耙吸船疏挖多石底质施工技术与应用

高伟，李金峰，吴永彬

（中交天津航道局有限公司，天津 300461）

耙吸船疏挖多石底质施工技术与应用

高伟，李金峰，吴永彬

（中交天津航道局有限公司，天津 300461）

随着经济贸易往来和旅游业的发展，深水大港、离岸人工岛的建设愈发重要，在疏浚施工中施工多石底质的工程日趋增多，到目前为止耙吸船疏挖该土质是国际疏浚难题。分析了耙吸船疏挖多石底质的难点、采取的解决措施及应用效果，为今后类似工程项目的顺利实施提供借鉴。

疏浚工程；耙吸挖泥船；多石底质；施工技术

0 引言

某工程施工底质为珊瑚礁盘中的砂源带，砂源中夹杂大量珊瑚礁石，粒径多在20～40 cm，工程投入多条万m3耙吸船施工，频繁的堵耙、堵泵造成耙吸船产能无法有效发挥，面对严格的工期要求，如何提高耙吸船生产效率是摆在生产技术人员面前的重要课题。与此类似，俄罗斯布朗克疏浚工程施工区内存在大量由历年冰川携带沉积而成的直径不一的块石，大部分直径在30～40 cm，为耙吸船施工带来极大困难。本文将以上述工程为背景，结合其他类似工程，讨论此类难题的解决方法，总结类似工程的施工经验。

1 工程难点

1.1 堵泵

耙吸船施工时，大石块等杂物无法通过泥泵流道，会卡在泥泵相邻叶片之间无法排出，同时伴随着泥泵流量、功率的下降，甚至是泥泵强烈的震动，影响船舶产量和输泥设备安全。

1.2 堵耙

为防止堵泵现象，往往根据泥泵叶轮球面通道直径安装略小尺寸的吸口格栅，限制可能引发堵泵的石块进入泥泵。但小尺寸格栅严格限制了可疏挖石头的尺寸，石块卡在格栅之间又导致严重的堵耙问题，阻碍疏浚物的吸入，造成泥泵真空度上升、流速下降，施工效率、有效挖泥时间大幅降低，生产效率受到影响，甚至会发生泥泵汽蚀现象[1]，损害输泥设备。

1.3 挖泥设备损坏

耙吸船拖带耙头一般以1～3 kn航速航行，埋在土体中的大石块对耙头，尤其是对耙齿形成强大冲击力，耙头断齿座、断齿、掉齿现象突出。

2 解决措施

2.1 格栅形式

耙吸船耙头格栅一般有钢板格栅、组合式格栅、链条格栅和钢丝绳格栅等形式，见图1。

图1 不同格栅形式Fig.1 Different grid forms

某工程施工过程中，根据以往施工资料，分析了几种不同类型格栅的适用性，并进行了现场试验。

1） 钢板格栅

钢板格栅采用钢板焊接而成，整体固定安装在耙头本体内。按照安装位置不同，分为钢板格栅内置和外置两种情况，其中内置格栅是将格栅上、下、左、右焊接在耙腔内完全固定，耙头在挖掘过程中，格栅与泥面趋于垂直或夹角较大，而外置格栅是将格栅下、左、右焊接在耙腔边缘，位置靠近耙腔出口，上部悬空，耙头在挖掘过程中，格栅与泥面夹角较小，易于石块在重力下脱落，清耙简单，且格栅面积更大。

2） 组合式格栅

格栅分为上下两部分，上部格栅角度与耙头水平夹角约40°，安装在耙头活动罩上，随着耙头活动罩的调节而活动。下部格栅安装在耙腔外端为固定格栅，上下两部分格栅之间留有空隙，在耙头活动罩调节过程中保持空隙不变。在施工时如果发现有堵耙的迹象，可提升耙头同时反复调节活动罩角度，部分石块在自身重力作用下将自由脱落。

