海狸3800型绞吸式挖泥船开挖粘土与粉质粘土生产率探讨

□沈 丹(中国水电建设集团国际工程有限公司)

□周 林(中国水电建设集团港航建设有限公司)

我国南方地区水系比较发达，疏浚与吹填工程多以在内河、湖区施工为主。在湖区的上层土质多以粘土与粉质粘土为主。绞吸式挖泥船在对粘土与粉质粘土施工时，生产率与预算定额的生产率相差很大。结合吴江汾湖开发区堆土工程，探讨海狸3800型（J03）绞吸式挖泥船在湖区开挖粘土与粉质粘土时的生产率。

海狸3800型挖泥船的主要性能参数如表1。

表1 荷兰IHC海狸3800绞吸式挖泥船主要参数表

吴江汾湖开发区堆土工程取土区为元白荡，淤泥层很薄，而粉土层又集中在-6m以下（设计挖深-8m），本工程取土主要是开挖粘土与粉质粘土，土质参数为：含水率w%=27%，比重Gs=2.74，重度 =19.5kN/m3，空隙比 e0=0.8，饱和度 Sr=95%，液限WL=38.2%，塑限Wf=20.5，塑性指数Ip=17.7，液性指数IL=0.56，标贯N=10。

对于粘土与粉质粘土，影响挖泥船生产率主要因素有绞刀挖泥量与泥泵输泥量，二者的低者决定着挖泥船的生产率。

1.影响效率的参数

绞吸式挖泥船在挖泥过程中，为了达到最佳生产率，应根据土质、泥层厚度和挖深，掌握好绞刀前移距、切土厚度、横移速度和绞刀转速等。挖泥量Q=f（H,L,V）。下面分别探讨各因素对挖泥量的影响。

1.1 切土厚度(h)

J03配备的绞刀为闭合球状绞刀，适合挖粘性土、砂土、碎石。绞刀参数：功率 552kW，Dmax=2.9m，Dave=2.15，铰刀长 =1.9m，刀臂数=6，刀片数=6×8。

绞刀切土厚度主要由绞刀尺度和土质情况而定，一般不大于一个绞刀平均直径，粘土与粉质粘土土质较硬，切土困难，在施工时偶尔还会出现跑刀现象，所以h=(0.5～1.0)绞刀直径，甚至更小，施工时切土厚度在0.65m左右。

1.2 前移距离（L）

前移距离是保证泥泵输送泥浆浓度，提高生产率的重要因素。前移距主要由土质、泥层厚度和绞刀长度决定。前移距一般选取绞刀长度的0.5～1.0倍，以不出现遗漏泥土为原则，施工时每次前移距离约为1.5m左右。

1.3 横移速度（v）

横移的目的是为了泥泵能够得到合适的泥浆浓度，即绞刀切削下的泥土能够完全予以水力转移。如果横移速度过高，绞刀单位时间切削土量大于泥泵输送能力，会造成土方遗留水底，还能使绞刀原动机负荷增大；反之横移速度过低，泥泵的输送能力不能充分发挥而使生产能力下降。J03横移速度控制在6m/min左右。

1.4 绞刀转速

绞刀转速主要由土质、横移速度、绞刀驱动装置的特性决定。绞刀转速可按下式计算得出：

需要的绞刀转速=横移速度/（需要的切土厚度×刀片数）；实际生产中在开挖粘土与粉质粘土时绞刀转速为31r/min。

切土厚度、前移距离、横移速度和绞刀转速4个参数主要靠经验确定。对影响挖泥量各因素分析，可用下面公式计算出绞刀的生产率：

W=60VL(h-△h/2)

