王 楠，何炎平，黄 超

(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海200240)

1 射流清淤船的诞生与特点

20世纪80年代中期，荷兰工程师Mr.van Wezenbeek首先提出了射流清淤船(water injection dredging，WID)的概念。1987年，荷兰HAM公司建造了世界上第一艘射流清淤船Jetsed号，美国在1992年仿造荷兰的HAM922建造了第一艘射流清淤船BT-208号［1］。到目前为止，全世界大约有数十艘射流清淤船，大都工作于具有一定宽度的航道，沿海港口以及入海口区域，包括荷兰、比利时、德国、美国及中国等。国外比较有代表性的射流清淤船的主要技术性能参数见表1。

表1 射流清淤船的主要技术性能参数

射流清淤船是一种高效、低成本的清淤船型。除了一般的维护工作外，对于其它设备难以达到的区域，它也能够得心应手地进行清淤工作。比如边坡和滑道、船闸和干船坞前沿地带、突堤和系泊船下面，能够从事为管线或隧道段落进行的海底整平工作等。与传统的挖泥船相比，主要有以下使用特点和优势［2］。

1)清淤方式是通过低压水冲刷沉积的细粒泥沙，使泥沙悬浮于水中，在天然水流的作用下输送泥沙。因此无需对泥沙实施挖掘、装运或者使用管道输送，由此减少了额外的工程开支，并且铺设管道也会对其它船舶的航行造成影响。

2)一般这种船型的主尺度都比较小，船舶操作灵活;另外由于施工操作简单，配备的施工人员，施工设备，都相对比较少，从而降低了清淤成本。

3)射流清淤船依靠射水冲刷泥沙，使之起扬和移位，因此，它可以清除其它挖泥船不易或无法清除的地方和部位，喷嘴可以接近永久建筑物表面而不损伤其表面;可以对不平整复杂表面做高效清淤，又能确保其安全不损坏，在一些特定的时候如能与其它挖泥船配合作业，可以取得更佳的清理效果。

4)从能量的角度来看，由于只需要将水注入到泥土层中，而不需要将泥土吸起和排出，因此所耗费的能量较小。并且，在整个清淤过程中，WID只有水进入泵中，而没有其它颗粒进入，因此对于泵的磨损也较小。

5)WID工作时不会产生很大的羽流，并且由于航道的设定，产生的混合层将在特定的方向上运动，因此可以很好地控制淤泥排放位置。

2 射流清淤船的工作环境及原理

2.1 工作环境

射流清淤船相比一般的挖泥船具有非常多的优势，但是纵观其整个发展历史，它并没有大量的被建造，主要的制约因素就是工作环境。射流清淤船对环境有着很高的要求，鉴于上述特点，它只能应用于比较狭窄，并且有一定低位能的航道，如深槽、深潭等;或者是某些入海口，这是因为在这样的地理环境下产生的潮汐流可以加快泥沙的运输，但是潮汐流并不是工作环境的充分条件。此外，WID对于疏浚泥沙的成分也有很高的要求，疏浚物的基本成分必须是泥或细砂，由图1可以清楚地看出，在清淤前后，细砂的质量浓度降低了很多，而中砂或者更大的颗粒则基本没有变化。此外泥沙粒径与输送距离也有关系，一般泥沙中值粒径小于0.05 mm时，其疏浚效率会越来越高。

2.2 工作原理

图1 射流清淤船工作前后淤泥中含沙量的变化

图2 WID基本原理

在清淤作用航行中，船舶通过射流泵吸取河中的水，泵出的水流通过船上的管路输送到射流装置中，再由喷嘴低压注入到注射区1(见图2)中，使得此处淤泥的水含量升高，淤泥逐渐液化成水-泥混合层。同时喷嘴中喷出的垂直流使得原本水平的河床变成一个曲线，由于漩涡的存在，使得该混合层在水中分散开来，并不断吸收周围的水，此时混合层的密度并不单一，流体上的作用力不平衡。随着流动的继续，混合层的密度逐渐趋于一致，进而形成一个均匀的悬浮混合层，即过渡区2。这种混合层的密度大于周围水的密度，形成密度差，于是混合层开始移动，即形成了所谓的密度流［3］。悬浮的水-泥混合层在密度流的作用下进入运输区3，直至输送到指定的地点，由此完成了清淤工作。