3） 链条格栅

链条格栅由链条、卸扣和眼板组成，横向链条通过眼板安装在耙头两侧侧板上，横纵向的各链条采用网格式链接，交点用卸扣（或钢丝扣）连接。软格栅与硬质格栅相比，石块不易卡在格栅网格处，一旦耙头堵塞，由于链条格栅采用卸扣（或钢丝扣）连接，可直接拆除卸扣取下链条，使清石工作简单、省时。但由于链条存在一定伸缩性，为了防止大于泥泵流道的石块进入泥泵，需要编制的网格尺寸较硬格栅小，致使链条占吸口面积比例较大，整个格栅对耙头真空的损耗较大，吸入效果有一定降低。此类型格栅在多个挖掘硬黏土的工程中应用效果良好[2]。

4） 钢丝绳软格栅

由于链条格栅中链环的结构复杂，通过减小链径来改善链条格栅影响吸入效果的做法效果有限，考虑采用钢丝绳代替链条制作软格栅，同时有效发挥出软格栅柔性连接、对真空度影响小等特点。为此提出了使用钢丝绳代替链条制作软格栅的方案。相对链条格栅，钢丝绳格栅的结构更为简单，格栅占吸口面积比例更小，对耙头真空损耗也相应减小，降低了对施工的负面影响。

可水下自清理；连续施工时间增加；上架清理时间短；对真空影响小；更换方便。

结构强度较链条格栅差，需定期维修、更换。

综合试验结果见表1，钢丝绳软格栅显示出对多石底质更好的适应性，其优点一是格栅本身具备张力，结构简单，利于清耙时石块的脱落，二是更换方便，不会占用挖泥装舱时间，三是格栅占吸口面积的比例小，对泥泵吸入的影响小。

2.2 耙齿形式

适用于多石底质的耙齿一方面要求强度高，另一方面要求破土能力强。欧洲疏浚公司多用一种重型尖齿（图2），如JDN公司耙吸船安装一种挖掘珊瑚礁专用的重型尖齿，其齿座一般安装于耙吸船的耙头耐磨块上，尖齿使用齿销固定在齿座上，整体强度高，耙齿整体长度超过40 cm，其一方面提高破土能力，另一方面减少大石头对耙齿的损伤。由于所需的拖曳力较大，其一般应用于单耙耙吸船上，需要在耙头法兰、耙管受力部位进行结构加强，保证设备安全。

表1 某工程格栅试验结果统计Table 1 Test reaults statistics of the grid of a project

图2 重型尖齿Fig.2 Heavy teeth

国内耙吸船也常将耙齿焊接于耐磨块上，常见的类型为犁齿其作用主要是利用耙头重力实现耙齿入土，加强耙头破土，其常用于疏挖坚硬土质，但此类耙齿长度短基本无法实现防石的功能，若耙齿过长则强度无法保障。国内耙吸船常采用的设备中具有防石功能的是耙头立板，其安装于耙头本体下，高度一般达到20～40 cm，其功能除防石外还有防止耙头钻撇的功能，主要用于疏挖黏土、砂等底质，但其对耙头破土效果不佳。

某工程中，基于防石和破土两个方面的需要，在犁齿和立板基础上组合形成破土防石组合齿。即在原犁齿的前端加装长50 cm、厚3 cm、高40 cm的防石立板，利用该立板撞击、活络石头，减少对耙齿、齿床的破坏，利用立板后面的犁齿对底质进行疏松破土，防石破土组合齿整体焊接在耙头本体底部，二者的结合大大增加了整体结构强度。经实施，该齿能够有效防止石头撞击脱落，同时有效保护了齿床上的耙齿，耙头破土能力大大增加（图3）。

图3 防石破土组合齿Fig.3 Anti-stone&break ground tooth

2.3 叶轮内径调整

疏挖多石底质时，若大球面通道的泥泵叶轮备件不足，对于特定的耙吸船泥泵叶轮，当泥泵流道宽度成为限制耙吸船产量的关键因素时，可考虑切割泥泵叶轮叶片内径，通过改造扩大泥泵的流道宽度，同步增大耙头格栅，可有效提高生产效率。水力式挖泥船泥泵叶轮切割常见的形式为外径切割[3-4]，理论计算较为成熟，主要解决短距离吹填泥泵超负荷的问题，但叶轮内径切割在水力式挖泥船中少有发生，也没有成熟的理论计算方法。

