时培强,曾凡虎,张思蜜
(山东水利建设集团有限公司,山东 济宁 272400)
小容量排泥场对挖泥船的施工影响
时培强,曾凡虎,张思蜜
(山东水利建设集团有限公司,山东 济宁 272400)
本文介绍了挖泥船的有效运转工况,分析了排泥场容积对挖泥船作业的影响,提出了围堰排空延长连续工作时间的具体措施。
绞吸式挖泥船作业开挖平整,效率高,成本低,易管理。缺点是必须配备合适的排泥场,排泥场容积不足将极大影响挖泥船作业,致使施工中断,泥浆流失,污染和淤塞周边排水通道等问题。因此,制定施工方案时,必须综合考虑挖泥船、围堰等工况。
挖泥船排泥是借助高压高速水流的携带能力来实现的,而这种能力与流速和压力密切相关。一般来讲流速越快压力越高排泥越顺畅;同时消耗能量也多,经济性变差。挖泥船正常运行时压力和流速是相对稳定的,影响工作效率的主要在含泥量,含泥量变化范围较大,传统绞吸式挖泥船运行时含泥量约在8%至12%,显然后者是前者的1.5倍工效,此时油耗等指标是没有太大差别的。
在设备工况相似的前提下,许多因素会影响到泥浆浓度。如管线长度,扬程损失,操作人员技能等,会影响泥浆浓度;绞刀开挖采掘能力也会直接影响泥浆浓度,这些因素施工方可以通过管理和技术手段进行控制。而有些条件是施工方难以克服的,比如排泥场大小。如果容积太小,数小时内围堰充满,排水口不能及时腾出足够容积,施工将无法维持,挖泥船将不得不暂停施工。挖泥船开机需准备时间:预热设备,排空空气,绞刀下放;挖泥船停车时需要整理时间:绞刀抬起,泥浆排空,定位桩调整。这些过程中挖泥船是不能进行开挖作业的,是必要的无效时间。
以200 m3/h绞吸式挖泥船为例,泥浆浓度10%,泥泵流量2 000 m3/h,10 h排出2万m3泥浆。假如排泥场容量为4万m3,则20 h充满,理想状态下200 h工作完成。若设备最大含泥量12%,由于设备不可能连续作业,就会产生无效作业时间,假设无效时间为10%,则实际用时时间185 h,含泥量为10.8%;若无效时间为20%,则实际用时为208 h,实际含泥量为9.6%;若无效时间为30%,则实际用时为238 h,实际含泥量为8.4%;若无效时间为40%,则实际用时为278 h,实际含泥量为7.2%。无效运转时间并非完全无效,通常是准备时间,冲水时间,换桩时间等。一般情况下,运行中断时间越频繁,需要的辅助时间越多,油耗大,含泥量低,越不经济。
4万m3排泥场,20 h后充满后,退水流量迅速增加,假定2 h进水与出水平衡。出水量峰值达到2 000 m3,此时泥浆以最短路径排出,流速极快,几分钟就能通过围堰排出。流速快,除粗颗粒外,泥浆不会沉淀,时间短,也没有沉淀时间,泥浆几乎全部流失,这对于疏浚或吹填施工,是不允许的。因此,退水流量必须小于2 000 m3,施工中,出水流量会远低于进水流量,到达临界(出浑水)流量时必须停车。
把临界流量时水位与退水口高程差设为“壅高“,产生“壅高”的水体容积为临界库容,就能计算出此时的堰内水面面积。如临界库容3 000 m3,则0.3 m雍高水面积为3 000/0.3=10 000 m2;若壅高为0.3 m,实际围堰水面积6 000 m2,则实际临时库容只有1 800 m3。由于排水流量是以倒抛物线形式增长,则到达峰值流量前,退水量要小于进水量的一半。所以,到达峰值流量时间(少于)为:1 800/2 000*1.5=1.35 h;1.35 h入库水体积大于2 000*1.35=2 700 m3;1.35 h前,必须停车。
当水面积缩小3 000 m2时,同样雍高0.3 m则临时库容为900 m3。到达峰值流量时间(少于)为:900/2 000*1.5=0.675 h,即40.5 min,入库泥浆体积为2 000*0.675=1 350 m3。扣除开车前准备10 min及停车前整理10 min,有效运转时长只有20 min,无效时间占50%,基本上不能施工。若要施工,则必须先腾库容然后施工,水满即停,否则就有溃堰危险。
