陶潤(rùn)禮，梅志能，袁超哲，趙天彪

（1.中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心，上海 201208；2.中交上海航道局有限公司，上海 200002）

不同材質(zhì)吹填管線中粗砂輸送摩阻特性

陶潤(rùn)禮1，梅志能2，袁超哲1，趙天彪1

（1.中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心，上海 201208；2.中交上海航道局有限公司，上海 200002）

以廈門新機(jī)場(chǎng)大小嶝造地工程作為典型工程，開展不同材質(zhì)吹填管線中粗砂輸送摩阻特性的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究。在絞吸挖泥船吹填管線中串聯(lián)鋼基聚氨酯內(nèi)襯管、Q235鋼制管和鎧裝管，進(jìn)行清水和中粗砂輸送條件下的沿程壓力監(jiān)測(cè)。根據(jù)該測(cè)試結(jié)果，對(duì)比分析輸送清水和中粗砂介質(zhì)條件下，不同材質(zhì)吹填管線的摩阻特性；并根據(jù)不同材質(zhì)吹填管線的水力坡度，對(duì)比絞吸船給定排壓條件下不同材質(zhì)吹填管線中粗砂的排距。結(jié)果表明：打清水和輸送中粗砂時(shí)，鎧裝管的水力坡度最大，Q235鋼制管次之，鋼基聚氨酯內(nèi)襯管最??；中粗砂輸送條件下，鋼基聚氨酯內(nèi)襯管線的水力坡度比Q235鋼制管降低約10%。

圍海造地；吹填管線；中粗砂；摩阻特性；排距

0 引言

在圍海造地工程中，管線吹填作為介質(zhì)輸送的重要方式，管線摩阻特性直接關(guān)系到挖泥船的輸送效率和能耗[1-3]。目前，在施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較為廣泛的為12 m長(zhǎng)的Q235鋼制管、2 m長(zhǎng)的橡膠短管和11.8 m長(zhǎng)的鎧裝管。傳統(tǒng)的施工過(guò)程中，主要采用以上3種管線串聯(lián)，進(jìn)行泥漿的輸送與吹填。常見的輸送介質(zhì)，主要為淤泥、粉土、粉細(xì)砂等較易輸送的介質(zhì)，其管線摩擦阻力較小，排距均較為理想，不會(huì)發(fā)生排距過(guò)小、無(wú)法滿足施工要求的情況。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外較多的圍海造地工程，其輸送介質(zhì)以中粗砂為主，相比于以往的淤泥、粉細(xì)砂等輸送介質(zhì)，其對(duì)吹填管線的磨損加大，且中粗砂條件下傳統(tǒng)管線的摩擦阻力較以往的施工有顯著增加，使得排距顯著減小，無(wú)法達(dá)到高濃度長(zhǎng)排距的施工要求[4-6]。如在廈門新機(jī)場(chǎng)大小嶝造地工程中，輸送介質(zhì)的中值粒徑在0.4~0.8 mm之間，在該中粗砂施工條件下，絞吸船的最大排距（保證一定施工濃度的前提下）約為3 500 m，該距離無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)吹填要求，不僅影響了施工進(jìn)度，還增加了項(xiàng)目成本。

因此，中粗砂輸送條件下，吹填管線的減阻增效勢(shì)在必行。國(guó)內(nèi)外減阻的方案主要包含：充氣降阻、螺旋減阻、新材料減阻等。國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者及科研機(jī)構(gòu)，已對(duì)充氣降阻、螺旋減阻等方案進(jìn)行了較多的理論和室內(nèi)試驗(yàn)研究[7]。針對(duì)新材料減阻，礦山管線輸送中有采用過(guò)聚氨酯內(nèi)襯材料，本文借鑒該聚氨酯內(nèi)襯的方案，對(duì)傳統(tǒng)Q235吹填管線進(jìn)行改造，制造了鋼基聚氨酯內(nèi)襯管線與傳統(tǒng)鋼制Q235管、鎧裝管串聯(lián)，進(jìn)行不同工況（流速、濃度）條件下水力坡度大小的比較。并針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所得的水力坡度，對(duì)不同材質(zhì)吹填管線的排距進(jìn)行對(duì)比分析，以此論證鋼基聚氨酯內(nèi)襯管具有降低管線摩擦阻力、增加吹填排距的特性。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案

