小容量排泥场对挖泥船的施工影响

2016-04-08时培强曾凡虎张思蜜

山东水利 2016年5期

关键词：含泥量挖泥船库容

时培强，曾凡虎，张思蜜

（山东水利建设集团有限公司，山东济宁 272400）

小容量排泥场对挖泥船的施工影响

时培强，曾凡虎，张思蜜

（山东水利建设集团有限公司，山东济宁 272400）

本文介绍了挖泥船的有效运转工况，分析了排泥场容积对挖泥船作业的影响，提出了围堰排空延长连续工作时间的具体措施。

绞吸式挖泥船作业开挖平整，效率高，成本低，易管理。缺点是必须配备合适的排泥场，排泥场容积不足将极大影响挖泥船作业，致使施工中断，泥浆流失，污染和淤塞周边排水通道等问题。因此，制定施工方案时，必须综合考虑挖泥船、围堰等工况。

1　挖泥船有效运转工况

挖泥船排泥是借助高压高速水流的携带能力来实现的，而这种能力与流速和压力密切相关。一般来讲流速越快压力越高排泥越顺畅；同时消耗能量也多，经济性变差。挖泥船正常运行时压力和流速是相对稳定的，影响工作效率的主要在含泥量，含泥量变化范围较大，传统绞吸式挖泥船运行时含泥量约在8%至12%，显然后者是前者的1.5倍工效，此时油耗等指标是没有太大差别的。

在设备工况相似的前提下，许多因素会影响到泥浆浓度。如管线长度，扬程损失，操作人员技能等，会影响泥浆浓度；绞刀开挖采掘能力也会直接影响泥浆浓度，这些因素施工方可以通过管理和技术手段进行控制。而有些条件是施工方难以克服的，比如排泥场大小。如果容积太小，数小时内围堰充满，排水口不能及时腾出足够容积，施工将无法维持，挖泥船将不得不暂停施工。挖泥船开机需准备时间：预热设备，排空空气，绞刀下放；挖泥船停车时需要整理时间：绞刀抬起，泥浆排空，定位桩调整。这些过程中挖泥船是不能进行开挖作业的，是必要的无效时间。

2　排泥场容积对挖泥船作业的影响

以200 m3/h绞吸式挖泥船为例，泥浆浓度10%，泥泵流量2 000 m3/h，10 h排出2万m3泥浆。假如排泥场容量为4万m3，则20 h充满，理想状态下200 h工作完成。若设备最大含泥量12%，由于设备不可能连续作业，就会产生无效作业时间，假设无效时间为10%，则实际用时时间185 h，含泥量为10.8%；若无效时间为20%，则实际用时为208 h，实际含泥量为9.6%；若无效时间为30%，则实际用时为238 h，实际含泥量为8.4%；若无效时间为40%，则实际用时为278 h，实际含泥量为7.2%。无效运转时间并非完全无效，通常是准备时间，冲水时间，换桩时间等。一般情况下，运行中断时间越频繁，需要的辅助时间越多，油耗大，含泥量低，越不经济。

4万m3排泥场，20 h后充满后，退水流量迅速增加，假定2 h进水与出水平衡。出水量峰值达到2 000 m3，此时泥浆以最短路径排出，流速极快，几分钟就能通过围堰排出。流速快，除粗颗粒外，泥浆不会沉淀，时间短，也没有沉淀时间，泥浆几乎全部流失，这对于疏浚或吹填施工，是不允许的。因此，退水流量必须小于2 000 m3，施工中，出水流量会远低于进水流量，到达临界（出浑水）流量时必须停车。

把临界流量时水位与退水口高程差设为“壅高“，产生“壅高”的水体容积为临界库容，就能计算出此时的堰内水面面积。如临界库容3 000 m3，则0.3 m雍高水面积为3 000/0.3=10 000 m2；若壅高为0.3 m，实际围堰水面积6 000 m2，则实际临时库容只有1 800 m3。由于排水流量是以倒抛物线形式增长，则到达峰值流量前，退水量要小于进水量的一半。所以，到达峰值流量时间（少于）为：1 800/2 000*1.5=1.35 h；1.35 h入库水体积大于2 000*1.35=2 700 m3；1.35 h前，必须停车。