3 国内外射流清淤船研究进展

自从第一艘WID问世以来，国内外的学者没有停止过对其的研究，主要是对射流能力，清淤效果，环境影响等方面的研究。J.C.Winterwerp等［4］分析了射流清淤船工作时产生的混合层，认为混合层在垂直剖面上分为0.5～0.8 m厚，质量浓度为50～100 g/L的流泥层和覆盖在上面的清水层，并且这两层是相互耦合的。因此，建立了一个二层流泥物理模型(2L fluid mud model)，并且运用这个模型模拟了英国Crouch河的清淤工作，发现清淤物的沉淀与悬浮的值与实验数值保持在一个数量级上。作者还运用该模型模拟了不同的清淤地点，发现射流清淤船对于清淤地远场的影响很小，在实际工作中可以忽略。Christian Maushake［5］给出了评价射流清淤船清淤效果的方法，作者通过海底声学分类系统将清淤位置处的河床泥沙成分分为三类，分别是“淤泥”、“淤泥到细砂”和“细砂到中砂”，并用三种不同的颜色表示，这样河床的泥沙就可以用这三种颜色来表示，然后分析河床在WID工作前、中、后三个不同的时间状态的变化，得出射流清淤船高效的工作特性以及对于超出清淤位置处的影响很小的结论。K.Nadia Dimou运用三维水动力和沉淀物输送模型-ECOMSED来评价WID在Hudson河工作时产生的混合物输送的问题，得出在工作位置点的上游混合层底层的浓度高于下游混合层底层的浓度;相反，下游混合层表面浓度则高于上游表面的浓度。K.L.Spencer等［6］评价了射流清淤船对工作的环境影响，作者通过研究发现在清淤的过程中可能会消耗覆盖在混合层上层的水柱中所溶解氧的浓度，并且对居住在水和泥沙中的生物产生一定的生态毒性的影响。Henk Jan Verhagen［7］研究了射流清淤船工作前后会引起河流中的密度变化，继而影响船舶的操纵性，作者通过试验给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图，见图3。

图3 不同清淤船工作河流密度剖面示意

由于水流密度的变化使得驾驶员不断地调节船舶来适应这样的变化，因此在港口附近施行清淤工作，当有大型船舶和一系列小型船舶同时进入港口时很容易堵塞港口。文献［7］建议使用操纵模拟器来模拟密度变化时对船舶的影响，让驾驶员多次进行模拟练习来适应这样的变化。

早在20世纪80年代末，在我国的山东、河南两省黄河流段上，就开发了这种射流清淤船，相比于荷兰等国，船舶在规模、效率等方面仍然有一定的差距。总的来说，我国使用WID主要是在黄河潼关河段。这是因为黄河淤积的泥沙比较适合射流清淤船携带，而且黄河流段的流量比较大，适合泥沙的输送。研究人员通过试验的方法分析喷嘴的主要参数对射流船的冲刷效果的影响，包括喷嘴的间距、与床面的夹角、喷嘴提升高度以及射流船的航行速度［8-9］等。试验表明，当多喷嘴冲刷河床时，喷嘴间距在一定范围内会相互影响，而超过单喷嘴冲刷的最大宽度时，这种影响就会消失，但是冲刷坑之间会产生垅脊，影响冲刷效果，因此实际工程中的喷嘴间距略小于单喷嘴的最大冲刷宽度。喷嘴的入射角与其提升高度直接影响冲刷的效果，当喷嘴的入射角过小时，射流冲刷的范围较大，但是冲刷深度较浅，随着入射角的增加，冲刷深度逐渐增大，当入射角达到90°时冲刷深度达到最大，但是此时冲刷范围最小，并且可能会引起冲起的泥沙受到撞击后形成折返水流，影响喷嘴出口的压力。试验表明，当喷嘴的入射角在60°～90°之间时冲刷的效果最好。另外，当喷嘴离河床面过低时，若入射角速度很小，那么冲刷的流体中含沙量将相对较小;当入射角过大时，一方面会使冲起的泥沙堵塞喷嘴，另一方面会使得冲刷坑过深，泥沙陷入冲刷坑中而无法运移到其它的地方，影响清淤效果。当喷嘴提升高度增加时，冲刷效果明显增加，但是增加到一定的高度时，从喷嘴射出的水流将不能冲起河床的泥沙，因此喷嘴的提升高度有两个临界值，即最佳提升高度和最大提升高度，研究人员通过试验近似给出实际求解这两个高度的方法，但是具体的工程项目喷嘴的高度则不一样，应结合实际选取。射流船的工作航速表现在射流冲刷历时上，试验表明，过小的作业航速能够增大冲刷深度，但是减少了单位时间内的泥沙冲起量;过大的作业航速则冲刷深度过小，影响清淤效果。因此存在着一个最佳的作业航速，能使得作业效率和能耗损失达到最佳平衡点。实际上射流船航速的选择根据实际的情况而定。当河道流速很大时，水流挟沙力大，为了增强冲刷强度，作业航速可以慢一些;当河道流速很小时，可适当增加作业航速，增加水流输送能力;当河床比较容易冲刷时，可以适当地增加作业航速;当河床比较难冲刷时，降低作业航速，增加冲刷量。

