大型耙吸船裝艙粉細(xì)砂過程中降低泥泵轉(zhuǎn)速對生產(chǎn)率的影響

楊林生 中交廣州航道局有限公司

1.工程概況

1.1 工程內(nèi)容

湛江港30萬噸級航道改擴(kuò)建工程I標(biāo)段（以下簡稱本標(biāo)段）施工內(nèi)容包括：龍騰航道外段A30’（K0+000）至龍騰航道外段B’點(diǎn)（K36+200）航段的疏浚工程、航標(biāo)工程和環(huán)境監(jiān)測工程等。本標(biāo)段是在原有30萬噸級航道基礎(chǔ)上進(jìn)行拓寬、浚深和延長，全長36.2km，通航寬度340m，A30’～B2段設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-23.6m，B2～B’段設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-23.9m，A30’～B3段邊坡為1:6，B3～B2’段為復(fù)合邊坡上層1:6、下層1:5。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)設(shè)計(jì)地質(zhì)勘察資料，本標(biāo)段疏浚土淤泥～淤泥質(zhì)土占61%，粘性土占24.3%，砂類土占14.7%。根據(jù)本工程設(shè)計(jì)文件，含砂區(qū)域主要集中在K15+000～K16+000、K17+200～K19+400、K22+400～K28+000、K29+700～K36+200，且主要分布在兩側(cè)邊坡區(qū)域。根據(jù)補(bǔ)充勘探資料揭示，砂層主要為粉細(xì)砂和中砂，部分砂層分布連續(xù)但不均勻，砂層下伏地層多為粉質(zhì)粘土層；部分砂層分布不連續(xù)，表層為淤泥或粉砂，呈透鏡體揭示，層厚較薄，中間發(fā)育淤泥質(zhì)土，底部為砂層，呈砂泥交替沉積特征。

2.研究背景及目的

2.1 研究背景

根據(jù)省、市有關(guān)要求，本標(biāo)段需配合湛江巴斯夫新型一體化基地項(xiàng)目建設(shè)，需將原外拋的疏浚物調(diào)整為吹填至巴斯夫吹填區(qū)。巴斯夫項(xiàng)目迫切需求含砂量較高的疏浚物，而本標(biāo)段工期緊、任務(wù)重、影響因素多，且因疏浚物處置方式的調(diào)整，耙吸船處置疏浚物的運(yùn)輸距離和時(shí)間明顯增加，運(yùn)輸路線擁擠、艏吹區(qū)占用時(shí)間長等，從運(yùn)輸、吹岸兩個施工環(huán)節(jié)優(yōu)化生產(chǎn)率的空間較小，再者粉細(xì)砂裝艙效果差是耙吸船疏浚時(shí)遇到的普遍問題，綜合得“如何改善耙吸船粉細(xì)砂裝艙效果以提高生產(chǎn)率”成為了關(guān)鍵點(diǎn)。

2.2 研究目的

粉細(xì)砂難沉淀、裝艙效果差一直是影響耙吸船疏浚粉細(xì)砂生產(chǎn)率的一大因素，若能改善粉細(xì)砂裝艙效果，將大大提升耙吸船疏浚粉細(xì)砂的生產(chǎn)率；研究大型耙吸船在裝艙粉細(xì)砂過程中適當(dāng)降低泥泵轉(zhuǎn)速來改善最佳裝艙溢流效果以提高生產(chǎn)率，能更好地指導(dǎo)同類型施工船舶在本標(biāo)段（或其他項(xiàng)目）疏浚粉細(xì)砂的施工，提高總體生產(chǎn)率，節(jié)約工期，節(jié)省生產(chǎn)成本。

3.研究思路及過程

3.1 研究思路

在疏浚粉細(xì)砂初期，大型耙吸船“浚海1”投入到本標(biāo)段施工，疏浚粉細(xì)砂的裝艙效果較差，經(jīng)工程師與船長分析討論得知耙吸船裝艙粉細(xì)砂時(shí)艙內(nèi)已沉淀粉細(xì)砂的容積越大，泥艙內(nèi)剩余容積越小，在越來越小的空間內(nèi)未沉淀的粉細(xì)砂顆粒能用于消能的空間就越少，在艙內(nèi)水流的擾動下越難沉淀。針對這一現(xiàn)象，項(xiàng)目部與“浚海1”討論后，決定通過適當(dāng)調(diào)整裝艙時(shí)施工參數(shù)以改善這一現(xiàn)象，即在裝艙后期通過適當(dāng)降低泥泵轉(zhuǎn)速來降低艙內(nèi)排泥流速，以減少泥艙內(nèi)擾動，加速后期粉細(xì)砂的沉淀速度，降低流失率，提高裝艙效率，進(jìn)而改善粉細(xì)砂裝艙效果。結(jié)合船長豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，最終確定在裝艙土方量達(dá)到3000m3時(shí)將泥泵轉(zhuǎn)速由230～250r/min降低為200～220r/min。