廈門大小嶝新機(jī)場(chǎng)造地工程中，選取某一指定絞吸挖泥船的排泥管（DN850）進(jìn)行不同材質(zhì)吹填管線水力坡度的測(cè)試工作。圖1所示，為絞吸挖泥船現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)不同材質(zhì)吹填管線的排布示意圖。其中，鎧裝管測(cè)量段位于絞吸船尾部的浮管處，管段長(zhǎng)為190.4 m；鋼基聚氨酯內(nèi)襯管段為上岸管段，管段長(zhǎng)為192 m；普通鋼制管段連接于鋼基聚氨酯內(nèi)襯管端至吹填口，管段長(zhǎng)為178 m。該3種材質(zhì)吹填管段的具體組合形式見表1。鎧裝管測(cè)量段由11.8 m長(zhǎng)鎧裝管和12 m長(zhǎng)傳統(tǒng)鋼制管串聯(lián)而成；鋼基聚氨酯內(nèi)襯測(cè)量段由12 m長(zhǎng)的鋼基聚氨酯內(nèi)襯管和2 m長(zhǎng)橡膠短管串聯(lián)而成；鋼制管測(cè)量段由12 m長(zhǎng)傳統(tǒng)鋼制管和2 m長(zhǎng)橡膠短管串聯(lián)而成。本文通過(guò)在3種材質(zhì)吹填管線測(cè)量段的兩端分別布置壓力傳感器，對(duì)吹填管清水工況和正常施工工況條件下的壓力變化和船載流速儀及濃度計(jì)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并假設(shè)同一時(shí)刻濃度和流速在管道內(nèi)不變。同時(shí)，在管線沿程壓力測(cè)量過(guò)程中，采用RTK進(jìn)行高程測(cè)量，以此補(bǔ)償各個(gè)測(cè)點(diǎn)的靜壓差，管段水力坡度計(jì)算公式為：

圖1 不同材質(zhì)吹填管線的排布示意圖Fig.1 Layout of different material dredge pipeline

表1 三種不同材質(zhì)吹填管線組成統(tǒng)計(jì)表Table1 Statistical table of different material dredge pipeline

式中：Im為管段的實(shí)測(cè)水力坡度，mH20/m；駐P為管段的壓差，kPa；籽s為管段內(nèi)砂漿密度，t/m3；駐h為管段兩端的高程差，m；L為管段長(zhǎng)，m；g為重力加速度，m/s2。

2 數(shù)據(jù)分析

本工程中通過(guò)取樣進(jìn)行顆粒分析，輸送介質(zhì)的中值粒徑約為0.72 mm，貝殼含量約8%，為中粗砂。數(shù)據(jù)分析主要從清水工況和正常施工工況進(jìn)行不同材質(zhì)管線中粗砂輸送摩阻特性的分析與對(duì)比，并對(duì)正常施工條件下不同材質(zhì)吹填管線的排距進(jìn)行估算與對(duì)比。

2.1 清水工況

打清水工況條件下，吹填管線內(nèi)的流速較為穩(wěn)定，其均值為5.45 m/s。圖2為該清水流速條件下，3種材質(zhì)吹填管線兩端的壓力實(shí)測(cè)值。由圖2可知，在打清水的過(guò)程中，測(cè)量吹填管線的壓力變化較為平穩(wěn)。

圖2 清水條件下3種材質(zhì)吹填管線的壓力實(shí)測(cè)值Fig.2 Measured pressure value of different material dredge pipeline in water transportation