泥泵叶轮内径切割后泥泵叶片长度减小，作用面积减小，入口角发生变化，会对泥泵的流量、扬程、必需气蚀余量[5]产生影响，为保证泥泵性能，在切割叶轮提高石块通过性的同时，需将叶轮切割对泥泵性能参数的影响控制在5%以内。通过泥泵特性的一般规律及数值模拟显示，当泥泵叶轮叶片内径少量切割时，泥泵流量的下降程度较扬程低，因此在计算切割长度时，仅考虑对泥泵扬程和必须汽蚀余量的影响。

公式（1）为泥泵理论扬程公式[6]，示意图如图4所示。

图4 泥泵理论扬程计算示意图Fig.4 Schematic diagram of theoretical head of deliveryon mud pump

经公式推导得叶片内径切割对泥泵扬程影响的计算公式：

式中：R为原叶轮直径；r0为叶片切割前叶轮中心距叶片根部距离；r1为叶片切割ΔL1后叶轮中心距叶片根部距离；H1为叶片切割ΔL1后泥泵扬程；H0为原泥泵扬程；β为叶轮叶片出口角角度。

以某工程中13 000 m3耙吸船为例，左、右泥泵流道宽度280 mm，限制了耙头格栅尺寸，在施工过程中频繁堵泵、堵耙，经研究决定对叶轮叶片内径实施切割。根据泥泵叶轮内径切割对泥泵扬程影响的计算公式，以叶轮切割对泥泵性能参数的影响控制在5%以内为原则，计算得到切割长度最大值为198 mm，以此建立数学模型，定义必需气蚀余量差值ΔH如式（3）、（4）、（5）所示。

设计流量16 000 m3/h、18 000 m3/h、20 000 m3/h、22 000 m3/h、24 000 m3/h、26 000 m3/h，验证必须汽蚀余量的变化值满足要求。

泥泵叶轮材料为高硬度耐磨性高铬铸铁，含有较多的碳、铬和硅元素，不能采用普通的方法气割，而须采用碳弧气刨的方法，利用碳棒与工件间经通电后产生电弧，使工件局部熔化，同时用压缩空气将熔化金属吹掉，避免采用气割时产生的不利影响。泥泵叶轮切割完成后，需要对耙头格栅、装舱口进行相应调整。13 000 m3耙吸船的叶轮切割后，泥泵流道宽度由280 mm增加到350 mm，数据显示泥泵流量、扬程下降5%之内，同期单船过泵量平均提高44%，装舱生产率平均提高17%。

2.4 堵耙解决方法

耙吸船在使用钢丝绳格栅时，当发生堵耙时首先采取提耙、改变活动罩角度的方式，使得堵塞的石块自行掉落，而石块在吸入水流的带动下无法脱落，可采用脱吸口、改变活动罩角度的手法，利用耙管内反冲的水流将石块冲落，但此方法长时间频繁使用会易引起如耙管吸口内衬板、半月板开裂脱落等问题，对耙中万向节损害严重。

而对于一拖二形式的耙吸船，泥泵转速可无级调速，对于此类耙吸船可改变单纯脱吸口、改变活动罩角度的手法，尝试提耙头、不脱吸口、降泵转、改变活动罩角度，如某工程中18 000 m3耙吸船通过试验确定清耙时泥泵转速由正常挖泥（180 r/min） 降低至70～100 r/min，此时流速由6 m/s下降至2～3 m/s，大大减小水流对耙头石块的携带力，据统计，脱吸口水流反冲方法每次清耙时间约5 min，提耙头、降泵转、升泵转的过程只需要约3 min，大大提高了堵耙清理的效率。

