灌河口吹填工程长排距管线水力特性分析

吕 澎，逯新星

(中交上海航道局有限公司，上海 200002)

管线线路规划布设是吹填工程中一项至关重要的工作，它对后续吹填施工效率具有重要影响。管线一般由钢质长管、短管、弯管、异径管和橡胶管组成，按敷设位置可分为浮管、沉管和岸管[1]。目前随着国内疏浚与吹填施工技术的发展，在施工工艺和吹填管线方面的研究也是琳琅满目，例如施工工艺方面的研究有“挖运抛+挖吹”和“耙吸装驳”工艺[2]、绞吸式挖泥船+接力泵船串联工艺[3]、耙吸船与电吹船组合工艺[4]等；管线水力特性的研究有长距离浆体管道输送中的沿程阻力研究[5]、泥沙管道输送试验系统的研制及分析[6]、有压输水管道水力特性研究[7-8]等。本文以灌河口5万t级航道整治工程(H2-H3先导工程)施工项目中管线线路的规划布设作为分析对象，介绍了该项目中管线规划的方式和特点；并主要以管线水力特性作为分析要点，计算了管路输送泥浆的实耗总水头；并与施工船舶新海豚轮泥泵泥浆扬程做比较，判断新海豚轮采用2泵施工或3泵施工的可行性；通过对管线的安装特点及水力特性分析来判断施工船舶的施工能力，为工程选用合适的设备提供参考方法。同时本文还比较了浮管、沉管和岸管单位长度阻力系数大小，为吹填工程管线规划提出了参考意见。

1 船上吸、排泥管线布置

灌河口5万t级航道整治工程(H2-H3先导工程)施工项目为灌河口出海航道整治工程的先导试验段。灌河口进港航道全长29.15 km，此次先导段工程长度约为1.44 km，位于新沂河汇入灌河河口处且位于灌河拐弯处，同时还受潮汐影响，泥沙运动情况复杂。根据疏浚区域自然条件、土质和船机的作业条件等情况，适合先导段工程项目的疏浚施工工艺为绞吸工艺，采用绞吸式挖泥船进行疏浚，由绞吸船将泥浆通过浮管+沉管+岸管输送至吹泥区。本工程浮管长度约0.6 km，沉管铺设长度约1.8 km，需穿越航道，水上协调工作较大；岸管从接岸点到吹填区需穿越4座桥梁、2条道路、1条河流，岸管全程约7.6 km，铺设耗费时间长，协调难度大。泥沙通过管道在长距离的输送过程中，受到的摩擦阻力大，动能损失高，导致吹填效率降低。施工船舶为绞吸船新海豚轮，该船舶拥有3个泥泵，可采用2泵或3泵施工，不同的泥泵组合方式对应的吸、排泥管线线路也不相同，详见表1[9]。

表1 新海豚轮船上吸、排泥管线布置情况表Tab.1 Arrangement of suction and discharge pipeline of Xinhaitun

2 管线规划布设概述

图1 端点站示意图Fig.1 Schematic diagram of endpoint station

灌河口5万t级航道整治工程(H2-H3先导工程)施工项目中管线包括浮管、沉管和岸管，其中浮管长约600 m，沉管长约1 800 m，岸管长约7 600 m，总长约10 000 m。浮管：由若干长为11.8 m，直径为850 mm的自浮橡胶管组成。沉管：由若干长为11.8 m，直径为850 mm的钢管和长为2 m、直径850 mm的橡胶管间隔相连组成，敷设过程中考虑线路过长且穿越航道，共设置了5个端点站(端点站即在连接两段水下沉管或浮管时采用一小段浮管作为连接点，该小段浮管设有水阀和空气阀，方便沉管的沉放和起浮作业)，见图1所示。

岸管：由若干直钢管、橡胶管、弯度管组成，直钢管长度包括11.8 m、6 m，橡胶管长度包括11.8 m、2 m，弯度管弯度包括15°、30°、45°，直径均为850 mm。管线详细情况见表2所示。

