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韋杏靜，趙寧，向宏（中交廣州航道局有限公司，廣東　廣州　510221）

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韋杏靜，趙寧，向宏
（中交廣州航道局有限公司，廣東廣州510221）

摘要：根據(jù)港珠澳大橋工程基槽開挖后的清淤要求設計了一種專用高效清淤吸頭，并進行相關的物理模型試驗及數(shù)模試驗，獲取碎石的啟動流速，確定吸口流速，分析吸頭內(nèi)外部流場特性，判斷吸力影響范圍，優(yōu)化吸頭設計。吸頭采用“人”字形與圓弧過渡的對稱結(jié)構(gòu)設計，吸口位于吸頭兩側(cè)水平方向上，吸頭內(nèi)部設置檔板可左、右單向和雙向清淤，吸頭下方兩側(cè)水平設計噴水結(jié)構(gòu)，滿足不同工況要求，提高施工效率。

關鍵詞：吸頭；基槽；清淤；物理模型試驗；數(shù)模試驗

1　概述

港珠澳大橋工程基槽最大開挖深度-45 m，最大開挖泥層厚度約30 m，遠遠超過目前國內(nèi)各大型港口航道的疏浚深度。作為目前世界范圍內(nèi)綜合難度最大的沉管隧道基槽開挖項目之一，工程對沉管安放之前的基槽底泥水密度要求較高：鋪設碎石后，碎石墊層上的泥水密度>1.26 t/m3的回淤沉積物厚超過4 cm，或者密度>1.15 t/m3的回淤沉積物厚超過8 cm，應予清淤。碎石墊層上的清淤要求在清除淤積物時不能擾動原有墊層，對清淤施工精度要求高，顯然不同于一般疏浚工程清淤。如此大深度高精度的沉管基槽清淤是本工程的難點之一，也是對現(xiàn)有工程技術的巨大挑戰(zhàn)，而且目前國內(nèi)尚未有現(xiàn)成的深基槽清淤設備和相關經(jīng)驗。

為了解決本項目的基槽清淤問題，需進行專用吸頭的研究、設計、優(yōu)化，進行符合工程特性的顆粒啟動流速物理模型試驗，以分析碎石的啟動流速來控制吸頭吸口的流速，需要結(jié)合物理模型試驗結(jié)果利用相關的軟件進行數(shù)模試驗，對流向線、速度云圖、速度等值線等進行分析，優(yōu)化吸頭外形與流道設計，研發(fā)出適合工程需要的高效清淤吸頭。

2　相關參數(shù)確定

根據(jù)工程要求，清淤后基槽底泥水密度按小于等于1.08 t/m3進行吸頭設計，一段沉管安放前需要清淤量約為42 m伊180 m伊2 m=15 120 m3，考慮吸頭在碎石墊層上清淤時不能擾動碎石，水下泥泵吸力不宜過大等因素，綜合考慮后，水下泥泵排量為2 000 m3/h，吸排泥管徑為400 mm，管內(nèi)流速為4.4 m/s。每段沉管基槽清淤時間約10 d，即每天清淤量約為1 512 m3。

3　物理模型試驗

因港珠澳大橋島隧工程要求在特定碎石層上清淤，需保證清淤時碎石墊層不被破壞，所以吸頭初樣設計完成后，需要確定吸口適宜的流速，吸口最大流速應小于碎石顆粒的起動流速。

要保證吸口速度不會擾動碎石墊層，則吸口的截面積不能小于某一面積。但由于流體情況復雜，吸口速度通過不同的方法計算結(jié)果偏差較大，因此采用了模擬實際施工環(huán)境進行水槽試驗，以取得碎石墊層起動速度。

為此，針對港珠澳大橋島隧工程主要工況進行了3個類型試驗：1）平坡碎石墊層抗沖刷性能試驗；2）1頤20和1頤30斜坡碎石墊層抗沖刷性能試驗；3）碎石墊層V形槽上沿抗沖刷性能試驗。通過目測碎石墊層的起動情況及計算來確定碎石起動流速。