3 结语

对于耙吸船疏挖多石底质，应该从船舶选配、挖泥设备选择、施工工艺优化等方面入手，注意以下几点。

1）耙吸船优先选配流道宽度大的泥泵施工。耙吸船泥泵流道通道的大小由多方面因素决定，如泥泵入口端直径、叶片设计，最直接的影响来自叶片数量，耙吸船泥泵叶片数量一般在3～5个，叶片分割泥泵入口端的空间，较少的叶片数量将有利于泥泵球面通道的增大，因此优先使用叶片数量较少的叶轮。

2）耙吸船优先选择安装单排齿主动耙头。双排齿耙头在疏挖多石底质时易导致双排齿之间堵卡石块且不易清理，引起流道堵塞和耙齿入土困难，单排齿耙头更适应此类土质的挖掘。

3）优先选择一拖二形式的耙吸船并安装钢丝绳软格栅。安装钢丝绳软格栅配合泥泵降转速、调节耙头活动罩，易于耙头堵塞石块时的自清理，清耙效果好、效率高。

4）在耙头本体下加装防石破土组合齿等，可有效保护耙齿、齿床等挖泥设备，同时提高耙头破土能力。

5） 耙吸挖泥船吸、排泥管尽量使用耐磨材质。石块对耙吸船管线的磨损严重，耙吸船长时间施工时，需要注意管路的保护，尽量使用耐磨材质，对管系的易磨损部位加大测厚频次，尤其是弯管的冲击面，必要时可通过管线内部附衬板、焊接耐磨块等方法延长管线使用寿命。

[1] 天津航道局．疏浚技术[Z]．1997.CCCC Tianjin Dredging Co.,Ltd.Dredging technology[Z].1997.

[2] 吴永彬，李超超，刘益明，等.耙吸船犁齿软格栅挖掘硬黏土新工艺应用[J].水运工程，2014（7）：166-168.WU Yong-bin,LI Chao-chao,LIU Yi-ming,et al.New dredging technology for stiff clay by TSHD with plough teeth and soft grid[J].Port&Waterway Engineering,2014(7):166-168.

[3] 赵万勇，李传振，薛亚丽，等.叶轮切割方式对双吸离心泵性能的影响[J].兰州理工大学学报，2016（3）：57-61.ZHAO Wan-yong,LI Chuan-zhen,XUE Ya-li,et al.Effect of impeller cutting modes on performances of double-suction centrifugal pump[J].Journal of Lanzhou University of Technology,2016(3):57-61.

[4] 陆斌，孙铁，孟庆娟，等.离心泵叶轮切割计算软件的设计与应用[J].石油化工设备技术，2015（6）：16-18.LU Bin,SUN Tie,MENG Qing-juan,et al.Design and application of centrifugal pump impeller cutting calculation software[J].Petrochemical Equipment Technology,2015(6):16-18.

[5] 潘中永，倪永燕，汤跃，等.离心泵汽蚀余量计算与预测[J].农业机械学报，2008，39（12）：206-209.Pan Zhong-yong,NI Yong-yan,TANG Yue,et al.Calculation and prediction of centrifugal pump cavitation[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2008,39(12):206-209.

[6] 关醒凡.现代泵技术手册[M].北京：宇航出版社，1995.GUAN Xing-fan.Modern pump technical manual[M].Beijing:Journal of Astronautics,1995.

Construction technology and application on TSHD dredging stony soil

GAO Wei,LI Jin-feng,WU Yong-bin
（CCCC Tianjin Dredging Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China）

As development of economic trade and tourism,the construction of deep water port and offshore artificial island become more important.Projects in which dredgers excavate stony soil are increasing greatly,and TSHD dredging this kind of material is an international technical problem so far.We analyzed the difficulties,the adopted measures and the application effects of the TSHD dredging stony soil,which can provide references for the smooth implementation of similar projects in the future.

dredging project;TSHD;stony soil;construction technology

U655.32

B

2095-7874（2017）10-0060-05

10.7640/zggwjs201710013

2017-01-13

2017-04-05

国家科技支撑计划（2014BAB16B03）

高伟（1969— ），男，河北衡水人，硕士，高级工程师，总工艺师，从事疏浚技术领域研究管理工作。E-mail：tggaowei@126.com