3 管路实耗总水头计算

由表1可知施工船舶新海豚存在2泵、3泵两种组合方式，其中2泵施工也包含两种船舶管线系统，本文以表1中采用水下泵、左舱内泵两泵串联施工作为研究对象。

表2 管线详细情况说明表Tab.2 Details of the pipeline

本工程疏浚施工土质为淤泥质粘土，灰色，流塑，含少量腐殖质，局部夹薄层粉土，实测标准贯入击数2.1击[10]。根据土质特点可以判断，在计算实耗总水头时可采用输送泥浆时实耗总水头计算公式[11]

(1)

式中：hm为管路输送泥浆总水头，m；Σξms为吸泥管系局部阻力系数之和；vs为吸泥管平均流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；λms、λmd为吸、排管路泥浆沿程阻力系数；Ls为吸泥管直管长，m；Ds为吸泥管内径，m；y为水面距海底距离，即挖深，m；γm为泥浆密度，t/m3；γw为清水密度，t/m3；v为管路排ΣLd出口流速，m/s；Σξmd为排泥管系局部阻力系数之和；为从泥泵排出口至排泥管出口所有的排泥管长度总和，m；vd为排泥管平均流速，m/s；Dd为排泥管内径，m；Z为排高，即水面至排泥管出口中心的高度，m。

表3 实耗总水头计算公式中已知数据表Tab.3 The known data table in the calculation formula of total real consumption water head

表3中各数据值是根据工程有关资料[9]查得，其中γm可根据公式(2)求得

γm=(γ-γw)ρ+γw

(2)

式中：γm为泥浆密度，t/m3；ρ为泥浆天然体积浓度，%，实测12组数据，取平均值为22%；γ为天然土密度，t/m3，根据土质参数表[10]查得淤泥土质对应值为1.75 t/m3；γw为清水密度，t/m3，海水取1.025 t/m3。

3.2 实耗总水头计算公式中未知数据推算

3.2.1 求λms、λmd

管路泥浆沿程阻力系数可采用公式(3)[11]计算得出

λm=λw×γm

(3)

式中：λm为输送泥浆时的沿程阻力系数；λw为输送清水时的沿程阻力系数；γm为泥浆密度，t/m3。

清水沿程阻力系数λw可根据《疏浚与吹填工程设计规范》(JTS181-5-2012)[10]查得吸泥管管径为0.9 m，即λws=0.012 0；排泥管管径为0.85 m，查表后内插计算出λwd=0.012 25。将λws、λwd代入公式(3)，求得λms=0.014 16，λmd=0.014 455。

3.2.2 求Σξms、Σξmd

(1)吸泥管系局部阻力系数之和Σξms。计算吸泥管系局部阻力系数之和，首先明确计算对象，此处讨论的泥泵组合方式是采用2泵施工中的①+②+⑤+⑥模式(见表1)，因此吸泥管只考虑①和②管段。船管管路除存在转弯段外还存在吸泥口、闸阀和三通管，局部损失的计算方式也不相同。

图2 弯管示意图Fig.2 Schematic diagram of elbow

①吸泥管弯管段局部损失。计算弯管段局部阻力系数时，由于管线转弯段都是缓弯管，如图2所示，可采用水力学中弯管管道局部水头损失系数计算公式[12]

(4)

式中：ξ为局部阻力系数；d为管道直径，m；ρ为转弯半径，m；θ为转弯角，(°)。

将表1中吸泥管各弯管段数据代入公式(4)中，可计算得出吸泥管各弯管段局部水头损失系数，详见表4。

②吸泥管其他局部损失。吸泥管其他局部损失包括吸泥口、闸阀和三通管等局部损失，各阻力系数宜采用实测数值，当无实测值时，可根据《疏浚与吹填工程设计规范》(JTS181-5-2012)[11]查得。计算ξm时，可近似采用公式(3)[11]，将局部阻力系数ξw(输送清水时)和ξm(输送泥浆时)套入公式(3)中可计算得出吸泥口、闸阀和三通管等输送泥浆时的局部阻力系数，见表5。

