大，但是此時(shí)沖刷范圍最小，并且可能會(huì)引起沖起的泥沙受到撞擊后形成折返水流，影響噴嘴出口的壓力。試驗(yàn)表明，當(dāng)噴嘴的入射角在60°～90°之間時(shí)沖刷的效果最好。另外，當(dāng)噴嘴離河床面過(guò)低時(shí)，若入射角速度很小，那么沖刷的流體中含沙量將相對(duì)較小;當(dāng)入射角過(guò)大時(shí)，一方面會(huì)使沖起的泥沙堵塞噴嘴，另一方面會(huì)使得沖刷坑過(guò)深，泥沙陷入沖刷坑中而無(wú)法運(yùn)移到其它的地方，影響清淤效果。當(dāng)噴嘴提升高度增加時(shí)，沖刷效果明顯增加，但是增加到一定的高度時(shí)，從噴嘴射出的水流將不能沖起河床的泥沙，因此噴嘴的提升高度有兩個(gè)臨界值，即最佳提升高度和最大提升高度，研究人員通過(guò)試驗(yàn)近似給出實(shí)際求解這兩個(gè)高度的方法，但是具體的工程項(xiàng)目噴嘴的高度則不一樣，應(yīng)結(jié)合實(shí)際選取。射流船的工作航速表現(xiàn)在射流沖刷歷時(shí)上，試驗(yàn)表明，過(guò)小的作業(yè)航速能夠增大沖刷深度，但是減少了單位時(shí)間內(nèi)的泥沙沖起量;過(guò)大的作業(yè)航速則沖刷深度過(guò)小，影響清淤效果。因此存在著一個(gè)最佳的作業(yè)航速，能使得作業(yè)效率和能耗損失達(dá)到最佳平衡點(diǎn)。實(shí)際上射流船航速的選擇根據(jù)實(shí)際的情況而定。當(dāng)河道流速很大時(shí)，水流挾沙力大，為了增強(qiáng)沖刷強(qiáng)度，作業(yè)航速可以慢一些;當(dāng)河道流速很小時(shí)，可適當(dāng)增加作業(yè)航速，增加水流輸送能力;當(dāng)河床比較容易沖刷時(shí)，可以適當(dāng)?shù)卦黾幼鳂I(yè)航速;當(dāng)河床比較難沖刷時(shí)，降低作業(yè)航速，增加沖刷量。

這些研究為射流清淤船噴嘴參數(shù)的選取以及工作環(huán)境，作業(yè)方式的選取提供了理論依據(jù)。

4 射流清淤船的形式

根據(jù)射水管路的布置形式和船型特點(diǎn)，射流清淤船可分為三種主要的形式。

4.1 中心開(kāi)槽

如圖4所示，輸水管道位于中心開(kāi)槽內(nèi)，壓力管道位于船艉，起吊裝置橫跨兩個(gè)船體部分，水泵位于船體內(nèi)部。這種設(shè)計(jì)可以更好地保護(hù)管道，但是減小了清淤寬度，并且建造難度比較大。

圖4 中心開(kāi)槽

4.2 雙船體型

如圖5所示，這種形式與第一種類似，只是主船體為兩個(gè)半船體相連接，這種設(shè)計(jì)非常適合模塊化建造，因此大大降低了建造的難度。但是這種船體的阻力比較大，因此在自由航行的條件下會(huì)降低速度，并且由于船體尺寸的原因，限制了干舷和推進(jìn)器的設(shè)計(jì)。

圖5 雙船體型

4.3 射水管U形布置

如圖6所示，這種設(shè)計(jì)是在整個(gè)船體的外圍安裝了一個(gè)U形射水管單元，相比于前兩種形式，它增加了清淤的寬度，并且這種形式一般可以通過(guò)改裝已有的船舶來(lái)完成，只需增加一套射水裝備和抽水裝備即可。但是這種形式卻增加了船舶在航行和工作時(shí)外圍管道受損的危險(xiǎn)。

