王 楠，何炎平，黃 超

(上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，上海200240)

1 射流清淤船的誕生與特點

20世紀80年代中期，荷蘭工程師Mr.van Wezenbeek首先提出了射流清淤船(water injection dredging，WID)的概念。1987年，荷蘭HAM公司建造了世界上第一艘射流清淤船Jetsed號，美國在1992年仿造荷蘭的HAM922建造了第一艘射流清淤船BT-208號［1］。到目前為止，全世界大約有數(shù)十艘射流清淤船，大都工作于具有一定寬度的航道，沿海港口以及入海口區(qū)域，包括荷蘭、比利時、德國、美國及中國等。國外比較有代表性的射流清淤船的主要技術(shù)性能參數(shù)見表1。

表1 射流清淤船的主要技術(shù)性能參數(shù)

射流清淤船是一種高效、低成本的清淤船型。除了一般的維護工作外，對于其它設(shè)備難以達到的區(qū)域，它也能夠得心應(yīng)手地進行清淤工作。比如邊坡和滑道、船閘和干船塢前沿地帶、突堤和系泊船下面，能夠從事為管線或隧道段落進行的海底整平工作等。與傳統(tǒng)的挖泥船相比，主要有以下使用特點和優(yōu)勢［2］。

1)清淤方式是通過低壓水沖刷沉積的細粒泥沙，使泥沙懸浮于水中，在天然水流的作用下輸送泥沙。因此無需對泥沙實施挖掘、裝運或者使用管道輸送，由此減少了額外的工程開支，并且鋪設(shè)管道也會對其它船舶的航行造成影響。

2)一般這種船型的主尺度都比較小，船舶操作靈活;另外由于施工操作簡單，配備的施工人員，施工設(shè)備，都相對比較少，從而降低了清淤成本。

3)射流清淤船依靠射水沖刷泥沙，使之起揚和移位，因此，它可以清除其它挖泥船不易或無法清除的地方和部位，噴嘴可以接近永久建筑物表面而不損傷其表面;可以對不平整復(fù)雜表面做高效清淤，又能確保其安全不損壞，在一些特定的時候如能與其它挖泥船配合作業(yè)，可以取得更佳的清理效果。

4)從能量的角度來看，由于只需要將水注入到泥土層中，而不需要將泥土吸起和排出，因此所耗費的能量較小。并且，在整個清淤過程中，WID只有水進入泵中，而沒有其它顆粒進入，因此對于泵的磨損也較小。

5)WID工作時不會產(chǎn)生很大的羽流，并且由于航道的設(shè)定，產(chǎn)生的混合層將在特定的方向上運動，因此可以很好地控制淤泥排放位置。

2 射流清淤船的工作環(huán)境及原理

2.1 工作環(huán)境

射流清淤船相比一般的挖泥船具有非常多的優(yōu)勢，但是縱觀其整個發(fā)展歷史，它并沒有大量的被建造，主要的制約因素就是工作環(huán)境。射流清淤船對環(huán)境有著很高的要求，鑒于上述特點，它只能應(yīng)用于比較狹窄，并且有一定低位能的航道，如深槽、深潭等;或者是某些入?？?，這是因為在這樣的地理環(huán)境下產(chǎn)生的潮汐流可以加快泥沙的運輸，但是潮汐流并不是工作環(huán)境的充分條件。此外，WID對于疏浚泥沙的成分也有很高的要求，疏浚物的基本成分必須是泥或細砂，由圖1可以清楚地看出，在清淤前后，細砂的質(zhì)量濃度降低了很多，而中砂或者更大的顆粒則基本沒有變化。此外泥沙粒徑與輸送距離也有關(guān)系，一般泥沙中值粒徑小于0.05 mm時，其疏浚效率會越來越高。

