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        海貍3800型絞吸式挖泥船開挖粘土與粉質(zhì)粘土生產(chǎn)率探討

        2012-06-13 08:06:38中國水電建設(shè)集團(tuán)國際工程有限公司
        河南水利與南水北調(diào) 2012年16期
        關(guān)鍵詞:泥泵絞刀挖泥船

        □沈 丹(中國水電建設(shè)集團(tuán)國際工程有限公司)

        □周 林(中國水電建設(shè)集團(tuán)港航建設(shè)有限公司)

        我國南方地區(qū)水系比較發(fā)達(dá),疏浚與吹填工程多以在內(nèi)河、湖區(qū)施工為主。在湖區(qū)的上層土質(zhì)多以粘土與粉質(zhì)粘土為主。絞吸式挖泥船在對(duì)粘土與粉質(zhì)粘土施工時(shí),生產(chǎn)率與預(yù)算定額的生產(chǎn)率相差很大。結(jié)合吳江汾湖開發(fā)區(qū)堆土工程,探討海貍3800型(J03)絞吸式挖泥船在湖區(qū)開挖粘土與粉質(zhì)粘土?xí)r的生產(chǎn)率。

        海貍3800型挖泥船的主要性能參數(shù)如表1。

        表1 荷蘭IHC海貍3800絞吸式挖泥船主要參數(shù)表

        吳江汾湖開發(fā)區(qū)堆土工程取土區(qū)為元白蕩,淤泥層很薄,而粉土層又集中在-6m以下(設(shè)計(jì)挖深-8m),本工程取土主要是開挖粘土與粉質(zhì)粘土,土質(zhì)參數(shù)為:含水率w%=27%,比重Gs=2.74,重度 =19.5kN/m3,空隙比 e0=0.8,飽和度 Sr=95%,液限WL=38.2%,塑限Wf=20.5,塑性指數(shù)Ip=17.7,液性指數(shù)IL=0.56,標(biāo)貫N=10。

        對(duì)于粘土與粉質(zhì)粘土,影響挖泥船生產(chǎn)率主要因素有絞刀挖泥量與泥泵輸泥量,二者的低者決定著挖泥船的生產(chǎn)率。

        1.影響效率的參數(shù)

        絞吸式挖泥船在挖泥過程中,為了達(dá)到最佳生產(chǎn)率,應(yīng)根據(jù)土質(zhì)、泥層厚度和挖深,掌握好絞刀前移距、切土厚度、橫移速度和絞刀轉(zhuǎn)速等。挖泥量Q=f(H,L,V)。下面分別探討各因素對(duì)挖泥量的影響。

        1.1 切土厚度(h)

        J03配備的絞刀為閉合球狀絞刀,適合挖粘性土、砂土、碎石。絞刀參數(shù):功率 552kW,Dmax=2.9m,Dave=2.15,鉸刀長 =1.9m,刀臂數(shù)=6,刀片數(shù)=6×8。

        絞刀切土厚度主要由絞刀尺度和土質(zhì)情況而定,一般不大于一個(gè)絞刀平均直徑,粘土與粉質(zhì)粘土土質(zhì)較硬,切土困難,在施工時(shí)偶爾還會(huì)出現(xiàn)跑刀現(xiàn)象,所以h=(0.5~1.0)絞刀直徑,甚至更小,施工時(shí)切土厚度在0.65m左右。

        1.2 前移距離(L)

        前移距離是保證泥泵輸送泥漿濃度,提高生產(chǎn)率的重要因素。前移距主要由土質(zhì)、泥層厚度和絞刀長度決定。前移距一般選取絞刀長度的0.5~1.0倍,以不出現(xiàn)遺漏泥土為原則,施工時(shí)每次前移距離約為1.5m左右。

        1.3 橫移速度(v)

        橫移的目的是為了泥泵能夠得到合適的泥漿濃度,即絞刀切削下的泥土能夠完全予以水力轉(zhuǎn)移。如果橫移速度過高,絞刀單位時(shí)間切削土量大于泥泵輸送能力,會(huì)造成土方遺留水底,還能使絞刀原動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大;反之橫移速度過低,泥泵的輸送能力不能充分發(fā)揮而使生產(chǎn)能力下降。J03橫移速度控制在6m/min左右。

        1.4 絞刀轉(zhuǎn)速

        絞刀轉(zhuǎn)速主要由土質(zhì)、橫移速度、絞刀驅(qū)動(dòng)裝置的特性決定。絞刀轉(zhuǎn)速可按下式計(jì)算得出:

        需要的絞刀轉(zhuǎn)速=橫移速度/(需要的切土厚度×刀片數(shù));實(shí)際生產(chǎn)中在開挖粘土與粉質(zhì)粘土?xí)r絞刀轉(zhuǎn)速為31r/min。

        切土厚度、前移距離、橫移速度和絞刀轉(zhuǎn)速4個(gè)參數(shù)主要靠經(jīng)驗(yàn)確定。對(duì)影響挖泥量各因素分析,可用下面公式計(jì)算出絞刀的生產(chǎn)率:

        W=60VL(h-△h/2)