表4 吸泥管弯管局部阻力系数表Tab.4 Local resistance coefficient of bent pipe of suction pipe

表5 吸泥管吸泥口、闸阀和三通管局部阻力系数表Tab.5 Local resistance coefficient of suction pipe suction port, gate valve and tee pipe

由表4和表5可以求得吸泥管系局部阻力系数之和Σξms=3.6。

(2)排泥管系局部阻力系数之和Σξmd。

①船上排泥管局部损失。求船上排泥管局部损失的方法和求吸泥管系局部阻力系数一样，见表6和表7。由表6、表7数据可知Σξmd1=3.079 7。

表6 船上排泥弯管阻力系数表Tab.6 Resistance coefficient of ship′s mud discharge bend

表7 船上排泥管闸阀和三通阻力系数表Tab.7 Resistance coefficient of mud discharge pipe gate valve and tee on board

②水上、水下、岸管局部损失。水上、水下、岸管的转弯角参数见表2所示，将各参数值代入公式(4)可得表8。

由表8数据可知ξmd2=4.984。

排泥管系局部阻力系数之和：Σξmd=ξmd1+ξmd2=8.063 7

3.2.3 求vd、vs和v

(1)排泥管平均流速vd。由于无实测资料，在讨论排泥管平均流速时采用最低实用流速(经济流速)vp作为计算值，见公式(5)[11]

vp=Kvvc

(5)

式中：vp为最低实用流速，m/s；Kv为最低实用流速系数，查表所得，淤泥、粉土的Kv值为1.10；vc临界流速，m/s，按输泥平均浓度计算。

本施工区域属于堆沟至口门处，中值粒径小于0.05 mm。淤泥、平均粒径小于0.05 mm的粘土以及粉土，其临界流速宜按公式(6)[11]计算。

(6)

表8 水上、水下、岸管局部阻力系数表Tab.8 Surface, underwater and shore pipe local resistance coefficient

式中：vc为泥浆临界流速，m/s；C为颗粒体积浓度，%；ds为土颗粒平均粒径，mm；g为重力加速度，m/s2；D为吸泥管内径，m；γs为土颗粒密度，t/m3。各参数取值见表9。

表9 临界流速参数取值表Tab.9 Values of critical velocity parameters

将表9各项参数数据值带入公式(6)中即可算出泥浆临界流速vc=3.51 m/s，再将其带入公式(5)中求得最低实用流速vp=3.86 m/s。将吸泥管平均流速视为最低实用流速，即vd=vp=3.86 m/s。

(2)吸泥管平均流速vs。由流量与流速公式Q=S·V可得

Q=S吸·V吸=S排·V排

(7)

式中：S吸、S排分别为吸、排泥管泥浆截面面积，m2；V吸、V排分别为S吸、S排对应泥浆截面上泥浆的平均流速，m/s。

由公式(7)可推导出

(8)

式中：ks、kd分别为吸、排泥管满管率，%，按照最优工况效率考虑，吸、排泥管满管率均视为100%。将ks、kd、vd等值带入公式(8)，即可求出吸泥管平均流速vs=3.44 m/s。

(3)排出口流速v。根据公式(8)排出口流速v随排出口满管率k变化而变化，变化曲线见图3所示。仍按最优效率考虑，排泥口满管率为100%，可得出排出口流速v=vd=3.86 m/s。

图3 排出口流速v与满管率k关系曲线图Fig.3 Relation curve of flow velocity v and full tube rate k at row outlet

上述内容中在计算vd和v时引用了经济流速来作为切入点，将排泥管平均流速vd作为经济流速考虑。经济流速在数学上表现为求一定年限内管网造价和管理费用之和的最小流速。《疏浚与吹填工程设计规范》(JTS181-5-2012)规范中经济流速根据临界流速乘以相应系数求得。