这些研究为射流清淤船喷嘴参数的选取以及工作环境，作业方式的选取提供了理论依据。

4 射流清淤船的形式

根据射水管路的布置形式和船型特点，射流清淤船可分为三种主要的形式。

4.1 中心开槽

如图4所示，输水管道位于中心开槽内，压力管道位于船艉，起吊装置横跨两个船体部分，水泵位于船体内部。这种设计可以更好地保护管道，但是减小了清淤宽度，并且建造难度比较大。

图4 中心开槽

4.2 双船体型

如图5所示，这种形式与第一种类似，只是主船体为两个半船体相连接，这种设计非常适合模块化建造，因此大大降低了建造的难度。但是这种船体的阻力比较大，因此在自由航行的条件下会降低速度，并且由于船体尺寸的原因，限制了干舷和推进器的设计。

图5 双船体型

4.3 射水管U形布置

如图6所示，这种设计是在整个船体的外围安装了一个U形射水管单元，相比于前两种形式，它增加了清淤的宽度，并且这种形式一般可以通过改装已有的船舶来完成，只需增加一套射水装备和抽水装备即可。但是这种形式却增加了船舶在航行和工作时外围管道受损的危险。

图6 射水管U型布置

上述三种形式的射流清淤船各有优缺点，但是考虑到第三种形式可通过改装现有的船型得到，并且可建成多功能疏浚辅助船，因此目前市场上的射流清淤船大多还是第三种形式。

5 射流清淤船的主要疏浚装置

5.1 射流泵

射流泵是WID最主要的构件之一，它不需要输送大颗粒的泥沙，因此在工作中受损较小，一般的射流清淤船都配有两个射流泵，分别位于船左右两侧。射流泵是低扬程、大流量的离心泵，因喷射水搅动河底的泥沙需随水流带走，所以它仅用于淤泥、软粘土或细沙的海底，因此也不需要过大的水泵扬程。

射流泵的驱动主要有两种方式，一种是专用的柴油机驱动，另一种是用推进柴油机的自由端驱动，而其飞轮端则驱动螺旋桨。为了便于装卸，甲板上的泵组安装在集装箱内，并需要考虑增加辅助设备来提高泵的吸入能力。

5.2 艉部提升装置

该装置设于艉部甲板上，基本的构成有绞车、钢丝绳、滑轮、A字架和射流管等，见图7。

图7 艉部提升装置

工作时，绞车缓缓放出钢丝绳，将射流管架降至作业深度后停止，可通过调节A字架的角度来调整喷嘴距河床的高度与角度［10］。当有波浪产生时，船舶会产生上下颠簸，但水下喷射装置必须克服波浪的影响，始终紧贴河床表面运动，因此就有必要安装由油缸和蓄能器构成的波浪补偿系统，见图8。

