耙吸挖泥船艏吹生产效率计算方法与分析

江帅，王费新，韩政

（中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 201208）

1 概述

受限于泥泵性能配备及其作业模式，尤其是舱容量不大的中小型耙吸挖泥船，带艏吹装置的耙吸挖泥船[1]进行单独的吹填施工，虽然经济性不如绞吸挖泥船，但在采砂区较远、难以采用绞吸挖泥船作业的疏浚吹填结合的工程，或施工区域海况不适合其他类型挖泥船作业的工程，均可考虑采用带艏吹装置的耙吸挖泥船施工[2]。随着环保意识的增强和特定工程的要求，对耙吸挖泥船到离岸深海区取砂、运输到近岸区艏吹造陆的需求日益增长[3]，耙吸挖泥船艏吹作业方式得到了广泛的应用。

疏浚船舶机具设备的性能特性，是疏浚设备选择的基础条件。就耙吸挖泥船而言，其艏吹作业的生产效率，是决定是否采用挖运吹施工方式的重要考量参数，同时，也是影响耙吸挖泥船综合生产效率的重要指标。然而，受限于泥泵管道输送系统的复杂性，目前还没有商业化的计算软件或公开发表的成熟计算模型[4]。李铭志等[4]开发了基础数据库、以工程为主导、集成多种常用计算方法的耙吸挖泥船艏吹计算分析软件，并应用大量工程进行验证。但针对特定工程土质及其他工程条件，各种分析计算方法的适用性及其计算精度，还有待于进一步的研究和探讨。因此，运用现场实测数据资料，结合泥泵性能特性以及管道两相流输送相关理论和经验，对现有研究成果及工程经验进行验证和分析，论证其计算精度及可靠性，为耙吸挖泥船艏吹作业生产效率的分析计算及优化改进提供技术支撑。

2 艏吹作业主要参数及其分析计算方法

耙吸挖泥船艏吹作业效率主要取决于船舶设备功能性能配备、工程地质及自然环境、以及施工作业参数的选择及控制优化。其中，机船设备主要为泥泵及管道布置；工程土质条件是决定和影响泥泵性能特性以及管道两相流输送特性的重要因子，施工区域地形地势条件会影响吹填管线的走向和布置。在指定工程以及施工船舶机具设备情况下，通过调节泥门、泥泵转速等参数，可在一定程度上改变输送流量、浓度等施工作业参数，进而影响产量及生产效率。

2.1 泥泵性能特性

泥泵清水性能特性，包括流量-扬程、功率、效率关系，是泥泵固有特性参数。泥泵输送泥浆时的特性，较清水特性更为复杂。其中，泥泵输送泥浆扬程-流量特性是挖泥船产量计算的基础工作之一。根据现有的工程经验来看，国内大型耙吸挖泥船采用Stepanoff经验公式[7]计算结果与实测值符合较好。

式中：HR为压头下降比；Hf、Hm分别为泥泵清水扬程及输送泥浆扬程，mH2O；ρf、ρm分别为清水密度及输送泥浆密度，kg/m3；dm为颗粒平均粒径；Cvd为土颗粒体积密度。

2.2 管道阻力损失

耙吸船艏吹作业过程中管道阻力损失hm主要由沿程阻力损失、局部阻力损失（进口、出口等）、爬高损失几部分组成，即有：

式中：hm为管道阻力损失，mH2O；k为艏吹管道中按管径划分的管道的总组数；Imi为第i组管道输送泥浆的单位长度摩阻损失，mH2O/m；li、lei分别为第i组管道的长度及其局部阻力的折算长度，m；ξ0为管道进口损失系数，通常取值为0.5；vin、vout分别为管道进口、出口的断面平均流速；g为重力加速度，m/s2；Y、Z分别为舱内水面至管道进口的高度以及水面至出口中心的高度，m。

目前常用与输送泥浆单位长度摩阻损失Im计算的经验公式主要有Durand公式、Führböter公式、Jufin&Lopatin公式、Wilson&GIW公式等[5-6]，由于两相流问题的复杂性，还未形成一致公认的计算公式或方法。其中Durand公式如下：

式中：If为输送清水的单位长度摩阻损失，mH2O/m；D为管道内径，m；Ss为土颗粒比重；νt为颗粒净水沉速，m/s；KD为试验系数，规范[7]推荐取值为121，根据工程实测经验，大管道高浓度工况下应进行修正，修正公式如下：

2.3 临界流速

为防止堵管，管道内泥浆流速需高于某一极限值。疏浚工程中一般取为特定条件下管道中泥沙颗粒从保持悬浮状态到开始出现沉淀的流速，即临界流速。对于砂性土，规范[7]推荐采用以下公式计算临界流速vc，m/s：

2.4 产量

在设定泥泵转速及泥浆密度条件下，由式（1）、式（2）可分别计算得到泥泵流量-扬程曲线、以及流量-管道阻力损失曲线，两者交点即为泥泵-管道输送系统工作点，对应流量为泥浆输送体积流量Qm，m3/s。为防止堵管，要求管道内泥浆流速大于临界流速，并富余一定的安全余量。挖泥船产量Qs，m3/h，即为泥浆体积流量与固体输送体积浓度的乘积：

工程上也常采用体积流量与原状土体积浓度Cv0的乘积来表示挖泥船产量Qs0。

2.5 能耗

Matousek（2002）采用单位能耗（SEC），即每米管段的能耗与管道固体输送产量之比，来评估泥浆管道输送的能耗。该参数用于长距离管道输送（管道阻力损失中沿程阻力损失占主导）情况下能耗分析是适宜的，但对于耙吸挖泥船艏吹，尤其是输送距离较短、局部损失和爬高损失占据相当比例的工况下，更宜采用单方能耗（VEC）。如选用泥泵轴功率Nm，kW，作为能耗指标，则单方能耗（VEC，kJ/m3）可定义为泥泵轴功率与管道固体输送产量之比，即：