3.2 研究過程

3.2.1 現(xiàn)場觀察

項(xiàng)目部派駐船工程技術(shù)員上“浚海1”協(xié)助完成調(diào)節(jié)泥泵轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，對土質(zhì)、施工參數(shù)等進(jìn)行全過程觀察并記錄，施工段為K29+000～K32+600，施工土質(zhì)主要為粉細(xì)砂，少量淤泥和粘土，施工工藝流程為挖→運(yùn)→吹，雙耙施工，挖泥航速2～3kn，高壓沖水壓力值5.7～6.0bar。

3.2.2 數(shù)據(jù)記錄

先后分別記錄兩種情況下裝艙土方量每10min隨裝艙溢流時(shí)間的變化：①從下耙到起耙一直保持泥泵轉(zhuǎn)速為230～250r/min進(jìn)行裝艙溢流施工，直至持續(xù)裝艙溢流施工但裝艙土方量無明顯增加時(shí)起耙；②從下耙到裝艙土方量達(dá)到3000m3期間，保持泥泵轉(zhuǎn)速為230～250r/min進(jìn)行裝艙溢流施工，待裝艙土方量達(dá)到3000m3時(shí)，保持其他施工參數(shù)不變，僅將泥泵轉(zhuǎn)速降低為200～220r/min繼續(xù)裝艙溢流施工，直至持續(xù)裝艙溢流施工但裝艙土方量無明顯增加時(shí)起耙。

3.2.3 數(shù)據(jù)處理及分析

將記錄的多次數(shù)據(jù)以散點(diǎn)的形式體現(xiàn)于坐標(biāo)上并擬合成趨勢線，根據(jù)趨勢線最高點(diǎn)所對應(yīng)的裝艙土方量和裝艙溢流時(shí)間，計(jì)算情況①和②后期裝艙效率的變化率，進(jìn)而對比分析降低泥泵轉(zhuǎn)速后裝艙效率的提升效果。

作合適切線相切于趨勢線，在切點(diǎn)取得情況①和②的最佳裝艙溢流時(shí)間以及所對應(yīng)的裝艙土方量，對比分析最佳裝艙溢流效果的改善情況；利用生產(chǎn)率計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果后對比情況①和②的生產(chǎn)率，根據(jù)對比結(jié)果分析通過降低泥泵轉(zhuǎn)速以提高生產(chǎn)率的效果。

4.施工工藝流程

耙吸船施工方法采用裝艙溢流法，“浚海1”航行至施工區(qū)，降低航速到2-3kn開始下耙，下耙過程中開啟吸泥泵，待耙下降到接觸泥面后開始裝艙，疏浚土通過耙頭進(jìn)入耙臂輸送至泥艙，泥艙內(nèi)的部分大顆粒土先沉淀，小顆粒土則跟隨艙內(nèi)水流成泥漿流動，艙內(nèi)泥漿漫過溢流筒高度后開始溢流，待到繼續(xù)裝艙溢流施工但裝艙土方量無明顯變化時(shí)，起耙重載航往艏吹區(qū)，接好吹泥管線后開泵吹泥，吹泥完畢后停泵并拆除管線，管線拆完后輕載返回施工區(qū)重新上線，進(jìn)行下一周期循環(huán)。施工工藝流程圖見圖1。

5.計(jì)算裝艙土方量

“浚海1”已安裝耙吸船控制集成系統(tǒng)（IΗCS）和疏浚監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA），SCADA根據(jù)內(nèi)輸公式采用排水重量法計(jì)算裝艙土方量，經(jīng)人工輸入rS值，疏浚過程中可直接計(jì)算出q1值并顯示于屏幕。根據(jù)內(nèi)輸公式，結(jié)合本標(biāo)段K29+000～k32+600段疏浚土（主要為粉細(xì)砂，少量淤泥和粘土）天然密度rS，即可計(jì)算出施工船舶實(shí)時(shí)裝艙土方量，經(jīng)駐船人員取樣分析，取rS=1.750t/m3。

SCADA內(nèi)輸計(jì)算公式如下[1]：

式中：q1—裝艙土方量（m3）；Gm—耙吸船實(shí)時(shí)裝艙排水量（t）；G0—耙吸船空（輕）載下耙前排水量（t）；rW—海水密度，取1.025t/m3；q—泥艙實(shí)時(shí)裝艙容積（m3）；rS—疏浚土的天然密度，取1.750t/m3。

6.繪制裝艙土方量曲線

將所記錄的①和②兩種情況下“浚海1”施工數(shù)據(jù)分別處理成（裝艙溢流時(shí)間，裝艙土方量）坐標(biāo)點(diǎn)，建立以裝艙溢流時(shí)間為正橫軸方向；以航行、掉頭、接拆管、艏吹總時(shí)間為負(fù)橫軸方向；以裝艙土方量為豎軸正方向的坐標(biāo)系，將坐標(biāo)點(diǎn)以散點(diǎn)的形式體現(xiàn)在坐標(biāo)系上，并擬合出情況①和②的趨勢線。經(jīng)施工記錄計(jì)算得航行、掉頭、接拆管、艏吹總時(shí)間約為306分鐘，從（-306，0）點(diǎn)分別畫兩條直線相切于情況①和②的趨勢線。所繪制出的圖表見圖2[1]。