水满即停的施工模式按照0.3的“壅高”来计算,临界运行时长设为40 min,则最小水面积为:2 000*2/3/0.3=4 444 m2(按照0.2 m“壅高”计算则需面积为6 667 m2,即大约80 m*80 m)。退水口设计成可调型式。水流增大(出浑水)则加0.2 m高,持续增高1 m,堰容则增加4 444 m3可调堰容,这就能保障挖泥船3个小时的正常施工。
常规围堰堰高一般不超过3 m,排泥场面积20 000 m2时,最大堰容6万m3。保留1 m高程作为可调范围。可调库容能维持30 000 m3进水连续作业,约20 000 m3留在堰内,不到10 000 m3从退水口流出,能维持作业15 h。实际施工时,不会让退水流量到达极限流量,这样会造成较多土方流失,出口截面确定后,退水流量基本为恒定值,到达此流量应立即加高围堰出口降低流量,因此退水水量在施工中可增加的库容相对较小,平均流量要小于极限流量的1/2。假如可控流量为800 m3/h,则留库净流量为1 200 m3/h,20 000/1 200=16.7 h,可控流量16.7 h达到峰值。腾空库容操作水位1 m,20 000 m2水面可满足16.7 h连续作业。
排泥场面积10000m2以下,调控堰容1万m3,10 000/1 200=8.3 h,可控流量8.3 h达到峰值。腾空库容操作水位1 m,10 000 m2水面可满足挖泥船8.3 h连续作业。
排泥场面积5 000 m2以下,堰容5 000 m3,5 000/1 200=4.2 h,可控流量4.2 h达到峰值。腾空库容操作水位1 m,5 000 m2水面可满足4.2 h连续作业。按壅高0.2 m计算5 000*0.2/1200=0.83 h,此时临界出水为50 min,停车重启时长约20分,时间利用率为(50-20)/50=60%,泥浆流失严重,平均含泥量难以超过7%,极为不经济。
若要减少土方流失,退水口流量则要进一步减小,减低流速来减少退水携沙量。比如流量减少到400 m3/h,水面壅高0.1 m(退水量不足,泥浆沉淀后可加宽溢流面或增加退水口),那么围堰过流条件将改变:
排泥场面积20 000 m2,退水流量为400 m3/h,则留库流量为1 600 m3,20 000/1 600=12.5 h,腾空库容操作水位1 m,20 000 m2水面可满足12.5 h连续作业。
排泥场水面积10 000 m2,堰容1万m3,10 000/1 600=6.25 h,10000*0..1/1 600=0.625 h,满库后流量0.625 h(37.5 min)达到峰值(经济峰值)。腾空库容操作水位1 m,10 000 m2水面可满足6.25 h连续作业。
排泥场面积5 000 m2以下,堰容5 000 m3,溢流堰加高到顶点时,充满水后可调库容约2.5 h出水,保留退水,连续作业时长5 000/1 600=3.125 h,5 000*0.1/1 600=0.31 h,此时临界出水为18 min,停车重启时长约20 min,来不及挖土作业,围堰就饱和,开车就会流失土方,必须再次腾空库容。
当围堰容积小,制约连续施工时,不要勉强施工,应设法排空围堰,最好采用可调堰顶控制围堰排空。同时可采取如下措施,延长作业时间,提高挖泥船工作效率:1)改善绞刀采掘工艺,提高泥浆浓度;2)及时排空围堰,降低吹填中心区域坡度,使泥浆均匀分布;3)增加排空次数,缩短泥浆脱水凝聚时间。
(责任编辑迟明春)
TV85
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1009-6159(2016)-05-0030-02
2015-08-14
时培强(1977—),男,工程师