呂 澎，逯新星

(中交上海航道局有限公司，上海 200002)

管線線路規(guī)劃布設是吹填工程中一項至關重要的工作，它對后續(xù)吹填施工效率具有重要影響。管線一般由鋼質長管、短管、彎管、異徑管和橡膠管組成，按敷設位置可分為浮管、沉管和岸管[1]。目前隨著國內疏浚與吹填施工技術的發(fā)展，在施工工藝和吹填管線方面的研究也是琳瑯滿目，例如施工工藝方面的研究有“挖運拋+挖吹”和“耙吸裝駁”工藝[2]、絞吸式挖泥船+接力泵船串聯(lián)工藝[3]、耙吸船與電吹船組合工藝[4]等；管線水力特性的研究有長距離漿體管道輸送中的沿程阻力研究[5]、泥沙管道輸送試驗系統(tǒng)的研制及分析[6]、有壓輸水管道水力特性研究[7-8]等。本文以灌河口5萬t級航道整治工程(H2-H3先導工程)施工項目中管線線路的規(guī)劃布設作為分析對象，介紹了該項目中管線規(guī)劃的方式和特點；并主要以管線水力特性作為分析要點，計算了管路輸送泥漿的實耗總水頭；并與施工船舶新海豚輪泥泵泥漿揚程做比較，判斷新海豚輪采用2泵施工或3泵施工的可行性；通過對管線的安裝特點及水力特性分析來判斷施工船舶的施工能力，為工程選用合適的設備提供參考方法。同時本文還比較了浮管、沉管和岸管單位長度阻力系數大小，為吹填工程管線規(guī)劃提出了參考意見。

1 船上吸、排泥管線布置

灌河口5萬t級航道整治工程(H2-H3先導工程)施工項目為灌河口出海航道整治工程的先導試驗段。灌河口進港航道全長29.15 km，此次先導段工程長度約為1.44 km，位于新沂河匯入灌河河口處且位于灌河拐彎處，同時還受潮汐影響，泥沙運動情況復雜。根據疏浚區(qū)域自然條件、土質和船機的作業(yè)條件等情況，適合先導段工程項目的疏浚施工工藝為絞吸工藝，采用絞吸式挖泥船進行疏浚，由絞吸船將泥漿通過浮管+沉管+岸管輸送至吹泥區(qū)。本工程浮管長度約0.6 km，沉管鋪設長度約1.8 km，需穿越航道，水上協(xié)調工作較大；岸管從接岸點到吹填區(qū)需穿越4座橋梁、2條道路、1條河流，岸管全程約7.6 km，鋪設耗費時間長，協(xié)調難度大。泥沙通過管道在長距離的輸送過程中，受到的摩擦阻力大，動能損失高，導致吹填效率降低。施工船舶為絞吸船新海豚輪，該船舶擁有3個泥泵，可采用2泵或3泵施工，不同的泥泵組合方式對應的吸、排泥管線線路也不相同，詳見表1[9]。

表1 新海豚輪船上吸、排泥管線布置情況表Tab.1 Arrangement of suction and discharge pipeline of Xinhaitun

2 管線規(guī)劃布設概述

圖1 端點站示意圖Fig.1 Schematic diagram of endpoint station

灌河口5萬t級航道整治工程(H2-H3先導工程)施工項目中管線包括浮管、沉管和岸管，其中浮管長約600 m，沉管長約1 800 m，岸管長約7 600 m，總長約10 000 m。浮管：由若干長為11.8 m，直徑為850 mm的自浮橡膠管組成。沉管：由若干長為11.8 m，直徑為850 mm的鋼管和長為2 m、直徑850 mm的橡膠管間隔相連組成，敷設過程中考慮線路過長且穿越航道，共設置了5個端點站(端點站即在連接兩段水下沉管或浮管時采用一小段浮管作為連接點，該小段浮管設有水閥和空氣閥，方便沉管的沉放和起浮作業(yè))，見圖1所示。