2.2 工作原理

圖1 射流清淤船工作前后淤泥中含沙量的變化

圖2 WID基本原理

在清淤作用航行中，船舶通過射流泵吸取河中的水，泵出的水流通過船上的管路輸送到射流裝置中，再由噴嘴低壓注入到注射區(qū)1(見圖2)中，使得此處淤泥的水含量升高，淤泥逐漸液化成水-泥混合層。同時噴嘴中噴出的垂直流使得原本水平的河床變成一個曲線，由于漩渦的存在，使得該混合層在水中分散開來，并不斷吸收周圍的水，此時混合層的密度并不單一，流體上的作用力不平衡。隨著流動的繼續(xù)，混合層的密度逐漸趨于一致，進而形成一個均勻的懸浮混合層，即過渡區(qū)2。這種混合層的密度大于周圍水的密度，形成密度差，于是混合層開始移動，即形成了所謂的密度流［3］。懸浮的水-泥混合層在密度流的作用下進入運輸區(qū)3，直至輸送到指定的地點，由此完成了清淤工作。

3 國內(nèi)外射流清淤船研究進展

自從第一艘WID問世以來，國內(nèi)外的學(xué)者沒有停止過對其的研究，主要是對射流能力，清淤效果，環(huán)境影響等方面的研究。J.C.Winterwerp等［4］分析了射流清淤船工作時產(chǎn)生的混合層，認為混合層在垂直剖面上分為0.5～0.8 m厚，質(zhì)量濃度為50～100 g/L的流泥層和覆蓋在上面的清水層，并且這兩層是相互耦合的。因此，建立了一個二層流泥物理模型(2L fluid mud model)，并且運用這個模型模擬了英國Crouch河的清淤工作，發(fā)現(xiàn)清淤物的沉淀與懸浮的值與實驗數(shù)值保持在一個數(shù)量級上。作者還運用該模型模擬了不同的清淤地點，發(fā)現(xiàn)射流清淤船對于清淤地遠場的影響很小，在實際工作中可以忽略。Christian Maushake［5］給出了評價射流清淤船清淤效果的方法，作者通過海底聲學(xué)分類系統(tǒng)將清淤位置處的河床泥沙成分分為三類，分別是“淤泥”、“淤泥到細砂”和“細砂到中砂”，并用三種不同的顏色表示，這樣河床的泥沙就可以用這三種顏色來表示，然后分析河床在WID工作前、中、后三個不同的時間狀態(tài)的變化，得出射流清淤船高效的工作特性以及對于超出清淤位置處的影響很小的結(jié)論。K.Nadia Dimou運用三維水動力和沉淀物輸送模型-ECOMSED來評價WID在Hudson河工作時產(chǎn)生的混合物輸送的問題，得出在工作位置點的上游混合層底層的濃度高于下游混合層底層的濃度;相反，下游混合層表面濃度則高于上游表面的濃度。K.L.Spencer等［6］評價了射流清淤船對工作的環(huán)境影響，作者通過研究發(fā)現(xiàn)在清淤的過程中可能會消耗覆蓋在混合層上層的水柱中所溶解氧的濃度，并且對居住在水和泥沙中的生物產(chǎn)生一定的生態(tài)毒性的影響。Henk Jan Verhagen［7］研究了射流清淤船工作前后會引起河流中的密度變化，繼而影響船舶的操縱性，作者通過試驗給出了射流清淤船工作前、后以及一般挖泥船工作后的水流密度剖面圖，見圖3。

圖3 不同清淤船工作河流密度剖面示意

由于水流密度的變化使得駕駛員不斷地調(diào)節(jié)船舶來適應(yīng)這樣的變化，因此在港口附近施行清淤工作，當(dāng)有大型船舶和一系列小型船舶同時進入港口時很容易堵塞港口。文獻［7］建議使用操縱模擬器來模擬密度變化時對船舶的影響，讓駕駛員多次進行模擬練習(xí)來適應(yīng)這樣的變化。

