齐峰

摘 要：耙吸船具有自航、自行作业的优点，可以在无其他设备配合下完成疏浚作业。应用广泛。为了进一步研究耙吸船装舱效率的影响因素，本文以广州港某进港航道为实例研究对象，结合实例工程的实际疏浚作业数据，分析满舱后装舱效率的影响因素。最后，结合实例工程在2019-2020年多组实测样本数据，得到了在不同进舱泥浆密度下，耙吸船装舱效率与流量大小的关系曲线。

关键词：耙吸船;疏浚作业;装舱效率;小波函数去糙

1 研究背景及实例工程概况

1.1 研究背景

航运是国际贸易的重要途径和运输手段，随着航运集中化、船舶大型化、装载高效化的趋势不断发展，对近海港口、航道的吃水要求越来越高。近海航道由于边界不固定，受到潮汐、洋流、风浪、内河河口排入等多重影响，海床演变复杂，深航槽不易稳定，航道普遍呈快速回淤状态，需要定期疏浚。在目前常用的疏浚类型中，耙吸船由于具有自航能力，且具备自行完成挖泥、运输、卸载等作业，是疏浚作业中常用的作业形式。基于耙吸船在疏浚业务中的高占有率，因此，加强对耙吸船施工数据的搜集、分析，研究耙吸船装舱效率的影响因素，对于优化耙吸船作业形式，提高生产效率具有十分重要的作用。

1.2 实例工程概况

广州港位于珠江三角洲地区的中心，是世界十大港之一;是整个南中国海上的海上运输中转枢纽和航运龙头港区。目前，广州港内包括有珠海、虎门、广州内港、新沙等9个港区。实例工程为广州港沙角和燕门之间的进港航道（伶仃航道），位于广州湾内。综合中山港进港航道外侧潜堤、南中国海与台湾海峡风浪及潮波影响，工程处洋流特点复杂，海床演变剧烈，长期需要进行疏浚处理。目前工程海域基本选择耙吸船作为疏浚作业方式（占区域疏浚次数的83.5%，占区域总疏浚量的65.9%）。

2 影响因子分析

2.1 与耙头挖掘能力相关的敏感因子

主动因素包括耙齿的类型、数量和角度等。对于实例工程中需要疏浚的海床淤泥，疏浚土的运输性能和装载效果主要由泥浆泵工作性能、泥浆回路布设特性等因素综合决定。在选择船型和设备时，耙吸船设备与疏浚作业效率有关的特性因子，包括诸如泥浆泵特性、耙头的尺寸、管路动力性能、泥浆罐设置区域、泥浆罐具体尺寸、装载形式（前、后、四角）、溢流装置，这些因子都有成熟的设计思路和固定搭配，不容易进行调整。其他的一些因素，比如土的性质、水温、土壤孔隙率、内摩擦角等因素则无法人为确定。

此时，影响储罐运输和装载的可控主动因素是疏浚总量、泥浆罐的总容积、泥浆泵工作效率、耙深、船体吃水和潮位，被动因素是泥浆泵真空度、泥浆浓度和流量。

2.2 与输送和装舱相关的敏感因子

根据以往实践经验，泥泵的工作能力、泥浆输送路径、输送管路孔径等因素是决定疏浚效率（包括装舱速率、泥浆输送速度）的核心因子。

在实例工程中，实际作业的耙吸船均是由施工单位进行定额配置;因此耙吸船的船机设备不容易进行调整。同时考虑到疏浚区域土质性能（比重、中值粒径、水温、土壤孔隙率、内摩擦角）都不受人为主观意愿决定。因此，主观可改变的敏感因子主要包括：疏浚总量、储泥舱的容量、泥浆浓度（被稀释程度）、泵的真空程度、潮位高低、泵的工作功率等等。

3 实测数据处理

3.1 时滞误差消除

根据耙吸船的作业原理，在耙头进行吸泥作业后，在被吸入的泥浆到达真空读数器安装位置处以后，真空读数器才能进行工作、读数。根据施工单位配置在实例工程区域各主要型号耙吸船的吸泥管路设计，管路长度和纵坡降有一定差异，吸入泥浆真空读数常常有12～25秒钟的延迟滞后。为进一步消除时间滞后对读数误差的影响，需要进行时滞误差消除处理，如图1所示。