岸管：由若干直鋼管、橡膠管、彎度管組成，直鋼管長度包括11.8 m、6 m，橡膠管長度包括11.8 m、2 m，彎度管彎度包括15°、30°、45°，直徑均為850 mm。管線詳細情況見表2所示。

3 管路實耗總水頭計算

由表1可知施工船舶新海豚存在2泵、3泵兩種組合方式，其中2泵施工也包含兩種船舶管線系統(tǒng)，本文以表1中采用水下泵、左艙內泵兩泵串聯(lián)施工作為研究對象。

表2 管線詳細情況說明表Tab.2 Details of the pipeline

本工程疏浚施工土質為淤泥質粘土，灰色，流塑，含少量腐殖質，局部夾薄層粉土，實測標準貫入擊數2.1擊[10]。根據土質特點可以判斷，在計算實耗總水頭時可采用輸送泥漿時實耗總水頭計算公式[11]

(1)

式中：hm為管路輸送泥漿總水頭，m；Σξms為吸泥管系局部阻力系數之和；vs為吸泥管平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；λms、λmd為吸、排管路泥漿沿程阻力系數；Ls為吸泥管直管長，m；Ds為吸泥管內徑，m；y為水面距海底距離，即挖深，m；γm為泥漿密度，t/m3；γw為清水密度，t/m3；v為管路排ΣLd出口流速，m/s；Σξmd為排泥管系局部阻力系數之和；為從泥泵排出口至排泥管出口所有的排泥管長度總和，m；vd為排泥管平均流速，m/s；Dd為排泥管內徑，m；Z為排高，即水面至排泥管出口中心的高度，m。

表3 實耗總水頭計算公式中已知數據表Tab.3 The known data table in the calculation formula of total real consumption water head

表3中各數據值是根據工程有關資料[9]查得，其中γm可根據公式(2)求得

γm=(γ-γw)ρ+γw

(2)

式中：γm為泥漿密度，t/m3；ρ為泥漿天然體積濃度，%，實測12組數據，取平均值為22%；γ為天然土密度，t/m3，根據土質參數表[10]查得淤泥土質對應值為1.75 t/m3；γw為清水密度，t/m3，海水取1.025 t/m3。

3.2 實耗總水頭計算公式中未知數據推算

3.2.1 求λms、λmd

管路泥漿沿程阻力系數可采用公式(3)[11]計算得出

λm=λw×γm

(3)

式中：λm為輸送泥漿時的沿程阻力系數；λw為輸送清水時的沿程阻力系數；γm為泥漿密度，t/m3。

清水沿程阻力系數λw可根據《疏浚與吹填工程設計規(guī)范》(JTS181-5-2012)[10]查得吸泥管管徑為0.9 m，即λws=0.012 0；排泥管管徑為0.85 m，查表后內插計算出λwd=0.012 25。將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數之和Σξms。計算吸泥管系局部阻力系數之和，首先明確計算對象，此處討論的泥泵組合方式是采用2泵施工中的①+②+⑤+⑥模式(見表1)，因此吸泥管只考慮①和②管段。船管管路除存在轉彎段外還存在吸泥口、閘閥和三通管，局部損失的計算方式也不相同。

圖2 彎管示意圖Fig.2 Schematic diagram of elbow

①吸泥管彎管段局部損失。計算彎管段局部阻力系數時，由于管線轉彎段都是緩彎管，如圖2所示，可采用水力學中彎管管道局部水頭損失系數計算公式[12]

(4)

式中：ξ為局部阻力系數；d為管道直徑，m；ρ為轉彎半徑，m；θ為轉彎角，(°)。

將表1中吸泥管各彎管段數據代入公式(4)中，可計算得出吸泥管各彎管段局部水頭損失系數，詳見表4。

②吸泥管其他局部損失。吸泥管其他局部損失包括吸泥口、閘閥和三通管等局部損失，各阻力系數宜采用實測數值，當無實測值時，可根據《疏浚與吹填工程設計規(guī)范》(JTS181-5-2012)[11]查得。計算ξm時，可近似采用公式(3)[11]，將局部阻力系數ξw(輸送清水時)和ξm(輸送泥漿時)套入公式(3)中可計算得出吸泥口、閘閥和三通管等輸送泥漿時的局部阻力系數，見表5。