早在20世紀80年代末，在我國的山東、河南兩省黃河流段上，就開發(fā)了這種射流清淤船，相比于荷蘭等國，船舶在規(guī)模、效率等方面仍然有一定的差距?？偟膩碚f，我國使用WID主要是在黃河潼關(guān)河段。這是因為黃河淤積的泥沙比較適合射流清淤船攜帶，而且黃河流段的流量比較大，適合泥沙的輸送。研究人員通過試驗的方法分析噴嘴的主要參數(shù)對射流船的沖刷效果的影響，包括噴嘴的間距、與床面的夾角、噴嘴提升高度以及射流船的航行速度［8-9］等。試驗表明，當(dāng)多噴嘴沖刷河床時，噴嘴間距在一定范圍內(nèi)會相互影響，而超過單噴嘴沖刷的最大寬度時，這種影響就會消失，但是沖刷坑之間會產(chǎn)生垅脊，影響沖刷效果，因此實際工程中的噴嘴間距略小于單噴嘴的最大沖刷寬度。噴嘴的入射角與其提升高度直接影響沖刷的效果，當(dāng)噴嘴的入射角過小時，射流沖刷的范圍較大，但是沖刷深度較淺，隨著入射角的增加，沖刷深度逐漸增大，當(dāng)入射角達到90°時沖刷深度達到最大，但是此時沖刷范圍最小，并且可能會引起沖起的泥沙受到撞擊后形成折返水流，影響噴嘴出口的壓力。試驗表明，當(dāng)噴嘴的入射角在60°～90°之間時沖刷的效果最好。另外，當(dāng)噴嘴離河床面過低時，若入射角速度很小，那么沖刷的流體中含沙量將相對較小;當(dāng)入射角過大時，一方面會使沖起的泥沙堵塞噴嘴，另一方面會使得沖刷坑過深，泥沙陷入沖刷坑中而無法運移到其它的地方，影響清淤效果。當(dāng)噴嘴提升高度增加時，沖刷效果明顯增加，但是增加到一定的高度時，從噴嘴射出的水流將不能沖起河床的泥沙，因此噴嘴的提升高度有兩個臨界值，即最佳提升高度和最大提升高度，研究人員通過試驗近似給出實際求解這兩個高度的方法，但是具體的工程項目噴嘴的高度則不一樣，應(yīng)結(jié)合實際選取。射流船的工作航速表現(xiàn)在射流沖刷歷時上，試驗表明，過小的作業(yè)航速能夠增大沖刷深度，但是減少了單位時間內(nèi)的泥沙沖起量;過大的作業(yè)航速則沖刷深度過小，影響清淤效果。因此存在著一個最佳的作業(yè)航速，能使得作業(yè)效率和能耗損失達到最佳平衡點。實際上射流船航速的選擇根據(jù)實際的情況而定。當(dāng)河道流速很大時，水流挾沙力大，為了增強沖刷強度，作業(yè)航速可以慢一些;當(dāng)河道流速很小時，可適當(dāng)增加作業(yè)航速，增加水流輸送能力;當(dāng)河床比較容易沖刷時，可以適當(dāng)?shù)卦黾幼鳂I(yè)航速;當(dāng)河床比較難沖刷時，降低作業(yè)航速，增加沖刷量。

這些研究為射流清淤船噴嘴參數(shù)的選取以及工作環(huán)境，作業(yè)方式的選取提供了理論依據(jù)。

4 射流清淤船的形式

根據(jù)射水管路的布置形式和船型特點，射流清淤船可分為三種主要的形式。

4.1 中心開槽

如圖4所示，輸水管道位于中心開槽內(nèi)，壓力管道位于船艉，起吊裝置橫跨兩個船體部分，水泵位于船體內(nèi)部。這種設(shè)計可以更好地保護管道，但是減小了清淤寬度，并且建造難度比較大。

圖4 中心開槽

4.2 雙船體型

如圖5所示，這種形式與第一種類似，只是主船體為兩個半船體相連接，這種設(shè)計非常適合模塊化建造，因此大大降低了建造的難度。但是這種船體的阻力比較大，因此在自由航行的條件下會降低速度，并且由于船體尺寸的原因，限制了干舷和推進器的設(shè)計。

