沉管隧道碎石基床清淤试验研究

PAGE37沉管隧道碎石基床清淤试验研究摘要：在采用先铺法进行沉管隧道施工时，碎石基床回淤、清淤问题是当前亟待解决的技术难题。在回淤问题无法避免的情况下，研发一套高精度、快速清淤系统，不仅是工程的迫切需求，同时对推广先铺法沉管隧道施工也具有重要意义。本文提出了两种清淤系统设计方案，通过试验验证了方案的可行性，并获得了最佳清淤方案。关键词：沉管隧道；先铺法；清淤系统ExperimentalStudyonDredgingofRubbleFoundationBedinImmersedTunnelfoundationAbstract:Theproblemofsiltationanddredgingofrubblefoundationbedisatechnicalproblemtobesolvedurgentlyintheconstructionofimmersedtunnelbypre-pavingmethod.Undertheunavoidablesituationofsiltationproblem,thedevelopmentofahigh-precisionandfastsiltremovalsystemisnotonlyanurgentneedoftheproject,butalsoofgreatsignificancetothepromotionoftheconstructionofimmersedtunnelbypre-pavingmethod.TwoschemesofDredgingsystemareputforwardinthispaper,andandthefeasibilityoftheschemesareverifiedthroughexperiments,andtheoptimumschemeofsiltremovalisobtained.Keywords:ImmersedTunnel;pre-paving;DredgingSystem1引言近年来，随着城际交通的快速发展，跨海、跨江等工程也随之增多，水下隧道的施工技术也得到迅速发展，其中沉管法是水下隧道主要的修建方法之一。自1910年美国铁路钢壳底特律河隧道工程首次采用沉管隧道施工工法修筑以来，目前国内外已建成约150座沉管隧道[1]。海底水文地质条件复杂，在采用沉管隧道施工工法修筑时，常常受气候、水文、地形、环境等条件约束，而遇到各种各样的工程问题。尤其在采用先铺法施工时，碎石基床回淤、清淤问题是当前亟待解决的技术难题，港珠澳大桥曾因碎石基床上出现严重的回淤现象，而使整个沉管隧道施工造成了很大影响。当回淤后碎石基床上的淤泥密度、淤泥厚度超过一定要求时，淤泥必须予以清除，否则碎石基床上淤积的淤泥将给工程带来极大的不稳定性，主要包括以下几点：（1）改变碎石基床的受力特性，进而影响基床结构的传力效果。（2）基床面大面积产生淤泥淤积后，会使沉管沉放时无法准确着床。（3）因淤积物的存在，影响已安装沉管的抗浮安全。在回淤问题无法避免的情况下，研发一套高精度、快速清淤系统，不仅是工程的迫切需求，同时对推广先铺法沉管隧道施工也具有重要意义。目前，常用的水下清淤方法如表1-1所示。表1-1清淤方法汇总表[1]清淤施工方法适用清淤条件对基床影响情况耙吸船连续清淤基槽清淤对基床破坏大，直接损坏铺设基床连续“行走式”漂浮清淤精度要求不高的抛填基床对基床破坏较大，会对已铺设基床造成局部破坏“盖章式”间歇清淤对基床扰动要求不高的抛填对基床破坏较大，会使得基床面出现局部压痕气举法清淤浅水回淤物和漂浮状态浮泥施工控制困难，清淤效果差，无法对基床淤积完全清除，且会对基床面造成影响上述几种方法或多或少均存在一些弊端，尤其是基床扰动、施工效率、清淤效果等问题，对工程施工有较大影响。本文通过近2年的试验研究及理论分析，设计研发了两套清淤系统，并验证了两套清淤系统的可行性。两套清淤系统分别为：预埋管道法清淤系统和柔性吸头耙吸式清淤系统。下面将分别对两套清淤系统的研发过程进行详细阐述。2预埋管道法清淤系统2.1提出背景在前期港珠澳大桥沉管隧道施工中，对于清淤施工采用了扰动、截淤坝等多种防淤措施及清淤方案，都存在不同程度的缺陷。深中通道工程预测水体含泥量较高，为了在不扰动碎石基床的前提下实现对淤泥的清除施工，使碎石基床上不形成淤积，研究提出了碎石下部铺设管路实现基床实时清淤的施工方法。