圖6 射水管U型布置

上述三種形式的射流清淤船各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是考慮到第三種形式可通過(guò)改裝現(xiàn)有的船型得到，并且可建成多功能疏浚輔助船，因此目前市場(chǎng)上的射流清淤船大多還是第三種形式。

5 射流清淤船的主要疏浚裝置

5.1 射流泵

射流泵是WID最主要的構(gòu)件之一，它不需要輸送大顆粒的泥沙，因此在工作中受損較小，一般的射流清淤船都配有兩個(gè)射流泵，分別位于船左右兩側(cè)。射流泵是低揚(yáng)程、大流量的離心泵，因噴射水?dāng)噭?dòng)河底的泥沙需隨水流帶走，所以它僅用于淤泥、軟粘土或細(xì)沙的海底，因此也不需要過(guò)大的水泵揚(yáng)程。

射流泵的驅(qū)動(dòng)主要有兩種方式，一種是專用的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，另一種是用推進(jìn)柴油機(jī)的自由端驅(qū)動(dòng)，而其飛輪端則驅(qū)動(dòng)螺旋槳。為了便于裝卸，甲板上的泵組安裝在集裝箱內(nèi)，并需要考慮增加輔助設(shè)備來(lái)提高泵的吸入能力。

5.2 艉部提升裝置

該裝置設(shè)于艉部甲板上，基本的構(gòu)成有絞車、鋼絲繩、滑輪、A字架和射流管等，見(jiàn)圖7。

圖7 艉部提升裝置

工作時(shí)，絞車緩緩放出鋼絲繩，將射流管架降至作業(yè)深度后停止，可通過(guò)調(diào)節(jié)A字架的角度來(lái)調(diào)整噴嘴距河床的高度與角度［10］。當(dāng)有波浪產(chǎn)生時(shí)，船舶會(huì)產(chǎn)生上下顛簸，但水下噴射裝置必須克服波浪的影響，始終緊貼河床表面運(yùn)動(dòng)，因此就有必要安裝由油缸和蓄能器構(gòu)成的波浪補(bǔ)償系統(tǒng)，見(jiàn)圖8。

圖8 波浪補(bǔ)償裝置

波浪補(bǔ)償系統(tǒng)是一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，工作時(shí)絞車的鋼絲繩處于繃緊狀態(tài)，在有波浪的情況下，當(dāng)船體被波浪上舉時(shí)，壓力管道就會(huì)向上傾斜，連接該處的鋼索受力增加，鋼纜將柱塞桿向內(nèi)壓入，鋼絲繩自動(dòng)被放長(zhǎng)，使得壓力管道重新回到河床表面;當(dāng)船體下沉?xí)r，壓力管道壓入泥土之內(nèi)，鋼絲繩則處于松弛狀態(tài)，柱塞桿受液壓作用向外伸出，使鋼索自動(dòng)繃緊［11］。

5.3 射流裝置

該裝置包括輸送管道，轉(zhuǎn)動(dòng)接頭，壓力管道、噴嘴等構(gòu)件。大量的水流由射流泵吸入至輸送管道內(nèi)，經(jīng)由頭部轉(zhuǎn)動(dòng)接頭流入到壓力管道中，再由噴嘴注入到河床之中。轉(zhuǎn)動(dòng)接頭是回轉(zhuǎn)體與非回轉(zhuǎn)體之間的連接體，由法蘭管和壓蓋組成，其作用是使噴嘴能夠以任何角度和高度沖刷泥床。為減小其軸向尺寸，壓蓋與連接法蘭管固定螺栓由徑向插入后擰緊，因此結(jié)構(gòu)緊湊，并能承受工作時(shí)產(chǎn)生的彎矩。該轉(zhuǎn)動(dòng)接頭具有兩道密封圈，兩法蘭管之間配合為較小的間隙配合，保證其在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下不泄漏。由于有時(shí)挖泥船會(huì)進(jìn)行推土工作，簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)動(dòng)接頭不具備足夠的強(qiáng)度，因此可設(shè)計(jì)成萬(wàn)向鉸接機(jī)構(gòu)保證其強(qiáng)度［12］。