3.2 傅里叶小波函数去糙

傅里叶小波函数去糙的核心思想是通过频率误差分析，去除由仪器自身噪声（频率振动）引起的读数影响。傅里叶小波函数去糙步骤如下：

（1）信号的小波分解。首先需要明确小波共有多少频数N;然后对N频小波进行分解。小波包分解算法即由求在子空间和中，即：

4 满舱后装舱效率的直接影响因素分析

根据以往工程经验，可把泥浆装舱细分成如下几个阶段。

在第一阶段，进入泥浆池的泥浆不会从泥浆池溢出，并且大部分挖出的疏浚土颗粒会沉淀在泥浆池中。第一阶段从耙头开始吸入泥浆作业开始，到吸入泥浆的液面曲线顶高程与溢流桶桶高相同。

当污泥的液位到达溢流表面时，溢流现象开始，装料过程进入第二阶段。淤泥池中沉淀了疏浚土颗粒，上泥中的小颗粒以悬浮、移动和层移动的形式悬浮或移动在舱中的泥面上。由于溢流桶内泥浆会持续进行沉淀，导致上部流态密度小，下部流态密度逐渐增大。同时后进入溢流桶的泥浆密度也将大于舱内上层泥浆的密度。进入船舱的泥浆流向溢流口，在时，大颗粒沉降。进入驾驶室的泥浆中的空气含量应尽可能小，以避免泥浆中气泡的垂直移动而妨碍沉积。泥浆流速也应在合理范围内尽可能低，以减少泥浆罐中泥浆流体的湍流，使更多的土壤颗粒沉降下来。因此在疏浚不易沉降的小颗粒（粒径小于0.1 mm，常以悬浮形式浮于溢流桶表面）时，舱装满后，有时尾随的抽吸船会使用单层装载。

在第三阶段中，泥浆流的形状改变，槽中的泥浆表面上升，并且泥浆流过泥浆表面的速度非常高。即使最大的疏浚土颗粒也难以沉降，并且淤泥的顶层也被清除，导致溢流损失急剧增加。从第二阶段到第三阶段的过渡取决于土壤侵蚀状态，细粒土的启动速度较低，因此细粒土的转化比粗粒土快，对于一些非常粗的颗粒，很少达到第三阶段。

相对溢流损失也与泥浆管中的泥浆流速成正相关，因为较大的流速会增加泥浆池中泥浆流场的湍流，而流动的水将携带更多的泥浆，沙土和泥浆罐泥浆池中的土壤体积曲线呈下降趋势。有时耙吸船疏浚一些细颗粒的土壤时，满罐后的单层施工比双耙施工更为有效。

在上述两个公式中。Q2可以根据溢流桶桶高（泥浆布满溢流桶后）、自由面高综合决定。由于在实际装舱过程中，溢流桶桶高不会改变，为了减小溢流损失，必须增大Q1和C1;并且尽可能减小C2。由于Q1和C2是正相关关系，Q1增大则C2必然跟着增大。因此，需要在Q1的增加和C2的下降之间找到最高效的平衡，该平衡点（曲线拐点）就是装舱效率的最优解。

因此，结合实例工程在2019-2020年多组实测样本数据，可以得到在不同进舱泥浆密度下，耙吸船装舱效率与流量大小的关系曲线，见下图。

5 结论

为进一步研究耙吸船装舱效率的影响因素，本文结合广州港的实际疏浚作业数据，首先筛选分析了与装舱效率有关的敏感因子，在此基础上，通过时滞误差消除和傅里叶小波函数去糙对数据进行了处理，进一步提高了实测数据的准确性，去除了仪器噪音干扰;最后，对满舱后装舱效率的直接影响因素进行了分析，结合实例工程在2019-2020年多组实测样本数据，得到了在不同进舱泥浆密度下，耙吸船装舱效率与流量大小的关系曲线。

参考文献：

[1]Peerlings P H J，Geers M G D，Borst R D，et al.A critical comparison of nonlocal and gradient-enhanced softening continua[J].international jourmal and structures，2014（38）：7723-7746.

[2]田俊峰，吳兴元，侯晓明，等.我国疏浚技术与装备“十五”、“十一五”十年发展回顾[J].水运工程，2015， 25（12）：93-97.