当水面积缩小3 000 m2时，同样雍高0.3 m则临时库容为900 m3。到达峰值流量时间（少于）为：900/2 000*1.5=0.675 h，即40.5 min，入库泥浆体积为2 000*0.675=1 350 m3。扣除开车前准备10 min及停车前整理10 min，有效运转时长只有20 min，无效时间占50%，基本上不能施工。若要施工，则必须先腾库容然后施工，水满即停，否则就有溃堰危险。

3　采用排空法延长连续工作时间

水满即停的施工模式按照0.3的“壅高”来计算，临界运行时长设为40 min，则最小水面积为：2 000*2/3/0.3=4 444 m2（按照0.2 m“壅高”计算则需面积为6 667 m2，即大约80 m*80 m）。退水口设计成可调型式。水流增大（出浑水）则加0.2 m高，持续增高1 m，堰容则增加4 444 m3可调堰容，这就能保障挖泥船3个小时的正常施工。

常规围堰堰高一般不超过3 m，排泥场面积20 000 m2时，最大堰容6万m3。保留1 m高程作为可调范围。可调库容能维持30 000 m3进水连续作业，约20 000 m3留在堰内，不到10 000 m3从退水口流出，能维持作业15 h。实际施工时，不会让退水流量到达极限流量，这样会造成较多土方流失，出口截面确定后，退水流量基本为恒定值，到达此流量应立即加高围堰出口降低流量，因此退水水量在施工中可增加的库容相对较小，平均流量要小于极限流量的1/2。假如可控流量为800 m3/h，则留库净流量为1 200 m3/h，20 000/1 200=16.7 h，可控流量16.7 h达到峰值。腾空库容操作水位1 m，20 000 m2水面可满足16.7 h连续作业。

排泥场面积10000m2以下，调控堰容1万m3，10 000/1 200=8.3 h，可控流量8.3 h达到峰值。腾空库容操作水位1 m，10 000 m2水面可满足挖泥船8.3 h连续作业。

排泥场面积5 000 m2以下，堰容5 000 m3，5 000/1 200=4.2 h，可控流量4.2 h达到峰值。腾空库容操作水位1 m，5 000 m2水面可满足4.2 h连续作业。按壅高0.2 m计算5 000*0.2/1200=0.83 h，此时临界出水为50 min，停车重启时长约20分，时间利用率为（50-20）/50=60%，泥浆流失严重，平均含泥量难以超过7%，极为不经济。

若要减少土方流失，退水口流量则要进一步减小，减低流速来减少退水携沙量。比如流量减少到400 m3/h，水面壅高0.1 m（退水量不足，泥浆沉淀后可加宽溢流面或增加退水口），那么围堰过流条件将改变：

排泥场面积20 000 m2，退水流量为400 m3/h，则留库流量为1 600 m3，20 000/1 600=12.5 h，腾空库容操作水位1 m，20 000 m2水面可满足12.5 h连续作业。

排泥场水面积10 000 m2，堰容1万m3，10 000/1 600=6.25 h，10000*0..1/1 600=0.625 h，满库后流量0.625 h（37.5 min）达到峰值（经济峰值）。腾空库容操作水位1 m，10 000 m2水面可满足6.25 h连续作业。

排泥场面积5 000 m2以下，堰容5 000 m3，溢流堰加高到顶点时，充满水后可调库容约2.5 h出水，保留退水，连续作业时长5 000/1 600=3.125 h，5 000*0.1/1 600=0.31 h，此时临界出水为18 min，停车重启时长约20 min，来不及挖土作业，围堰就饱和，开车就会流失土方，必须再次腾空库容。