由于该碎石基床清淤的施工方法为首次提出，对于该方法在施工中碎石基床底部埋设管道的间距、清淤孔的间距、清淤的效率、清淤泵的功率配备、清淤范围及效果等关键技术参数的确定，目前尚无可参考的实例及理论计算，需要通过试验获取，为该方案的设计及施工提供科学依据，试验地点选择在后海基地试验槽旁，见卫星地图2.1-1。试验槽见图2.1-2，其内净尺寸为长5.625m，宽4.8m，高3.3m。图2.1-1试验区域卫星地图图2.1-2试验槽2.2试验依据《基础总体施工组织设计》（按港珠澳大桥沉管隧道基础技术指标）；《沉管隧道基础施工图设计》；《GB/T14685-2011建筑用卵石和碎石》；其他现行国家标准和相关行业技术规范、标准、规程等。2.3清淤标准（1）按照《港珠澳主体工程隧道施工及质量验收标准》要求，碎石整平后、沉放前的回淤要求为：密度＞1.26g/cm³的回淤沉积物不超过4cm或密度＞1.15g/cm³的回淤沉积物厚度不超过8cm。（2）在（1）基础上尽可能将碎石层上淤泥全部清除，同时将清淤过程对基床的扰动降至最低。2.4清淤系统设计（1）清淤系统简介如图2.4-1所示，该系统包括清淤泵、流量计和清淤管。清淤动力由清淤泵工作产生负压提供。清淤管埋设于碎石层底部，清淤管上开有小孔。清淤时，淤泥通过小孔进入清淤管内，被清淤泵抽出。图中流量计用来实时监控清淤时流量变化。图2.4-1清淤系统示意图（2）清淤管道尺寸设计清淤管采用镀锌钢管，其上在一定间距下布设一定直径的孔眼，清淤管一端封死，一端连接清淤泵，如图2.4-2所示。图2.4-2清淤管清淤管上的孔眼直径不宜太大且间距不宜太小，否则清淤时管道内无法形成水动力。如根据试验槽尺寸，清淤管长度设计为H=4.6m长，直径D=110mm，按照孔直径d=10mm，上半部θ=45°布置，间距l=10cm，计算需要45排孔，即90个10mm孔，其过水断面积为0.007065m2，与主管道过水断面积接近，无法形成水动力。清淤管直径D，孔眼直径d，孔眼布置间距l，开孔角度θ等参数，需根据试验效果分析来获取。（3）清淤管道布设间距因沉管隧道管节对基础承载力的要求不高，目的是为了解决基槽开挖作业所造成的槽底不平整问题，确保沉管基础整体均匀、稳定[2]，故基床结构常常采用横向垄沟碎石基床，如图2.4-3所示。清淤管有两种布置方式：一种布置于垄中心处，另一种布置于垄沟中心处，见图2.4-3，需通过试验确定清淤管最佳布置位置及布置间距h。图2.4-3碎石基床2.5试验目的试验采用模型方法模拟不同条件下抽淤泥过程，从而确定出以下几点：（1）管道布设的间距；（2）清淤孔的间距；（3）清淤的效率；（4）清淤泵的功率配备；（5）清淤范围及效果；（6）清淤管直径对清淤效果的影响；（7）泥浆在无水条件下渗入碎石基床的深度及情况；（8）泥浆在有水条件下渗入碎石基床的深度及情况；（9）进行筛分试验得出级配情况；（10）得出碎石的空隙率情况；（11）碎石基床底部泥浆抽取的情况；（12）淤泥在水动力下的运动情况；（13）淤泥清除的运动情况。2.6试验数据采集（1）通过计时器，记录每次清淤完成时间。（2）通过流量计计算清淤时流量，同时可推算出清淤管孔眼处泥浆流速。（3）通过玻璃管观察孔三路实时视频，实时记录试验过程中的影像，记录淤泥清除的运动情况。2.7试验前准备试验（1）碎石级配筛分试验通过筛分试验确定本次试验采用的碎石级配情况。本次试验共称取试样13.457kg，试验完成后各筛的分计筛余量与筛底剩余量的总和为13.440kg，相差0.1%，满足规范要求。碎石筛分结果见表2.7-1。表2.7-1碎石级配筛孔直径（mm）筛上碎石质量（g）百分比（%）6300.05600.0454483.337.5214015.931.5335825.026.5467034.719260419.402201.6合计13440100（2）碎石的空隙率试验测出本次试验采用的碎石空隙率情况，为碎石纳於能力提供技术参考。碎石空隙率可由表观密度和堆积密度推导出。试验结果见表2.7-2。表2.7-2试验结果堆积密度ρL（kg/m3）表观密度ρ（kg/m3）空隙率νL（%）1458261844.3（3）密度为1.26g/cm3的泥浆在碎石有水状态下的渗透试验参考港珠澳大桥沉管隧道工程及深中通道沉管隧道工程相关资料，本次试验淤泥密度采用1.26g/cm3，如果密度为1.26g/cm3的泥浆可以渗入碎石底部，则清淤试验可以顺利抽取泥浆，如果无法渗入碎石底部，则清淤试验抽取的清水较多，无法实现顺利清淤。为验证1.26g/cm3泥浆在有水状态下能否渗入到1.3m厚碎石的底部，进行了以下试验。