圖5 雙船體型

4.3 射水管U形布置

如圖6所示，這種設(shè)計是在整個船體的外圍安裝了一個U形射水管單元，相比于前兩種形式，它增加了清淤的寬度，并且這種形式一般可以通過改裝已有的船舶來完成，只需增加一套射水裝備和抽水裝備即可。但是這種形式卻增加了船舶在航行和工作時外圍管道受損的危險。

圖6 射水管U型布置

上述三種形式的射流清淤船各有優(yōu)缺點，但是考慮到第三種形式可通過改裝現(xiàn)有的船型得到，并且可建成多功能疏浚輔助船，因此目前市場上的射流清淤船大多還是第三種形式。

5 射流清淤船的主要疏浚裝置

5.1 射流泵

射流泵是WID最主要的構(gòu)件之一，它不需要輸送大顆粒的泥沙，因此在工作中受損較小，一般的射流清淤船都配有兩個射流泵，分別位于船左右兩側(cè)。射流泵是低揚程、大流量的離心泵，因噴射水?dāng)噭雍拥椎哪嗌承桦S水流帶走，所以它僅用于淤泥、軟粘土或細沙的海底，因此也不需要過大的水泵揚程。

射流泵的驅(qū)動主要有兩種方式，一種是專用的柴油機驅(qū)動，另一種是用推進柴油機的自由端驅(qū)動，而其飛輪端則驅(qū)動螺旋槳。為了便于裝卸，甲板上的泵組安裝在集裝箱內(nèi)，并需要考慮增加輔助設(shè)備來提高泵的吸入能力。

5.2 艉部提升裝置

該裝置設(shè)于艉部甲板上，基本的構(gòu)成有絞車、鋼絲繩、滑輪、A字架和射流管等，見圖7。

圖7 艉部提升裝置

工作時，絞車緩緩放出鋼絲繩，將射流管架降至作業(yè)深度后停止，可通過調(diào)節(jié)A字架的角度來調(diào)整噴嘴距河床的高度與角度［10］。當(dāng)有波浪產(chǎn)生時，船舶會產(chǎn)生上下顛簸，但水下噴射裝置必須克服波浪的影響，始終緊貼河床表面運動，因此就有必要安裝由油缸和蓄能器構(gòu)成的波浪補償系統(tǒng)，見圖8。

圖8 波浪補償裝置

波浪補償系統(tǒng)是一套自動控制系統(tǒng)，工作時絞車的鋼絲繩處于繃緊狀態(tài)，在有波浪的情況下，當(dāng)船體被波浪上舉時，壓力管道就會向上傾斜，連接該處的鋼索受力增加，鋼纜將柱塞桿向內(nèi)壓入，鋼絲繩自動被放長，使得壓力管道重新回到河床表面;當(dāng)船體下沉?xí)r，壓力管道壓入泥土之內(nèi)，鋼絲繩則處于松弛狀態(tài)，柱塞桿受液壓作用向外伸出，使鋼索自動繃緊［11］。

5.3 射流裝置

該裝置包括輸送管道，轉(zhuǎn)動接頭，壓力管道、噴嘴等構(gòu)件。大量的水流由射流泵吸入至輸送管道內(nèi)，經(jīng)由頭部轉(zhuǎn)動接頭流入到壓力管道中，再由噴嘴注入到河床之中。轉(zhuǎn)動接頭是回轉(zhuǎn)體與非回轉(zhuǎn)體之間的連接體，由法蘭管和壓蓋組成，其作用是使噴嘴能夠以任何角度和高度沖刷泥床。為減小其軸向尺寸，壓蓋與連接法蘭管固定螺栓由徑向插入后擰緊，因此結(jié)構(gòu)緊湊，并能承受工作時產(chǎn)生的彎矩。該轉(zhuǎn)動接頭具有兩道密封圈，兩法蘭管之間配合為較小的間隙配合，保證其在轉(zhuǎn)動狀態(tài)下不泄漏。由于有時挖泥船會進行推土工作，簡單轉(zhuǎn)動接頭不具備足夠的強度，因此可設(shè)計成萬向鉸接機構(gòu)保證其強度［12］。