根據(jù)管線水力坡度計(jì)算公式（1），圖3給出了3種材質(zhì)吹填管段的水力坡度隨時(shí)間的變化情況。結(jié)合圖2和圖3可知：190.4 m鎧裝管段平均壓降為48.19 kPa，水力坡度為0.025 8 mH2O/m；192 m聚氨酯管段平均壓降為34.93 kPa，水力坡度為0.018 7 mH2O/m；178 m鋼管段平均壓降為40.91 kPa，水力坡度為0.021 9 mH2O/m。

圖3 3種材質(zhì)吹填管段清水水力坡度變化情況Fig.3 Variation characteristics for the hydraulic gradient of different material dredge pipeline in water transportation

2.2 正常施工工況

正常施工條件下，管線內(nèi)漿體的平均流速為5.39 m/s；且管線內(nèi)漿體的平均輸送濃度為21.4%。圖4給出了管線輸送流速為5.39 m/s、濃度為21.4%時(shí)，3種材質(zhì)吹填管線兩端的壓力實(shí)測(cè)值。由于絞刀頭的擺動(dòng)和砂漿吸入濃度的波動(dòng)，壓力實(shí)測(cè)值比清水工況條件下的波動(dòng)大，然而其壓力實(shí)測(cè)值均在其均值附近波動(dòng)。

圖4 3種材質(zhì)吹填管線兩端的壓力實(shí)測(cè)值（v=5.39 m/s、C=21.4%）Fig.4 Measured pressure value of the both sides of different material dredge pipeline(v=5.39 m/s,C=21.4%)

根據(jù)管線水力坡度計(jì)算公式（1），圖5給出了3種材質(zhì)吹填管線在正常施工條件下，水力坡度隨時(shí)間的變化情況。

圖5 3種材質(zhì)吹填管段中粗砂輸送水力坡度變化情況Fig.5 Variation characteristics for the hydraulic gradient of different material dredge pipeline in mediumcoarse sand transportation

結(jié)合圖4和圖5可知，190.4 m鎧裝管段平均壓降為99.59 kPa，水力坡度為0.053 8 mH2O/m；192 m聚氨酯管段平均壓降為70.05 kPa，水力坡度為0.036 8 mH2O/m；178 m鋼管段平均壓降為75.95 kPa，水力坡度為0.041 2 mH2O/m。

2.3 不同材質(zhì)吹填管線摩阻特性對(duì)比分析

摩阻作為吹填管線的重要施工參數(shù)，對(duì)于預(yù)估吹填排距，管線布置及估算施工效率具有重要的意義。尤其是在中粗砂施工條件下，吹填管線水力坡度相比于較為常見的淤泥、粉細(xì)砂和粉土等輸送介質(zhì)偏大，對(duì)吹填排距、施工進(jìn)度和效率影響較大。如圖6可知，在清水工況和正常施工工況（輸送漿體）條件下，聚氨酯管的水力坡度最小，鋼管的水力坡度次之，鎧裝管的水力坡度最大。其中，清水工況下（v=5.45 m/s）水力坡度約為正常施工條件下（v=5.39 m/s，C=21.4%）的一半。且在清水工況下，聚氨酯管相比于傳統(tǒng)鋼管減阻14.6%；在正常施工條件下，聚氨酯管相比于傳統(tǒng)鋼管減阻10.7%。聚氨酯清水工況的減阻效果要優(yōu)于中粗砂輸送工況。

圖6 3種材質(zhì)吹填管線在清水和中粗砂條件下的水力坡度對(duì)比情況Fig.6 The comparison of the hydraulic gradient of different material dredge pipeline in water and medium-coarse sand transportation