本試驗波浪流水槽為45 m伊0.8 m伊1 m，水槽造流最大流量約為1 000 m3/h，碎石材料符合B1等級的級配要求，即篩分粒度：2.36 mm粒徑以下顆粒含量小于8%，31.5 mm粒徑以下顆粒含量25%耀35%，53 mm粒徑以下顆粒含量100%。試驗過程中，監(jiān)測上下游水位、流速、水深等關鍵量，流速觀測采用NDV流速儀。

在試驗過程中觀察床面上碎石是否運動、運動數(shù)量、占床面表層碎石量的比例、漂移至下游的碎石量及尺寸、床面的最終破壞形態(tài)等。統(tǒng)計采用以竇國仁為代表提出的起動概率標準，即推移質(zhì)運動分為以下3種狀態(tài)[1]：

1）個別起動：相應的起動概率為1.35%耀2.27%；

2）少量起動：相應的起動概率為2.27%耀15.9%；

3）大量起動：相應的起動概率為>15.9%。

碎石起動狀態(tài)及判斷按以上分類進行，起動概率小于1.35%時，視為床面穩(wěn)定。通過4個批次的水槽試驗，得出了碎石的起動流速（以底面以上3～4 cm位置的流速代表底流速），總結(jié)如下：

1）平坡條件下，試驗范圍內(nèi)（底流速0.83 m/s以下）碎石是絕對穩(wěn)定的，未觀察到碎石顆粒的起動。

2）采用1頤30邊坡時，碎石個別起動的底流速約為1.35 m/s，此時起動概率約1.5%耀2.0%；碎石少量起動的底流速約為1.40 m/s，此時起動概率約3%耀5%?？紤]到碎石級配中不免存在少量2 cm以下顆粒，且單點的維護疏浚的時間不會太長，應該可以認為碎石墊層基本上不會被破壞。

3）采用1頤20邊坡時，碎石少量起動的底流速約為1.35 m/s，此時起動概率約3%耀5%；碎石大量起動的底流速為1.5 m/s，此時起動概率約20%耀30%。

4）對于邊坡1頤1.5的V形槽，其上游上沿為最不穩(wěn)定區(qū)域，當上游壟頂?shù)琢魉龠_到1.20 m/s時，碎石顆粒少量起動，此時起動概率約1.5%耀2.0%，導致V形槽的上沿斜削。當?shù)琢魉龠_到1.35 m/s時，碎石顆粒大量起動，最終將導致V形槽的坍塌乃至填埋。

從以上4種試驗結(jié)果判斷床面是否穩(wěn)定，并綜合考慮保護碎石墊層和清淤效率2個因素，最終選取吸口抗沖刷臨界流速1.1 m/s作為吸頭吸口設計依據(jù)。

4　吸頭初樣設計

根據(jù)水下泥泵的相關參數(shù)及吸口抗沖刷臨界流速1.1 m/s作為吸頭設計依據(jù)，計算吸頭內(nèi)腔體積和尺寸，以具有良好的水力特性對內(nèi)腔和流道進行優(yōu)化，減少紊流。吸頭設計的初樣如圖1所示，吸頭的吸口位于吸頭兩側(cè)水平方向上，吸頭內(nèi)部中心線上的閥板，可使吸頭分別從左右兩側(cè)單向或雙向吸入淤泥，吸頭下方兩側(cè)水平設計噴水結(jié)構(gòu)，用于淤泥密度和黏度較大的工況，噴水結(jié)構(gòu)位于吸口下方，與流道彼此獨立，最大限度地降低對吸口流體的影響。

5　數(shù)模試驗

依據(jù)吸頭設計初樣圖以及基槽碎石墊層抗沖刷臨界流速為1.1 m/s等條件，以數(shù)值模擬為手段開展吸頭內(nèi)部流道優(yōu)化設計工作，分析關鍵計算參數(shù)、吸頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征、在不同作業(yè)條件下流場特征、吸頭的清淤能力和作用范圍等，對不同設計方案對比，達到優(yōu)化吸頭設計，尋找出一種合理的吸頭結(jié)構(gòu)形式，以滿足清淤工程質(zhì)量和提高作業(yè)效率的要求。

