大型耙吸挖泥船装舱系统设计研究

王振琅，曾 湛

（708研究所，上海 200011）

0 引 言

耙吸挖泥船是自航吸扬式挖泥船，大型耙吸挖泥船设计有较大舱容的泥舱，用于边耙吸疏浚，边装舱溢流沉淀，达到规定泥舱容重的装载量，驶向目的地，由泥门卸泥或泥泵抽舱艏喷、吹岸围海造田。随着港口建设的发展，推动着疏浚业的前进，大型耙吸挖泥船也蓬勃发展。由于缺少有效的科学试验，对提高装舱效率、缩短装舱时间、节能减排装舱系统设计大部分是凭经验及借助国际同类型船或母型船作参考进行设计，很少做充分的定量或定性分析。本文拟对装舱系统的基本水力状态及管系设备的几种不同布置进行一些动态的定性分析比较，提出见解，供同行探讨共勉。

装舱系统主要包括装舱管系、消能箱、溢流装置、低浓度排放以及闸阀控制等。文章着重从疏浚系统中装舱管系的走向、分流布置方式，消能箱形式、朝向与布置位置，溢流装置的设计与布置等进行优化分析，设计研究。并对闸阀设置、低浓度排放作一阐述。

1 疏浚装舱系统

装舱系统是疏浚系统的重要组成部分，其系统树详见图1。

2 装舱管系的分流走向布置

装舱管系的分流走向布置：设计者通常考虑的是如何确保偌大的泥舱装舱效果及装载平衡，采用何种形式装舱，设置几个入舱口，每个入舱口的间隔距离是多少。这就引入了疏浚的土质对其的影响。对不同的土质有不同的沉降速度及对泥舱的搅动，在同样状态下的不同漂移距离，这对装舱的平衡都带来了不同的影响，出现不同的结果，直接影响装舱的效果。但是一条船的装舱管系不能同时以满足各种土质的沉淀速度和漂移的距离来考虑管系的入口数量、布置间隔，而通常是采用一种标准的土质——中性土作为设计的依据。例如沙质土的标准，d10取平均直径 0.36mm，d90取平均直径 0.16mm，d50取平均直径0.23～0.25mm，然后兼顾不同土质进行调节，提高装舱效果，达到装舱的平衡性。装舱管系的分流走向布置大致有如下2种方式。

图1 系统树

2.1 单主管分流

单主管分流为左右泥泵泵出的泥浆合流于主管输送，然后多支管分流装舱。这种布置方式，也有2种类型：一种为多支管分流，沿主管向两侧分流，每分支设闸阀调节，不设消能箱直接装舱，见图2；另一种为沿主管向支管分流，每分支设闸阀调节，由设置的消能箱装舱，见图3。

2.1.1 能量关系[1]

多支管分流的基本能量状态：由于不设消能箱支管直接朝下装舱，故流体将向下产生速度动能与重力势能，若对泥舱产生的总能量不考虑运动中的热能损耗则为：

图2 单管分流多支管

图3 单管分流消能箱

设置消能箱的能量状态：由于支管水流朝下，随即进入消能箱时具有的能量由消能箱吸收，然后减速，由消能箱排口水平排出抛远入舱。此时水平动能消耗于喷距，其实际水平动能使泥浆向后或向前推移，若向后再回流，延长了沉降时间，有利于后部泥舱的装载。而入舱为势能，因为消能箱处于液面下，Δh=0，故其影响势能为：

(1)、(2)式中：ρ——流体密度；

υn——流体具有的某种物理变化率，与通流面有关；

V——输送管中介质的流速；

g——重力加速度；

Δh——喷口与溢流面的高度差；

Eε——多支管总能量；

Ev——多支管总动能；

Eg——多支管总势能；

Eg′——设消能箱的总势能。

从而可知采用消能箱可以大大减少入舱泥浆对泥舱的搅动，提高沉淀及装舱效果。

2.1.2 两者优缺点

前者支管多，分流进舱有利于装舱平衡，施工简单，但对泥舱搅动大，影响沉淀效果，装舱效率较低。而设置消能箱，泥浆对泥舱搅动小，有利泥砂沉淀，提高装舱效果，同时减少管系及闸阀数量，控制也较简便。但装舱的平衡性调整相对较差。两者的初投入相差不多，而后者的效率更高，随着时间增量而效益更加可观，故后者优于前者。

2.2 双管合流[2]

双管合流为左、右泵泵出的泥浆分别为独立的管系，输送至消能箱前合流，通过闸阀进入消能箱，然后由消能箱扩散分流，见图 4。或者不设消能箱，而采用双管多支管分流通过闸阀入舱，见图 5。该形式是为了防止装载不平衡或单泵作业时作左右调整，即在两主流管之间加一根串联管用闸阀隔开。