        式中:W—絞刀挖掘生產(chǎn)率(m3/h);V—橫移速度(m);L—前移距離(m);h—絞刀入土深度(m);△h—超深(m)。

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

        對(duì)于粘土與粉質(zhì)粘土由于切下來顯塊狀,且絞刀下水流不暢,泥土更難吸入,憑經(jīng)驗(yàn)考慮其吸入一般在80%左右。

        W吸=324×80%=260m3/h

        綜合以上因素,J03在粘土與粉質(zhì)粘土施工時(shí)生產(chǎn)率在260m3/h左右。

        2.泥泵與生產(chǎn)效率關(guān)系

        泥泵是絞吸式挖泥船水力輸送泥漿的關(guān)鍵設(shè)備,泥漿運(yùn)行的好壞直接影響到生產(chǎn)率。泥泵的性能參數(shù)有:揚(yáng)程、流量、功率、效率、泥漿濃度與泥漿比重等,它們之間存在相互影響、相互制約的關(guān)系。分析泥泵生產(chǎn)率計(jì)算式M=QP可知,流量與泥漿濃度是衡量絞吸式挖泥船施工效率的兩個(gè)重要參數(shù),可以從提高兩個(gè)參數(shù)入手來提高生產(chǎn)率。

        2.1 泥漿濃度恒定的情況

        施工中假設(shè)泥漿濃度恒定,則小時(shí)生產(chǎn)率M與泥漿流量成正比,在單位時(shí)間內(nèi)流量增加即土方排出量也隨之增加,從而提高生產(chǎn)率。泥泵在某一工況下輸出流量額定,欲使流量增加,由泥泵特性曲線可知,流量與揚(yáng)程、功率之間密切相關(guān)。流量增加相應(yīng)的泥泵輸出揚(yáng)程下降而輸出功率增加,但還要考慮工作點(diǎn)移動(dòng)時(shí)工作參數(shù)也隨之變換,變換后參數(shù)能否變化滿足工況需求和泥泵工作負(fù)荷,故流量受輸泥特性限定,一般泥泵排泥流量達(dá)到一個(gè)定值后便不再提高。我們采用染色法測量平均流速,排泥管直徑為700mm,排距為1950m,根據(jù)下列公式計(jì)算流量:

        Q=A·V

        式中:Q—流量(m3/s);V—流速(m/s);A—排泥管的橫斷面面積(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在粘土與粉質(zhì)粘土施工時(shí)流量為3600m3/h。

        2.2 流量恒定的情況

        施工中假設(shè)排泥流量恒定,則小時(shí)生產(chǎn)率M與泥漿濃度成正比,提高泥漿濃度可使泥泵生產(chǎn)率提高。一般情況泥漿可輸送濃度在0%~30%之間,我國一般取10%,但泥漿濃度也不能提太高,如果超高吸排部分揚(yáng)程損失增高,泥泵排出壓力也必須增加。如果超過泥泵負(fù)載能力則可造成泥泵排出下降,會(huì)造成排泥管內(nèi)積存泥漿甚至出現(xiàn)堵管。同時(shí)真空度增高至允許吸入上線時(shí),泥泵發(fā)生汽蝕現(xiàn)象使得運(yùn)行狀態(tài)失常。施工時(shí)一般真空度維持在0.4~0.5bar之間,超過0.5bar管口就會(huì)出現(xiàn)泥條甚至出現(xiàn)堵管。通過試驗(yàn)測得泥漿密度γm為1.09t/m3。泥漿濃度可按下列公式計(jì)算:

        式中:γm—泥漿的密度(t/m3);γw—水的密度(t/m3);γ0—密實(shí)土的密度(t/m3)。

        J03在粘土與粉質(zhì)粘土施工時(shí)泥漿濃度為9%。

        2.3 其他影響因素

        此外土質(zhì)的輸送性與排距對(duì)泥泵的生產(chǎn)率也有影響。粘土具有粘結(jié)力強(qiáng)的特性,塊體越大其輸送效率越低。長排距施工出現(xiàn)的主要問題是由于泥泵輸送阻力增加而使泥泵排出壓力加大,為了防止排泥管內(nèi)流速下降出現(xiàn)堵管現(xiàn)象,又要求泥泵有一定的排出流量,從揚(yáng)程曲線可知,兩項(xiàng)要求是矛盾的。

        對(duì)影響泥泵生產(chǎn)率的各因素分析,由泥泵生產(chǎn)率計(jì)算式M=QP可以計(jì)算出在粘土與粉質(zhì)粘土施工時(shí)泥泵的生產(chǎn)率,由于流速與泥漿濃度是在兩個(gè)任意時(shí)間試驗(yàn)得到的,所以求得的數(shù)值也是偶然值:

        M=QP=3600m3/h×9%=324m3/h

        而J03在額定滿負(fù)荷工作時(shí)流量為7250m3/h,我國的泥漿濃度取10%,所以J03泥泵滿負(fù)荷產(chǎn)量為M=QP=7250m3/h×10%=725m3/h,由此可見,施工時(shí)泥泵不能有效發(fā)揮其功率。

        3.結(jié)論

        通過對(duì)影響挖泥船生產(chǎn)率的各個(gè)因素分析,海貍3800型(J03)在湖區(qū)開挖粘土與粉質(zhì)粘土?xí)r的生產(chǎn)率主要受絞刀挖泥量制約。J03在粘土與粉質(zhì)粘土施工時(shí)生產(chǎn)率在260~320m3/h,但隨著外界因素的改變其生產(chǎn)率還是會(huì)改變的。通過真實(shí)工程經(jīng)驗(yàn),可進(jìn)行挖泥船技術(shù)改進(jìn),將原有球狀絞刀頭改為錐式、直徑也可從2.9m減小到2m、刀臂改為4刀臂,從而提高生產(chǎn)效率,降低每立方米油耗,帶來可觀利潤。

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