噴嘴是射流裝置中另一個(gè)十分重要的元件，其作用是將大量的流體轉(zhuǎn)化為高速低壓的射流。不同的噴嘴形狀會(huì)產(chǎn)生不同的管道壓力損失，不同的噴嘴布置對(duì)于清淤效果也有很大的影響。在噴嘴的設(shè)計(jì)上，相比于圓臺(tái)型噴嘴，圓柱型噴嘴顯然便于制造，但是其輸送管道的壓力損失卻要大得多，這是因?yàn)閷?duì)于橫截面突變的流動(dòng)，壁面附近會(huì)產(chǎn)生分離現(xiàn)象，損失就會(huì)加重;而橫截面平滑減小的流動(dòng)，產(chǎn)生分離現(xiàn)象會(huì)減少，壓力損失相應(yīng)的比較?。?3］。另外為了便于制造，噴嘴與壓力管道可采用螺紋連接的方式，這樣也便于針對(duì)不同的工作環(huán)境選用不同的噴嘴形式。

6 射流清淤船的最新發(fā)展

射流清淤船已有30多年的發(fā)展歷史，技術(shù)上比較成熟，是一種低成本、高效率的清淤工具。但是正如前文所述，射流清淤船只能在特定的環(huán)境中工作，而這種特定的工作環(huán)境下的清淤項(xiàng)目并不是很多，因此大部分時(shí)間船舶是處于不工作的狀態(tài)，使得建造一艘純粹的射流清淤船似乎不太經(jīng)濟(jì)。近年來(lái)，射流清淤船有了新的發(fā)展趨勢(shì)，主要有以下兩點(diǎn):①規(guī)模朝著大型化的方向發(fā)展，主要考慮工作環(huán)境和射流泵的流量功率兩個(gè)方面，傳統(tǒng)的射流船只能在窄深的河道，且河床的成分只能是泥沙或者淤泥。隨著配備的射流泵的流量功率逐步增加，射流船沖刷泥沙的顆粒大小也在增加;②射流清淤船的非專業(yè)化，如今疏浚公司更傾向于將射流設(shè)備集成在多功能疏浚作業(yè)輔助船或自己公司配置的拖輪上，見(jiàn)圖9。

圖9 兩種最新的射流清淤船型

圖9 a)為比利時(shí)疏浚公司DEME在2011年新建造的射流清淤船“Dhamra”，它是將射流裝置安裝在了已有的拖輪之上，船上配備的柴油機(jī)既可以滿足噴射泵的工作要求，又可以為船舶推進(jìn)提供動(dòng)力，并且射流泵功率達(dá)到了2×600 kW，清淤深度也達(dá)到了22 m。

圖9b)是該公司改裝的多功能疏浚作業(yè)輔助船“Parakeet”，其射流泵功率為2×584 kW，清淤深度為25.7 m。它是集射流清淤，整平，頂推，拖帶，油水供給，啟、拋錨功能，起重作業(yè)等為一體的船舶，主要是輔助其它大型挖泥船工作，降低了成本。

因此，從經(jīng)濟(jì)性與功能性方面來(lái)看，射流疏浚可能將不再作為單一的船型出現(xiàn)，其發(fā)展趨勢(shì)將是在多功能輔助船或已有的船舶上安裝射流設(shè)備。

7 結(jié)論

射流清淤船屬于非主力疏浚船型，相比于耙吸、絞吸、抓斗、鏈斗類挖泥船，其技術(shù)形態(tài)及裝備相對(duì)比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用范圍也相對(duì)比較狹小。但是在其它大型挖泥船無(wú)法工作的特定環(huán)境中(如深槽、深潭等)，射流清淤船體現(xiàn)了它的能耗少，成本低，操作簡(jiǎn)單，效率高等特點(diǎn)。目前，射流清淤船也在逐步大型化，射流泵的流量功率逐步增加。為了擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，射流清淤船將不再作為一種單一的船型出現(xiàn)，而是將射流裝置配備到多功能疏浚作業(yè)輔助船或者拖輪上，不僅可節(jié)約成本，也可解決應(yīng)用范圍狹小的缺陷。

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