式中：W—绞刀挖掘生产率（m3/h）；V—横移速度(m)；L—前移距离(m)；h—绞刀入土深度(m)；△h—超深(m)。

W=60VL(h-△h/2)=60×6×1.5×(0.65-0.1/2)=324m3/h

对于粘土与粉质粘土由于切下来显块状，且绞刀下水流不畅，泥土更难吸入，凭经验考虑其吸入一般在80%左右。

W吸=324×80%=260m3/h

综合以上因素,J03在粘土与粉质粘土施工时生产率在260m3/h左右。

2.泥泵与生产效率关系

泥泵是绞吸式挖泥船水力输送泥浆的关键设备，泥浆运行的好坏直接影响到生产率。泥泵的性能参数有：扬程、流量、功率、效率、泥浆浓度与泥浆比重等，它们之间存在相互影响、相互制约的关系。分析泥泵生产率计算式M=QP可知，流量与泥浆浓度是衡量绞吸式挖泥船施工效率的两个重要参数，可以从提高两个参数入手来提高生产率。

2.1 泥浆浓度恒定的情况

施工中假设泥浆浓度恒定，则小时生产率M与泥浆流量成正比，在单位时间内流量增加即土方排出量也随之增加，从而提高生产率。泥泵在某一工况下输出流量额定，欲使流量增加，由泥泵特性曲线可知，流量与扬程、功率之间密切相关。流量增加相应的泥泵输出扬程下降而输出功率增加，但还要考虑工作点移动时工作参数也随之变换，变换后参数能否变化满足工况需求和泥泵工作负荷，故流量受输泥特性限定，一般泥泵排泥流量达到一个定值后便不再提高。我们采用染色法测量平均流速，排泥管直径为700mm，排距为1950m，根据下列公式计算流量：

Q=A·V

式中：Q—流量（m3/s）；V—流速（m/s）；A—排泥管的横断面面积（m2）。

V=L/(t1-t2)

V=L/(t1-t2)=1950/755=2.6m/s

Q=A·V=3600×3.14×0.352×2.6=3600m3/h

J03在粘土与粉质粘土施工时流量为3600m3/h。

2.2 流量恒定的情况

施工中假设排泥流量恒定，则小时生产率M与泥浆浓度成正比，提高泥浆浓度可使泥泵生产率提高。一般情况泥浆可输送浓度在0%～30%之间，我国一般取10%，但泥浆浓度也不能提太高，如果超高吸排部分扬程损失增高，泥泵排出压力也必须增加。如果超过泥泵负载能力则可造成泥泵排出下降，会造成排泥管内积存泥浆甚至出现堵管。同时真空度增高至允许吸入上线时，泥泵发生汽蚀现象使得运行状态失常。施工时一般真空度维持在0.4～0.5bar之间，超过0.5bar管口就会出现泥条甚至出现堵管。通过试验测得泥浆密度γm为1.09t/m3。泥浆浓度可按下列公式计算：

式中：γm—泥浆的密度（t/m3）；γw—水的密度（t/m3）；γ0—密实土的密度（t/m3）。

J03在粘土与粉质粘土施工时泥浆浓度为9%。

2.3 其他影响因素

此外土质的输送性与排距对泥泵的生产率也有影响。粘土具有粘结力强的特性，块体越大其输送效率越低。长排距施工出现的主要问题是由于泥泵输送阻力增加而使泥泵排出压力加大，为了防止排泥管内流速下降出现堵管现象，又要求泥泵有一定的排出流量，从扬程曲线可知，两项要求是矛盾的。

对影响泥泵生产率的各因素分析，由泥泵生产率计算式M=QP可以计算出在粘土与粉质粘土施工时泥泵的生产率，由于流速与泥浆浓度是在两个任意时间试验得到的，所以求得的数值也是偶然值：

M=QP=3600m3/h×9%=324m3/h

而J03在额定满负荷工作时流量为7250m3/h，我国的泥浆浓度取10%，所以J03泥泵满负荷产量为M=QP=7250m3/h×10%=725m3/h，由此可见，施工时泥泵不能有效发挥其功率。

3.结论

通过对影响挖泥船生产率的各个因素分析，海狸3800型（J03）在湖区开挖粘土与粉质粘土时的生产率主要受绞刀挖泥量制约。J03在粘土与粉质粘土施工时生产率在260～320m3/h，但随着外界因素的改变其生产率还是会改变的。通过真实工程经验，可进行挖泥船技术改进，将原有球状绞刀头改为锥式、直径也可从2.9m减小到2m、刀臂改为4刀臂，从而提高生产效率,降低每立方米油耗,带来可观利润。