5.1計算軟件

圖1 吸頭設計初樣圖Fig.1　Design prototype sample of the suction head

數(shù)模試驗采用計算流體力學商業(yè)軟件Fluent V13.0[2-3]，計算中根據(jù)吸頭設計方案CAD圖構(gòu)造基本的計算網(wǎng)格，構(gòu)造吸頭內(nèi)部流道的內(nèi)邊界和吸頭的外輪廓邊界，以此作為吸頭周圍流場的固定邊界條件，吸頭外部周圍流場計算域的邊界條件根據(jù)吸頭流場影響較小的區(qū)域加以劃定，并以出流邊界條件進行構(gòu)造。本項目進行的吸頭流場分析從理論上說是在負壓（吸管上端）邊界條件下、以吸頭機械結(jié)構(gòu)為固定邊界計算域內(nèi)流場分布特征問題。計算采用FLUENT求解器求解流動控制方程，在計算過程中選取標準的k-著湍流模型描述流場的流態(tài)，采用有限體積法離散控制方程和湍流模式，其中，動量方程和湍流方程都采用一階迎風格式離散，壓力項采用一階差分格式，壓力速度耦合迭代采用Simple算法。

5.2數(shù)模試驗數(shù)學模型

計算中[4]取定所計算的流體為黏性、不可壓縮流體。泥漿運動黏性系數(shù)自的取值為海水的1.5倍；泥漿密度籽的取值為1.08 t/m3；流場中流體流態(tài)根據(jù)標準的k-著湍流模型來模擬。這種類型的流體力學問題中，吸頭大部分時間以準定常狀態(tài)工作，因此，對吸頭在沉管隧道基槽上作業(yè)時的泥漿流動狀況按定常流動處理。

5.3吸頭初步設計方案的數(shù)值模擬

根據(jù)吸頭初步設計方案，構(gòu)造了計算幾何模型，據(jù)此劃分吸頭內(nèi)部的計算網(wǎng)格進行計算。從吸頭內(nèi)部流線圖、吸頭進口5個開口不同位置處流速值可以看出：在2/5開口的工況下，流速網(wǎng)格計算離散值在1.028耀1.075 m/s之間，擋板后有一個大漩渦，其中兩邊的進口漩渦比較大，中間的進口漩渦較小。通過對計算結(jié)果的分析，這樣的吸頭內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)的泥漿流動狀態(tài)不理想，需要改進。

5.4吸頭最終設計方案的數(shù)值模擬

5.4.1吸頭結(jié)構(gòu)最終設計方案

在吸頭初樣設計的基礎上，對吸頭不同結(jié)構(gòu)方案經(jīng)過多次數(shù)值模擬，并對數(shù)值模擬結(jié)果進行分析和比較，確定吸頭結(jié)構(gòu)最終設計方案如圖2所示。吸頭及內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)改為對稱式設計，吸管改為垂直于吸頭正上方，兩邊吸口至垂直吸管采用“人”字形加圓弧過渡的結(jié)構(gòu)形式，吸口上沿增加頂板，吸口開口上下沿直線連接增加4塊加強板。

圖2　吸頭結(jié)構(gòu)最終設計方案Fig.2　Final design scheme of suction head structure

5.4.2試驗結(jié)果及流場分析

對吸頭最終設計方案進行數(shù)值模擬，計算域長和寬均為10 m，計算域高度按照吸頭底面離基槽底面為0.3 m、0.2 m、0.1 m而分別取為2.8 m、2.7 m、2.6 m，計算域的坐標原點位于吸頭最底部中央，穿過二吸頭開口并位于吸頭對稱面的坐標軸取為Y軸，與Y軸垂直的為X軸，Z軸穿過原點垂直向上。在這樣的坐標系下，當吸頭底面離基槽底面的高度分別為0.3 m、0.2 m、0.1 m時，基槽底面的垂向坐標分別為z=-0.3 m、z=-0.2 m和z=-0.1 m。計算域的底部為固定邊界條件，其它方形計算域邊界條件為在吸頭抽吸作用下的自由流入邊界條件。計算中，泥漿密度取為1.08 t/m3，泥漿黏性系數(shù)為海水黏性系數(shù)的1.5倍。以下為吸頭底面離基槽底面高度為0.3 m的計算結(jié)果。因吸頭底面離基槽底面為0.2 m、0.1 m時的情況與此差異不大，本文不作介紹。