噴嘴是射流裝置中另一個十分重要的元件，其作用是將大量的流體轉(zhuǎn)化為高速低壓的射流。不同的噴嘴形狀會產(chǎn)生不同的管道壓力損失，不同的噴嘴布置對于清淤效果也有很大的影響。在噴嘴的設(shè)計上，相比于圓臺型噴嘴，圓柱型噴嘴顯然便于制造，但是其輸送管道的壓力損失卻要大得多，這是因為對于橫截面突變的流動，壁面附近會產(chǎn)生分離現(xiàn)象，損失就會加重;而橫截面平滑減小的流動，產(chǎn)生分離現(xiàn)象會減少，壓力損失相應(yīng)的比較?。?3］。另外為了便于制造，噴嘴與壓力管道可采用螺紋連接的方式，這樣也便于針對不同的工作環(huán)境選用不同的噴嘴形式。

6 射流清淤船的最新發(fā)展

射流清淤船已有30多年的發(fā)展歷史，技術(shù)上比較成熟，是一種低成本、高效率的清淤工具。但是正如前文所述，射流清淤船只能在特定的環(huán)境中工作，而這種特定的工作環(huán)境下的清淤項目并不是很多，因此大部分時間船舶是處于不工作的狀態(tài)，使得建造一艘純粹的射流清淤船似乎不太經(jīng)濟。近年來，射流清淤船有了新的發(fā)展趨勢，主要有以下兩點:①規(guī)模朝著大型化的方向發(fā)展，主要考慮工作環(huán)境和射流泵的流量功率兩個方面，傳統(tǒng)的射流船只能在窄深的河道，且河床的成分只能是泥沙或者淤泥。隨著配備的射流泵的流量功率逐步增加，射流船沖刷泥沙的顆粒大小也在增加;②射流清淤船的非專業(yè)化，如今疏浚公司更傾向于將射流設(shè)備集成在多功能疏浚作業(yè)輔助船或自己公司配置的拖輪上，見圖9。

圖9 兩種最新的射流清淤船型

圖9 a)為比利時疏浚公司DEME在2011年新建造的射流清淤船“Dhamra”，它是將射流裝置安裝在了已有的拖輪之上，船上配備的柴油機既可以滿足噴射泵的工作要求，又可以為船舶推進提供動力，并且射流泵功率達到了2×600 kW，清淤深度也達到了22 m。

圖9b)是該公司改裝的多功能疏浚作業(yè)輔助船“Parakeet”，其射流泵功率為2×584 kW，清淤深度為25.7 m。它是集射流清淤，整平，頂推，拖帶，油水供給，啟、拋錨功能，起重作業(yè)等為一體的船舶，主要是輔助其它大型挖泥船工作，降低了成本。

因此，從經(jīng)濟性與功能性方面來看，射流疏?？赡軐⒉辉僮鳛閱我坏拇统霈F(xiàn)，其發(fā)展趨勢將是在多功能輔助船或已有的船舶上安裝射流設(shè)備。

7 結(jié)論

射流清淤船屬于非主力疏浚船型，相比于耙吸、絞吸、抓斗、鏈斗類挖泥船，其技術(shù)形態(tài)及裝備相對比較簡單，應(yīng)用范圍也相對比較狹小。但是在其它大型挖泥船無法工作的特定環(huán)境中(如深槽、深潭等)，射流清淤船體現(xiàn)了它的能耗少，成本低，操作簡單，效率高等特點。目前，射流清淤船也在逐步大型化，射流泵的流量功率逐步增加。為了擴大其應(yīng)用范圍，射流清淤船將不再作為一種單一的船型出現(xiàn)，而是將射流裝置配備到多功能疏浚作業(yè)輔助船或者拖輪上，不僅可節(jié)約成本，也可解決應(yīng)用范圍狹小的缺陷。

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