7.計(jì)算后期裝艙效率的變化率

7.1 確定最高裝艙土方量

如圖2，根據(jù)情況①和②所擬合的裝艙土方量曲線得知，裝艙土方量為3000m3時(shí)對應(yīng)的點(diǎn)為（75，3000），即情況①和②裝艙土方量達(dá)3000m3時(shí)，對應(yīng)的裝艙溢流時(shí)間為75min；情況①裝艙土方量曲線的最高點(diǎn)為（181，4 629），即情況①的最高裝艙土方量為4629m3，對應(yīng)的裝艙溢流時(shí)間為181min；情況②裝艙土方量的最高點(diǎn)為（197，5070），即情況②的最高裝艙土方量為5070m3，對應(yīng)的裝艙溢流時(shí)間為197min。

7.2 計(jì)算后期裝艙效率的變化率

將數(shù)據(jù)代入上式計(jì)算得，情況①：△V①=922.08m3/h；情況②：△V②=1018.03m3/h；情況②比情況①后期裝艙效率提高：

8.計(jì)算生產(chǎn)率

8.1 確定最佳裝艙溢流時(shí)間

情況①和②趨勢線上切點(diǎn)所對應(yīng)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別為最佳裝艙溢流時(shí)間和對應(yīng)的裝艙土方量。由圖2得，情況①趨勢線所得的切點(diǎn)為（150，4455），即情況①的最佳裝艙溢流時(shí)間為150min，對應(yīng)的裝艙土方量為4455m3；情況②趨勢線所得的切點(diǎn)為（160，4850），即情況②的最佳裝艙溢流時(shí)間為160min，對應(yīng)的裝艙土方量為4850m3[1]。

如圖2，裝艙土方量達(dá)3000m3后，情況②曲線始終在情況①曲線上方，根據(jù)情況①和②的最佳裝艙溢流時(shí)間及對應(yīng)的裝艙土方量知，情況②最佳裝艙溢流時(shí)間比情況①延后約10min，對應(yīng)的裝艙土方量卻提高約395m3，可見情況②改善了最佳裝艙溢流效果。

8.2 計(jì)算生產(chǎn)率

根據(jù)耙吸船挖、運(yùn)、吹施工生產(chǎn)率的計(jì)算公式：

W耙吸2-耙吸船挖、運(yùn)、吹施工運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間小時(shí)生產(chǎn)率（m3/h）；q1—泥艙裝艙土方量（m3）；Σt—施工循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)小時(shí)（h）；l1—重載航行段長度（km）；v1—重載航速（km/h）；l2—輕載航行段長度（km）；v2—輕載航速（km/h）；l3—挖泥長度（km）；v3—挖泥航速（km/h）；t3—吹泥（包含接拆管）總時(shí)間（h）；t2—施工中掉頭及上線時(shí)間（h）。

把情況①和②的最佳裝艙溢流時(shí)間及對應(yīng)的裝艙土方量分別代入上述公式計(jì)算得，情況①的生產(chǎn)率為：W①=586.18m3/h；情況②的生產(chǎn)率為：W②=624.46m3/h；情況②比情況①生產(chǎn)率的提高：

9.結(jié)果分析

通過“浚海1”在湛江港30萬噸級航道改擴(kuò)建工程Ⅰ標(biāo)段疏浚粉細(xì)砂裝艙過程中降低泥泵轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)，采用現(xiàn)場觀察、調(diào)查取證、數(shù)據(jù)獲取和分析對比后發(fā)現(xiàn)，在相同施工參數(shù)條件下，大型耙吸船疏浚裝艙粉細(xì)砂時(shí)，從下耙到裝艙土方量達(dá)到3000m3期間保持泥泵轉(zhuǎn)速為230～250r/min，待裝艙土方量達(dá)到3000m3時(shí)將泥泵轉(zhuǎn)速降低為200～220r/min后繼續(xù)裝艙溢流施工，可將后期（裝艙土方量達(dá)3000m3后）裝艙效率提高約10.41%，并改善疏浚粉細(xì)砂的最佳裝艙溢流效果，將疏浚粉細(xì)砂生產(chǎn)率提高約6.53%。

10.結(jié)束語

在安排大型耙吸船施工疏浚粉細(xì)砂時(shí)，可待裝艙土方量達(dá)到一定值時(shí)降低泥泵轉(zhuǎn)速，來提高后期粉細(xì)砂裝艙效率，并改善疏浚粉細(xì)砂的最佳裝艙溢流效果，以提升大型耙吸船疏浚粉細(xì)砂的生產(chǎn)效率。

在耙吸船疏浚過程中，裝艙效率和施工生產(chǎn)率會因施工土質(zhì)、海況、耙吸船類型、施工參數(shù)的設(shè)定、操耙手施工經(jīng)驗(yàn)等的不同而不同，在實(shí)際施工中要不斷根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況做出調(diào)整，以取得最好的施工效果。