2.4 不同材質(zhì)吹填管線排距初步估算與對(duì)比

對(duì)于中粗砂吹填工程，排距較小始終制約著施工效率。本文中提出用鋼基聚氨酯內(nèi)襯管線替換傳統(tǒng)的鋼管進(jìn)行中粗砂吹填施工?；诖?，對(duì)給定絞吸船排壓為1 600 kPa，管線出口壓力為100 kPa，管線水平順直排布，管線內(nèi)漿體平均流速為5.39 m/s，濃度為21.4%時(shí)，傳統(tǒng)吹填工程中常用的鋼管和鎧裝管與鋼基聚氨酯內(nèi)襯管排距進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)公式（1）的變化，可得排距估算公式（2）。

由于管線水平順直排布（駐h=0 m），則根據(jù)排距估算公式（2），可知鋼基聚氨酯內(nèi)襯管排距最大，為3 404 m；鋼管排距次之，為3 072 m；鎧裝管排距最小，為2 332 m。對(duì)比鋼基聚氨酯內(nèi)襯管和傳統(tǒng)鋼管的排距可知，鋼基聚氨酯內(nèi)襯管相比于鋼管，排距增加了約10.7%。

3 結(jié)語(yǔ)

本文現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了3種材質(zhì)吹填管線在清水和中粗砂輸送條件下吹填管線沿程壓力的變化情況，對(duì)中粗砂輸送條件下的不同材質(zhì)管線水力坡度進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)不同材質(zhì)吹填管線的排距進(jìn)行了估算，得到了如下結(jié)論：

1）DN850吹填排泥管，清水工況下（v=5.45 m/s）水力坡度約為正常施工條件下（v=5.39 m/s，C=21.4%）的一半。

2）鋼基聚氨酯內(nèi)襯管，在中粗砂輸送的正常施工條件下，相比于傳統(tǒng)鋼制管減阻10.7%；在清水工況下，相比于傳統(tǒng)鋼制管減阻14.6%。

3）根據(jù)理論估算，鋼基聚氨酯內(nèi)襯管排距相比于傳統(tǒng)鋼管的排距增加了10.7%，為鋼基聚氨酯內(nèi)襯管在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用提供了參考數(shù)值。

4）鋼基聚氨酯內(nèi)襯管具有減阻和增加排距的特性，能夠極好地適用于中粗砂的吹填，在疏浚領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價(jià)值。

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Characteristics of frictional resistance of different material dredge pipeline in medium-coarse sand transportation

TAO Run-li1,MEI Zhi-neng2,YUAN Chao-zhe1,ZHAO Tian-biao1
（1.CCCC National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China;2.CCCC Shanghai Dredge Co.,Ltd.,Shanghai 200002,China）

We mainly researched the friction characteristics of different material dredge pipeline in medium-coarse sand transportation in Xiamen New Airport Dadeng and Xiaodeng land reclamation construction.We carried out the following pressure monitoring under the conditions of water and slurry transportation in the chosen cutter-suction dredger pipeline,among which the polyurethane pipeline,Q235 steal pipeline,and armored pipeline were in series connection.The results,compared with the frictional characteristics of different material dredge pipeline in water and medium-coarse sand transportation.According to the hydraulic gradient of different material pipelines,we compared the row distance of coarse sand in different material pipelines under the condition of the given pressure of suction dredger.The results show that when making water and transporting coarse sand,the hydraulic gradient of armored pipeline is the biggest,the Q235 steal pipeline is the second most,and the polyurethane pipeline is the smallest;the hydraulic gradient of the polyurethane pipeline is about 10%lower than the Q235 steal pipeline under the condition of medium-coarse sand transportation.

marine reclamation;dredge pipeline;medium-coarse sand;frictional characteristic;discharge distance

U615.4

A

2095-7874（2017）12-0011-04

10.7640/zggwjs201712003

2017-05-10

2017-11-28

陶潤(rùn)禮（1970— ），男，湖南綏寧人，高級(jí)工程師，港口、航道及近海工程專業(yè)。E-mail：taorunli@cccc-drc.com