表4 吸泥管彎管局部阻力系數表Tab.4 Local resistance coefficient of bent pipe of suction pipe

表5 吸泥管吸泥口、閘閥和三通管局部阻力系數表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數之和Σξms=3.6。

(2)排泥管系局部阻力系數之和Σξmd。

①船上排泥管局部損失。求船上排泥管局部損失的方法和求吸泥管系局部阻力系數一樣，見表6和表7。由表6、表7數據可知Σξmd1=3.079 7。

表6 船上排泥彎管阻力系數表Tab.6 Resistance coefficient of ship′s mud discharge bend

表7 船上排泥管閘閥和三通阻力系數表Tab.7 Resistance coefficient of mud discharge pipe gate valve and tee on board

②水上、水下、岸管局部損失。水上、水下、岸管的轉彎角參數見表2所示，將各參數值代入公式(4)可得表8。

由表8數據可知ξmd2=4.984。

排泥管系局部阻力系數之和：Σξmd=ξmd1+ξmd2=8.063 7

3.2.3 求vd、vs和v

(1)排泥管平均流速vd。由于無實測資料，在討論排泥管平均流速時采用最低實用流速(經濟流速)vp作為計算值，見公式(5)[11]

vp=Kvvc

(5)

式中：vp為最低實用流速，m/s；Kv為最低實用流速系數，查表所得，淤泥、粉土的Kv值為1.10；vc臨界流速，m/s，按輸泥平均濃度計算。

本施工區(qū)域屬于堆溝至口門處，中值粒徑小于0.05 mm。淤泥、平均粒徑小于0.05 mm的粘土以及粉土，其臨界流速宜按公式(6)[11]計算。

(6)

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

式中：vc為泥漿臨界流速，m/s；C為顆粒體積濃度，%；ds為土顆粒平均粒徑，mm；g為重力加速度，m/s2；D為吸泥管內徑，m；γs為土顆粒密度，t/m3。各參數取值見表9。

表9 臨界流速參數取值表Tab.9 Values of critical velocity parameters

將表9各項參數數據值帶入公式(6)中即可算出泥漿臨界流速vc=3.51 m/s，再將其帶入公式(5)中求得最低實用流速vp=3.86 m/s。將吸泥管平均流速視為最低實用流速，即vd=vp=3.86 m/s。

(2)吸泥管平均流速vs。由流量與流速公式Q=S·V可得

Q=S吸·V吸=S排·V排

(7)

式中：S吸、S排分別為吸、排泥管泥漿截面面積，m2；V吸、V排分別為S吸、S排對應泥漿截面上泥漿的平均流速，m/s。

由公式(7)可推導出

(8)

式中：ks、kd分別為吸、排泥管滿管率，%，按照最優(yōu)工況效率考慮，吸、排泥管滿管率均視為100%。將ks、kd、vd等值帶入公式(8)，即可求出吸泥管平均流速vs=3.44 m/s。

(3)排出口流速v。根據公式(8)排出口流速v隨排出口滿管率k變化而變化，變化曲線見圖3所示。仍按最優(yōu)效率考慮，排泥口滿管率為100%，可得出排出口流速v=vd=3.86 m/s。

圖3 排出口流速v與滿管率k關系曲線圖Fig.3 Relation curve of flow velocity v and full tube rate k at row outlet

上述內容中在計算vd和v時引用了經濟流速來作為切入點，將排泥管平均流速vd作為經濟流速考慮。經濟流速在數學上表現(xiàn)為求一定年限內管網造價和管理費用之和的最小流速?！妒杩Ｅc吹填工程設計規(guī)范》(JTS181-5-2012)規(guī)范中經濟流速根據臨界流速乘以相應系數求得。