1）吸頭內(nèi)外部流線分布

吸頭內(nèi)部流體運動軌跡比較流暢，速度變化均勻，達到了預期目的。

外部流體多數(shù)從吸口流入吸頭，少數(shù)在吸頭側(cè)面形成旋渦。吸口處流速不超過1.1 m/s，不會破壞碎石底面結(jié)構(gòu)。

2）穿過兩邊吸口、沿著計算域y軸中心面的不同高度所截取的泥漿流速值

吸口中間開口處的最大流速為1.53 m/s，吸口兩邊開口處的流速約為1.165 m/s。吸口中間2塊加強板分流作用明顯，滿足精確清淤的要求，不會對清淤基底產(chǎn)生破環(huán)。

3）吸口外部的流速等值線

從穿過兩邊吸口的縱剖面截面上截取流速大于0.5 m/s范圍的流速等值線可得出，在采用了頂板結(jié)構(gòu)條件下，距離吸口外0.3 m處流速接近0.5 m/s；距離吸口外1.2 m處，流速為0.1 m/s，滿足精確清淤的要求。

4）在計算域不同高度截取的速度云圖及速度等值線

采用z=-0.3 m作為海底基槽底面的垂向坐標，計算得到在計算域不同高度截取的速度云圖或速度等值線。根據(jù)計算結(jié)果有如下結(jié)論：淤在吸頭底面離基槽底面高度為0.3 m的條件下，基槽底面最大流速為0.14 m/s；基槽底面以上0.1 m處的最大流速為0.16 m/s；基槽底面以上0.2 m處的最大流速為0.241 m/s；基槽底面以上0.3 m，即處于吸頭底面上的最大流速為0.376 m/s；基槽底面以上0.6 m，即處于吸口中間位置處的最大流速為1.42 m/s。于在吸口中間位置、距吸口外約1 m處的流速約為0.1 m/s；在基槽底面以上0.8 m、處于吸口頂板上方，吸頭的外部已經(jīng)沒有大于0.1 m/s流速。盂采用了圖2所示的頂板結(jié)構(gòu)后，吸頭負壓作用所產(chǎn)生的高速泥漿區(qū)域大致位于頂板以下區(qū)域，這一結(jié)構(gòu)比前面設計方案的吸頭結(jié)構(gòu)形式具有優(yōu)勢。

6　吸頭結(jié)構(gòu)

通過以上物理模擬和數(shù)模試驗，吸頭結(jié)構(gòu)如圖3所示，吸頭采用吸口位于兩側(cè)水平方向上，人字形雙流道，可左、右單向和雙向清淤，獨立噴水結(jié)構(gòu)進行設計。

圖3 吸頭結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Structure of suction head

6.1吸口位于吸頭兩側(cè)水平方向上

吸頭吸口平行于清淤底部，位于吸頭兩側(cè)水平方向上，采用水平方式清淤，避免垂直于底部清淤容易破壞底部碎石結(jié)構(gòu)。吸口采用長方形扁平結(jié)構(gòu)，可增加吸口與浮泥層的接觸面積，既能高效率清淤又不破壞清淤底層結(jié)構(gòu)，并可根據(jù)基槽底不同保護要求，調(diào)整吸口面積，調(diào)節(jié)吸口處吸力和流體速度，使吸力和流體速度滿足不會啟動基槽底碎石等，達到保護基槽底的目的。吸口上方增加水平導向板，增加上部密度較小淤泥層的移動行程，使下部密度較大的淤泥更容易被吸口吸入流道，利于提高清淤效率。