这两种形式的能量关系，如同单管分流的能量状态，采用消能箱优于不设消能箱，而且不设消能箱还需增设串联管，用以调节左右舷平衡。该串联管不工作时间较多，需经常冲洗疏通，否则易造成堵塞。故宜采用消能箱在合流处设分隔坡道分流入舱，这样也不受双管装舱不平衡的影响，且在两管之间可不设串联管。

图4 双管合流设消能箱

图5 双管分流设多支管

2.3 单管分流与双管合分流

单管分流特点是双泵泵出的泥浆先合成主管，再由主管分流支管进入消能箱扩散入舱。而双管合流是双泵泵出的泥浆到消能箱才合流。其区别在于泥舱段的管系是单根还是双根，单根的直径较大，双根的直径较小，对大型耙吸挖泥船而言，按同样流量与流速进入消能箱后入舱的管系作等强度的比较，见表1。

表1 单管分流与双管分流等强度比较

以上仅是从量化方面比较，只要设了消能箱，两者的沉淀效果基本相同，若不设消能箱，宜采用单管分流，则对单耙作业时的装载平衡调整有利，且可不设串联管。

3 消能箱喷口朝向与布置

3.1 消能箱类型

大型耙吸挖泥船的消能箱通常有立式与卧式之分，立式消能箱一般为每个支管下接一个，消能箱的结构形式为侧面百叶片状，底部格栅状，可开启卸大石块。另有喇叭口导槽消能形式的消能箱，大都用在中小型耙吸挖泥船上。

卧式消能箱近期在大中型耙吸挖泥船普遍使用，效果较好，该形式结构为管状或矩形截面，中间上部设进口，一侧或两侧分中间、左右开孔。开孔部位的前方与下方均采用格栅，两侧为封板，有利导流装舱扩散，上侧敞开便于提取石块，疏通道口。该消能箱两端横向安装于内舱壁，中间吊装于横梁上，中间集流处设分流耐磨坡道，既可有效分流又能均衡装舱，是一种理想的消能方式。

现就大型耙吸挖泥船普遍采用的卧式消能箱进行分析。

3.2 消能箱喷口、管流同向与溢流筒背向

消能箱的安装位置与单管分流、双管集流无关，而与其流向和消能箱的喷口方向、溢流筒或溢流门的位置有关。

按图6的布置，则舱面管系的泥浆对消能箱喷口a产生的流量近似为泵流量的2/3，而消能箱喷口c近似为泵流的1/3。因为舱面管的流体运动为直流，阻力系数为0.1，而途中的支管斜流分流处的阻力系数约为0.5，流速减缓，故按相差约1/3的量计算分析。如果舱面管流向相反，则喷口a的流量为泵流的1/3，而喷口c的流量为泵流的2/3。因为装舱时大部分时间的溢流面与喷口流的高度差Δh为负值，故只作水平方向流动分析。

图6 消能箱喷口、管流同向与溢流筒背向

式中：q——单位时间泵流入舱流量；

可以看出，若流向相反，则大流量入舱的消能箱距溢流筒近，其有效沉降时间较短，造成溢流损失较同向布置大。这充分说明随流向不同，两个消能箱入舱的流速也不同，泥浆沉降时间也不同，甚至溢流口沉降深度也不同。除此之外还需根据装载泥沙的堆角来综合考虑最后一个消能箱的安装位置，然后可取2～2.3∶1的参数比值再确定第一个或其余消能箱的位置。

3.3 消能箱喷口、管流与溢流筒同向

按照图7消能箱喷口与管流、溢流筒同向，同理则喷口d产生的流量为泵流的2/3，喷口b则为泵流的1/3。

图7 消能箱喷口、管流与溢流筒同向

若管流向相反，如同3.2节的反证方式论证，此时会比3.3节同向的论证好，仅次于3.2节的最佳布置形式。由此可见，消能箱喷口、管流同向与溢流筒背向的形式大大优于消能箱喷口、管流与溢流筒同向的布置形式。

3.4 消能箱喷口双向开口

该布置状态如图8所示，此时消能箱a、b口的总流量为泵流的近似2/3，而c、d口的总流量为泵流的近似1/3。由于双向开口，则假设喷口面积为单侧开口的1.5倍，那么流速按平均计算：