按常態(tài)情況，由于管徑問題，吸泥管平均流速vs比vd小，應該將vs作為臨界流速從而算出其對應的經濟流速。但考慮分析得到，泥砂在鉸刀切割作用下已經形成紊亂狀態(tài)的泥漿，其進入吸泥管前無需考慮天然泥砂起動流速的問題。吸泥管較短，泥漿即使在吸泥管內以層流狀態(tài)流動，泥砂在未發(fā)生完全沉淀前就進入了泥漿泵，其流態(tài)再一次紊亂，所以泥漿在進入排泥管前不會發(fā)生沉淀堆積現(xiàn)象，因此就絞吸船實際情況討論吸泥管臨界流速不和宜。從經濟流速的定義上考慮，排泥管較吸泥管長，其管網造價和管理費用等經濟效應比吸泥管更為突出，因此考慮經濟流速時應以排泥管平均流速為對象。

3.2.4 求Ls、ΣLd

計算管線長度時需要考慮管線折算比，詳見表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。根據實際管線情況，管線折算長度詳見表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分別為模式1(采用水下泵、左艙內泵兩泵串聯(lián)施工)、模式2(采用水下泵、右艙內泵兩泵串聯(lián)施工)和模式3(采用三泵串聯(lián)施工)對應的實耗總水頭。上述計算中以模式1為例，其實耗總水頭公式各計算值匯總后見表12所示。將表13中各數據代入公式(1)中求得：hm1=154.73 m。參考hm1的計算方式，可將hm2和hm3計算得出：hm2=153.75 m；hm3=152.88 m。

表10 船上管、浮管對岸管長的折算比Tab.10 Conversion ratio of opposite shore pipe length of ship pipe and floating pipe

表11 管線折算長度Tab.11 Reduced length of pipeline

表12 模式1實耗總水頭計算公式數據表Tab.12 Formula data of calculation formula of total actual consumption of model 1

表13 新海豚輪泥泵清水揚程參數表Tab.13 Head parameters of new dolphin mud pump

泥泵泥漿揚程宜采用公式(9)[11]計算

Hm=Hw[KH(γm-1)+1]

(9)

式中：Hm為泥泵泥漿揚程，米水柱；Hw為泥泵清水揚程，米水柱；KH為泥泵泥漿揚程土質換算系數，淤泥質粘土對應值為0.75；γm為泥漿密度，t/m3。

新海豚輪泥泵清水揚程可查看船舶參數表得，將清水揚程值代入公式(9)，即可算出泥漿揚程，見表13所示。由表13可知：對于本工程2泵施工時，泥漿揚程Hm2=136.5 m；3泵施工時泥漿揚程可達Hm3=227.9 m。通過比較Hm和hm可以看出，采用3泵施工的工作水頭較實耗總水頭估算值大，滿足施工要求。

5 管線單位長度阻力系數分析

在分析管線單位長度阻力系數時，采用公式(10)進行分析

(10)

表14 管線單位長度阻力系數表Tab.14 Resistance coefficient per unit length of pipeline

公式(10)是根據水力學中局部水頭損失和沿程水頭損失公式[12]推導而來，為了計算管線單位長度上水頭損失系數。

為了詳細分析各段管線的η值，本文將管線分為船上吸泥管、船上排泥管、浮管、沉管和岸管進行考慮，將前面計算出的各值進行統(tǒng)計，并代入公式(10)進行計算得出表14。由表14不難看出

η船吸>η船排>η浮管①>η浮管②>η沉管>η岸管

(11)

船上管的布置在實際工程中無法改變，但浮管、沉管和岸管可以根據工程情況加以調整。由此可見，在實際管線布置時，應盡量縮短浮管線，其次是沉管，才能讓單位長度上水頭損失較小。

6 結論

(1)針對灌河口5萬t級航道整治工程(H2-H3先導工程)施工項目的工況條件，通過理論公式結合工程實際得出新海豚輪采用3泵施工能保證工程需求；(2)由于浮管易受水流、風浪等影響，造成橡膠管扭曲而減少過水截面積，影響施工效率，同時即使在工況情況最好的情況下，浮管單位長度水頭損失也較沉管和岸管大，因此在保障工程實際需求的情況下，應盡量減少浮管線的長度。一般情況下沉管的單位長度水頭損失較岸管大。