按常态情况，由于管径问题，吸泥管平均流速vs比vd小，应该将vs作为临界流速从而算出其对应的经济流速。但考虑分析得到，泥砂在铰刀切割作用下已经形成紊乱状态的泥浆，其进入吸泥管前无需考虑天然泥砂起动流速的问题。吸泥管较短，泥浆即使在吸泥管内以层流状态流动，泥砂在未发生完全沉淀前就进入了泥浆泵，其流态再一次紊乱，所以泥浆在进入排泥管前不会发生沉淀堆积现象，因此就绞吸船实际情况讨论吸泥管临界流速不和宜。从经济流速的定义上考虑，排泥管较吸泥管长，其管网造价和管理费用等经济效应比吸泥管更为突出，因此考虑经济流速时应以排泥管平均流速为对象。

3.2.4 求Ls、ΣLd

计算管线长度时需要考虑管线折算比，详见表10[11]。

船上管折算比取2.5，浮管折算管取1.3，沉管折算比取1.1。根据实际管线情况，管线折算长度详见表11。

由表11可得：Ls=115.25 m；ΣLd=10 538.25 m。

3.2.5 求hm1、hm2和hm3

hm1、hm2和hm3分别为模式1(采用水下泵、左舱内泵两泵串联施工)、模式2(采用水下泵、右舱内泵两泵串联施工)和模式3(采用三泵串联施工)对应的实耗总水头。上述计算中以模式1为例，其实耗总水头公式各计算值汇总后见表12所示。将表13中各数据代入公式(1)中求得：hm1=154.73 m。参考hm1的计算方式，可将hm2和hm3计算得出：hm2=153.75 m；hm3=152.88 m。

表10 船上管、浮管对岸管长的折算比Tab.10 Conversion ratio of opposite shore pipe length of ship pipe and floating pipe

表11 管线折算长度Tab.11 Reduced length of pipeline

表12 模式1实耗总水头计算公式数据表Tab.12 Formula data of calculation formula of total actual consumption of model 1

表13 新海豚轮泥泵清水扬程参数表Tab.13 Head parameters of new dolphin mud pump

泥泵泥浆扬程宜采用公式(9)[11]计算

Hm=Hw[KH(γm-1)+1]

(9)

式中：Hm为泥泵泥浆扬程，米水柱；Hw为泥泵清水扬程，米水柱；KH为泥泵泥浆扬程土质换算系数，淤泥质粘土对应值为0.75；γm为泥浆密度，t/m3。

新海豚轮泥泵清水扬程可查看船舶参数表得，将清水扬程值代入公式(9)，即可算出泥浆扬程，见表13所示。由表13可知：对于本工程2泵施工时，泥浆扬程Hm2=136.5 m；3泵施工时泥浆扬程可达Hm3=227.9 m。通过比较Hm和hm可以看出，采用3泵施工的工作水头较实耗总水头估算值大，满足施工要求。

5 管线单位长度阻力系数分析

在分析管线单位长度阻力系数时，采用公式(10)进行分析

(10)

表14 管线单位长度阻力系数表Tab.14 Resistance coefficient per unit length of pipeline

公式(10)是根据水力学中局部水头损失和沿程水头损失公式[12]推导而来，为了计算管线单位长度上水头损失系数。

为了详细分析各段管线的η值，本文将管线分为船上吸泥管、船上排泥管、浮管、沉管和岸管进行考虑，将前面计算出的各值进行统计，并代入公式(10)进行计算得出表14。由表14不难看出

η船吸>η船排>η浮管①>η浮管②>η沉管>η岸管

(11)

船上管的布置在实际工程中无法改变，但浮管、沉管和岸管可以根据工程情况加以调整。由此可见，在实际管线布置时，应尽量缩短浮管线，其次是沉管，才能让单位长度上水头损失较小。

6 结论

(1)针对灌河口5万t级航道整治工程(H2-H3先导工程)施工项目的工况条件，通过理论公式结合工程实际得出新海豚轮采用3泵施工能保证工程需求；(2)由于浮管易受水流、风浪等影响，造成橡胶管扭曲而减少过水截面积，影响施工效率，同时即使在工况情况最好的情况下，浮管单位长度水头损失也较沉管和岸管大，因此在保障工程实际需求的情况下，应尽量减少浮管线的长度。一般情况下沉管的单位长度水头损失较岸管大。