泥流入舱距溢流筒分别为：

a、b口距溢流筒平均距离为：

c、d口距溢流筒平均距离为：

从而可以看出以上3种布置状态，对泥沙在过流面的沉降时间是显然不同的

从上式可以看出消能箱双向开口比背向单向开口差，优于消能箱喷口、管流方向与溢流筒同向的布置方式（如图7），即喷口b、d装舱效果最差。

图8 消能箱喷口双向开口

3.5 不同土质过流面流速与沉降关系[3,4]

以图6的布置按平均流速作图，泥沙通过消能箱后进入泥舱形成不同程度的搅动，使泥砂悬浮在溢流高度的过流面上运行，其运行速度与每处入舱量及会流量和泥舱宽度、溢流堰高度有关。而泥沙的沉降速度则与土质的类别有关，所以在过流面段内的两者关系曲线如图9所示。而低于过流面的泥沙，随沉降深度的加深逐渐趋向垂直下降，而不受过流速度的影响，所以大部分的泥沙还是会在消能箱附近沉降，因此第一个消能箱可以考虑距溢流筒稍远些。由于堆积高度的原因，底部逐渐向周围扩张，以实现有效的装载效果，因此，其堆角底部直径应按设计土质计算，进而根据泥舱大小来确定各消能箱位置。

图9 不同土壤过流面流速与沉降近似关系

4 溢流装置与消能箱关系

溢流装置有可调式溢流筒、舷侧溢流门和环保型溢流筒等，这些溢流装置可根据需要及船东的要求进行选择、设计。可调式溢流筒的特点是泥浆水由船底排出船外，泥浆下沉向后漂移，对水面的污染不明显，对螺旋桨的影响也少。目前大中型耙吸挖泥船都普遍采用该型溢流筒。舷侧溢流门其特点是溢流的泥浆水通过边舱排出舷外，泥浆水向舷外朝后漂移，对螺旋桨不产生影响，泥浆扩散沉淀，但对水面的污染较明显，对疏浚区积泥影响较小。环保型溢流筒其特点是溢流泥浆通过过滤沉淀回舱，过滤水通过管道，水槽与高压冲水泵吸口连通，供耙头冲水。从而减少溢流水直接排出舷外污染海域、河道，起到环保的作用。溢流装置的布置应远离消能箱，消能箱尽量靠近泥舱壁布置，使泥浆水有足够的沉降距离和时间，溢流筒的最后溢流面应接近泥舱的装载线。

综上可知泥沙在泥舱内流动距溢流筒越长，沉降的深度越深，溢流出的水越清，泥沙的溢流损失越小。这与不同的布置方式，喷口的朝向及开口数量都有极大的关系，所以溢流装置的位置与消能箱的布置是密切相关的。因此，可以得出如下基本结论：

1)舱面管的流向应与消能箱的喷口同向，且与溢流筒背向较理想；

2)消能箱的喷口应背着溢流筒方向布置；

3)消能箱的喷口双向开口会降低泥沙沉降时间，增加泥浆损失；

4)在保证最远装舱效果的前提下，两消能箱间距对溢流筒之距比取1∶（2～2.3）左右为宜；

5)消能箱喷口中心应低于溢流面1m以上。避免搅动及流动；

6)最后的消能箱位置除考虑喷距及惯性流外，还应考虑泥沙的堆角形成的底部扩散面，对其应进行选取确定；

7)消能箱的数量应考虑疏浚土质的专用性或多样性及泥舱大小；

8)装舱的不均匀性，依靠控制闸阀调节。

5 装舱系统设计

1)管系布置应综合考虑全船布置的空间要求。

2)管系走向应考虑装舱的均匀性和单耙作业工况；

3)闸阀安装位置应尽量靠近分流管，并注意高度影响；

4)综合考虑舱内泵与水下泵吸排管结合点的流道及闸阀设置，防止产生水击现象；

5)控制溢流速度及流堰高度，溢流筒盆口流速建议取近似泥舱过流速度的平均值；

6)消能箱的布置注意喷口流对泥门杆的冲刷影响。

6 结 语

本文是作者从事大型耙吸挖泥船设计的部分体会，在目前尚无试验条件的前提下，从布置的角度，对泥浆沉淀影响提出粗浅看法，并通过综合的宏观定性分析、推导，结合有关参考资料来论证设计装舱系统及其布置的优化依据，供同行设计装舱系统时探讨参考。

[1]孔 珑. 工程流体力学[M]. 中国电力出版社，1979.

[2]上海航道局. 新海豹译文[Z].

[3]毛志铨. 泥船内泥砂沉降研究[Z].

[4]中国疏浚协会. 国内外疏浚设备技术性能手册—水利疏浚及施工设备分册[M]. 吉林科学技术出版社，2007.