图8 波浪补偿装置

波浪补偿系统是一套自动控制系统，工作时绞车的钢丝绳处于绷紧状态，在有波浪的情况下，当船体被波浪上举时，压力管道就会向上倾斜，连接该处的钢索受力增加，钢缆将柱塞杆向内压入，钢丝绳自动被放长，使得压力管道重新回到河床表面;当船体下沉时，压力管道压入泥土之内，钢丝绳则处于松弛状态，柱塞杆受液压作用向外伸出，使钢索自动绷紧［11］。

5.3 射流装置

该装置包括输送管道，转动接头，压力管道、喷嘴等构件。大量的水流由射流泵吸入至输送管道内，经由头部转动接头流入到压力管道中，再由喷嘴注入到河床之中。转动接头是回转体与非回转体之间的连接体，由法兰管和压盖组成，其作用是使喷嘴能够以任何角度和高度冲刷泥床。为减小其轴向尺寸，压盖与连接法兰管固定螺栓由径向插入后拧紧，因此结构紧凑，并能承受工作时产生的弯矩。该转动接头具有两道密封圈，两法兰管之间配合为较小的间隙配合，保证其在转动状态下不泄漏。由于有时挖泥船会进行推土工作，简单转动接头不具备足够的强度，因此可设计成万向铰接机构保证其强度［12］。

喷嘴是射流装置中另一个十分重要的元件，其作用是将大量的流体转化为高速低压的射流。不同的喷嘴形状会产生不同的管道压力损失，不同的喷嘴布置对于清淤效果也有很大的影响。在喷嘴的设计上，相比于圆台型喷嘴，圆柱型喷嘴显然便于制造，但是其输送管道的压力损失却要大得多，这是因为对于横截面突变的流动，壁面附近会产生分离现象，损失就会加重;而横截面平滑减小的流动，产生分离现象会减少，压力损失相应的比较小［13］。另外为了便于制造，喷嘴与压力管道可采用螺纹连接的方式，这样也便于针对不同的工作环境选用不同的喷嘴形式。

6 射流清淤船的最新发展

射流清淤船已有30多年的发展历史，技术上比较成熟，是一种低成本、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环境中工作，而这种特定的工作环境下的清淤项目并不是很多，因此大部分时间船舶是处于不工作的状态，使得建造一艘纯粹的射流清淤船似乎不太经济。近年来，射流清淤船有了新的发展趋势，主要有以下两点:①规模朝着大型化的方向发展，主要考虑工作环境和射流泵的流量功率两个方面，传统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。随着配备的射流泵的流量功率逐步增加，射流船冲刷泥沙的颗粒大小也在增加;②射流清淤船的非专业化，如今疏浚公司更倾向于将射流设备集成在多功能疏浚作业辅助船或自己公司配置的拖轮上，见图9。

图9 两种最新的射流清淤船型

图9 a)为比利时疏浚公司DEME在2011年新建造的射流清淤船“Dhamra”，它是将射流装置安装在了已有的拖轮之上，船上配备的柴油机既可以满足喷射泵的工作要求，又可以为船舶推进提供动力，并且射流泵功率达到了2×600 kW，清淤深度也达到了22 m。

图9b)是该公司改装的多功能疏浚作业辅助船“Parakeet”，其射流泵功率为2×584 kW，清淤深度为25.7 m。它是集射流清淤，整平，顶推，拖带，油水供给，启、抛锚功能，起重作业等为一体的船舶，主要是辅助其它大型挖泥船工作，降低了成本。

因此，从经济性与功能性方面来看，射流疏浚可能将不再作为单一的船型出现，其发展趋势将是在多功能辅助船或已有的船舶上安装射流设备。

7 结论

射流清淤船属于非主力疏浚船型，相比于耙吸、绞吸、抓斗、链斗类挖泥船，其技术形态及装备相对比较简单，应用范围也相对比较狭小。但是在其它大型挖泥船无法工作的特定环境中(如深槽、深潭等)，射流清淤船体现了它的能耗少，成本低，操作简单，效率高等特点。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。为了扩大其应用范围，射流清淤船将不再作为一种单一的船型出现，而是将射流装置配备到多功能疏浚作业辅助船或者拖轮上，不仅可节约成本，也可解决应用范围狭小的缺陷。

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