6.2人字形雙流道

吸頭左右各1個吸口，對應2個流道，且彼此獨立，呈光滑圓弧線向上匯聚，避免出現(xiàn)紊流影響清淤效率。吸頭上方為一圓管，使用法蘭與吸泥管連接。圓管下方為一段變形管將流道截面從圓形轉(zhuǎn)為方形，變形管之后圓管變?yōu)榉焦?。方管下分?個流道，且截面積逐漸變大，流道呈人字形從垂直于底面方向轉(zhuǎn)為平行于底面方向。

6.3左、右單向和雙向清淤

吸頭吸淤流道管截面經(jīng)過轉(zhuǎn)化從圓形變?yōu)榉叫?，下方設計一段側(cè)面為梯形的方管，梯形方管下方在2個流道的交匯處設置可旋轉(zhuǎn)擋板，可以將2個流道隔開。通過調(diào)節(jié)該擋板的角度可以選擇左、右單向清淤或雙向清淤。擋板通過轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸與吸頭外側(cè)的旋轉(zhuǎn)油缸連接，通過該旋轉(zhuǎn)油缸來驅(qū)動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而控制擋板的角度。擋板可隨轉(zhuǎn)軸向兩側(cè)分別旋轉(zhuǎn)0毅耀90毅，2個流道上各設置1個限位塊，當擋板到達左限位塊時為右側(cè)清淤，到達右限位塊時為左側(cè)清淤，位于中間時雙側(cè)清淤。

6.4獨立噴水結(jié)構(gòu)

噴水結(jié)構(gòu)位于清淤流道下方，獨立于流道，2個流道下方各設置1個高壓噴射水腔，分別通過2條壓力水管引入高壓水，然后通過吸口下面的一排噴頭噴射高壓水。噴射口設置在吸口下方，與吸口同向，水平噴射，不破壞清淤底部結(jié)構(gòu)。

7　結(jié)語

本專用吸頭是針對特定的基槽工況條件進行

設計，設計中通過數(shù)模、物模試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果優(yōu)化吸頭設計，綜合了水平清淤和垂直清淤的優(yōu)點，創(chuàng)新性地采取人字形雙流道結(jié)構(gòu)，有效避免了清淤中的紊流現(xiàn)象，清淤的同時不破壞基底的結(jié)構(gòu)。吸口上方導向板使吸頭能夠集中清理下方密度較大的淤泥層，提高了清淤效率。獨立的噴水結(jié)構(gòu)及左、右向和雙向清淤設計能適應多種不同施工工況環(huán)境的要求。該吸頭已應用到港珠澳大橋基槽清淤船“捷龍”輪上[5]，現(xiàn)場施工效果理想，已順利完成了沉管E1耀E19沉放前的所有清淤任務。本專用清淤吸頭的研制，填補了國內(nèi)深海高精度清淤技術的空白，可為今后進一步研發(fā)提供參考數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。

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E-mail：weixjing88@163.com

中圖分類號：U617.6

文獻標志碼：A

文章編號：2095-7874（2016）01-0068-05

doi：10.7640/zggwjs201601016

收稿日期：2015-08-21

作者簡介：韋杏靜（1976— ），女，廣西人，高級工程師，流體傳動及控制專業(yè)。

Special suction head for dredging of deep sea foundation trench

WEI Xing-jing,ZHAO Ning,XIANG Hong
（CCCC Guangzhou Dredging Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510221,China）

Abstract：This article describes a special high suction head designed according to the desilting requirements after foundation trench excavation in Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge project.The suction velocity is defined by the starting velocity of the gravel bed using physical modeling experiment and also the analog-digital simulation is made to analyze the outside and inside flow field,estimating the range of the suction head and optimize it.The suction head is charactered with a shape of"人"and symmetrical structure of circular arc transition,and the suction mouth is on the opposite side in horizontal direction.There is a plate to allow the suction from either mouth or both suction mouths,horizontal direction jet water structure is designed under suction head to satisfy different working conditions,improving the working efficiency.

Key words：suction head;foundation trench;desilting;physical modeling experiment;analog-digital simulation