3 计算结果及验证

选取国内外若干典型土质吹填工程，收集艏吹作业船舶泥泵性能、管线布置数据，测算艏吹作业生产效率，并收集实测数据对计算结果进行验证和对比分析，验证和分析以上分析计算方法的精确性及可行性。

3.1 案例一（粗砂）

该工程土质为粗砂，中值粒径d50=0.76 mm，粒径组成较为单一，80%以上颗粒粒径在0.25～2.0 mm之间；施工船舶为“新海凤”轮；吹填管线总长（吹距）1 500～4 000 m，其中水域管线长度1 350 m，为水下沉管和橡胶自浮管构成，岸管长度根据吹填区的分布及进度要求而变化；所有艏吹管线直径为1 000 mm。

首先采用式（5）计算不同体积浓度下临界流速值，然后设定若干吹距，针对每一吹距计算不同浓度下泥泵-管线系统流量，并选取流速值高于临界流速并富余一定余量的组次，计算各组次产量，选取产量最高的一组作为该吹距艏吹效率。计算结果与实测数据对比结果见图1。

由图1，案例一粗砂土质工况下，“新海凤”轮测算艏吹效率与工程实测数据符合性较好，其中吹距大于3 000 m情况下，两者基本一致；当吹距低于3 000 m时，测算产量高于实测数据，主要原因在于吹距较短时，泥泵高高模式可能导致流量过大，泥泵偏离最佳工作点，实际工程操作中会采取措施，如出口加接束口、降低泥泵转速等方式，以降低流量和能耗。

图1 艏吹效率测算结果及与实测数据的对比（粗砂，“新海凤”轮）Fig.1 Calculating results of bow-blowing production and comparison with measured data(coarse sand,"Xinhaifeng"Dredger)

此外，根据以上分析计算结果，该种粗砂土质工况下，“新海凤”轮艏吹施工适宜吹距最大在3.3 km左右，不超过该吹距时生产效率较高；吹距超过3.5 km以后，艏吹产量在3 000 m3/h以下，施工效率较低，宜考虑采用其他施工船舶机具及作业模式。

3.2 案例二（中砂）

该工程土质为中砂，中值粒径d50=0.32 mm；施工船舶也为“新海凤”轮；艏吹管线总长2 300～4 000 m，其中浮管400 m，沉管380 m，管线直径为1 000 mm。

同样，分析计算了不同吹距情况下艏吹效率，并与实测数据进行了对比，结果见图2。

图2 艏吹效率测算结果及与实测数据的对比（中砂，“新海凤”轮）Fig.2 Calculating results of bow-blowing production and comparison with measured data(medium sand,"Xinhaifeng"Dredger)

由图2，案例二中砂土质工况下，“新海凤”轮低高、高高运行模式下，测算艏吹生产效率也均与实测数据符合较好。由于实际工程中吹填土质及其他参数的变化，可能导致部分测算数据与实测数据存在一定的偏差。

根据以上分析，该种土质采用“新海凤”艏吹作业方式是适宜的。其中，低高模式适宜吹距在3.2 km以下，吹距超过3.2 km后艏吹产量在3 000 m3/h以下，宜采用高高模式；高高模式适宜吹距2.5～5.0 km左右，吹距超过5.0 km以后，艏吹效率较低，宜改用其他船舶及作业模式。

3.3 案例三（细砂）

该工程土质为细砂，中值粒径d50=0.14 mm，粒径在0.10～0.25 mm之间颗粒约占80%，较为均一；施工船舶为“新海马”轮；艏吹管线总长1 000～1 500 m，其中沉管600 m，管径900 mm。

同样，分析计算了不同吹距情况下艏吹效率，并与实测数据进行了对比，结果见图3。

图3 艏吹效率测算结果及与实测数据的对比（细砂，“新海马”轮）Fig.3 Calculating results of bow-blowing production and comparison with measured data(fine sand,"Xinhaima"Dredger)

由图3，案例三细砂土质工况下，“新海马”轮低低模式下，测算艏吹生产效率与实测数据符合较好。由于实测数据较少，缺少更长吹距以及高高模式下计算结果的验证与对比数据。此外，该种土质选用“新海马”轮是适合的，可根据吹距的不同，合理选用低低、低高或高高施工模式，以实现高效节能施工目的。

4 结语

1）艏吹是耙吸挖泥船在疏浚及吹填工程中可供选用的一种作业模式，具有特定的使用场景及一定的适用范围。精确地测算和分析耙吸挖泥船艏吹作业效率，是其工程适应性及其施工方式选择的基础。

2）本文阐述了耙吸挖泥船艏吹作业主要参数及其分析计算方法，并结合工程经验及研究分析推荐了适合耙吸挖泥船泥泵输送泥浆扬程-流量特性以及管道水力输送摩阻损失计算的经验公式，选取粗砂、中砂、细砂三种典型土质工程案例，测算了两种施工船舶（“新海凤”轮、“新海马”轮）艏吹作业效率，并与实测数据进行了对比，测算结果与实测数据整体符合较好，验证了计算方法及推荐公式的计算精度及适用性。

3）计算得到的三种土质、两类耙吸挖泥船艏吹作业产量曲线，可用于指导相似土质、相同配置耙吸挖泥船作业方式选择；以上分析计算方法可用作耙吸挖泥船艏吹作业效率分析理论基础及分析工具；对其他类型土质，还有待于后续研究。