通过在观察筒内加入高度为130cm的级配碎石，并将水加至观察筒内与碎石面齐平，然后将搅拌至密度为1.26g/cm3的泥浆加至160cm处，见图2.7-1。图2.7-1碎石加水后及将泥浆加入完毕后的实景图泥浆加入后静止50min、24小时后状态见图2.7-2。图2.7-2泥浆加入后在有水状态下静止50min和24h后的状态由图可知，泥浆在有水（无水动力）情况下，主要集中在碎石层顶部，加入过程中会有小部分快速渗入碎石层底部，且淤泥颗粒处于悬浮状态，静置一端时间后，渗入底部的淤泥颗粒沉淀后吸附于附近碎石上，使得碎石层底部海水由浑浊变清，无法模拟深海碎石基床内回淤后的淤泥状态。（4）密度为1.26g/cm3的泥浆在碎石湿润后无水状态下的渗透试验通过在观察筒内加入湿润后的级配碎石，然后加入密度为1.26g/cm3的淤泥，如图2.7-3所示。通过试验可以看出泥浆在湿润碎石状态下可以顺利渗入碎石底部。图2.7-3纳於试验本次试验，碎石层高度为130cm，观察筒直径为30cm，淤泥添加至156cm处，淤泥用量为70.92kg。碎石层内纳入淤泥量为：70.92kg-3.14÷4×0.3×0.3×（1.56-1.30）m3×1260kg/m3=47.78kg，即0.038m3。碎石层体积：3.14÷4×0.3×0.3×1.3m3=0.092m3。该级配碎石在无水状态下每立方米可纳入的淤泥量为0.038÷0.092×100%=41.3%。碎石纳於率=每立方米纳於量÷空隙率=41.3%÷44.3%×100%=93.2%。即碎石孔隙内基本可全部纳入密度为1.26g/cm3的海泥。（5）小结通过上述试验分析，在进行清淤试验时，湿润的碎石层铺设完成后，先添加密度为1.26g/cm3的泥浆，再添加海水。2.8试验步骤（1）管道铺设。试验初步设计三种清淤管尺寸：1）1#管Φ=110mm，孔眼间距l=1m、孔眼直径d=10mm、上部呈θ=120°对称布设在1侧基础垄中间部位；2）2#管Φ=110mm，中间1个孔（孔眼直径d=10mm）布设在基槽垄沟中间部位；3）3#管Φ=60mm，孔眼间距l=1m、孔眼直径d=10mm、上部呈θ=120°对称布设在1侧基础垄中间部位。现场焊接见下图。图2.8-1清淤管道铺设（2）碎石筛洗。将碎石进行筛洗，清除杂质，保证碎石级配满足试验设计要求，见下图。图2.8-2碎石筛洗（3）观察筒放置。观察筒为Φ300mm透明PC管，其上标有刻度，见图2.8-3（a），在试验时，摄像头放置于观察筒内，用于观察试验过程中泥浆流动情况。摄像头绑扎于塔尺上，见图2.8-3（b），借助塔尺的可伸缩性，摄像头可自由上下位移。观察筒的放置位置见图2.8-3（c）。（a）观察筒（b）摄像头（c）摄像头布置位置（d）放置观察筒图2.8-3影像采集系统（4）碎石层铺设。利用装载机将碎石装至试验槽内，人工整平，中间垄沟由V型槽确定，两边垄沟由人工放坡。碎石层铺设完成后，再次进行注水冲洗，见图2.8-4。（a）碎石层铺设尺寸（b）铺设碎石层（c）碎石清洗图2.8-4碎石层铺设及清洗（5）泥浆搅拌。通过搅拌机将泥浆搅拌至密度为1.26g/cm3，见图2.8-5。图2.8-5泥浆搅拌（6）注入泥浆。通过泥浆泵从试验槽内一角注入泥浆至1.6m。图2.8-4碎石层铺设及清洗（7）注入海水。待泥浆加至高于碎石顶面30cm时，将塑料薄膜穿过限位管，铺盖在淤泥层上部，防止注水时影响淤泥层密度。海水通过花洒注入试验槽内，以减小海水对淤泥层的冲击，最终海水注入至3m处，并抽出塑料薄膜。图2.8-7注入海水（8）清淤试验。1）开启清淤泵，开始试验，试验期间，试验槽持续注入海水，保持试验槽内水位在3m刻度处。2）通过实时录像，根据淤泥面下降情况，调整摄像头位置，使得摄像头能够始终观察到泥面。3）每隔10min记录流量计读数。4）通过实时录像，观察到淤泥面处于停滞状态、不再下降时，记录时间。5）继续抽淤泥至抽出清水时，停止清淤泵，并停止试验槽上部注水，停止试验。通过摄像头观察碎石层内淤泥流动情况，根据实际情况确定何时继续试验。6）最终通过观察筒观察到泥面下降微小或者不降，且清淤泵抽出为清水时，停止试验槽上部注水，保持清淤泵继续工作，水全部抽出后，关闭清淤泵，记录淤泥在基础上的状态，并测量碎石垄基础上部淤泥密度。7）本组试验完成后，清理碎石内淤泥，准备下一组试验。2.9试验成果分析清淤试验共进行了7个阶段数十次试验，对清淤变化规律进行总结，从中提取11次典型的试验，根据试验数据进行试验结果分析。通过11次试验分别对比不同清淤管直径D，孔眼直径d，孔眼布置间距l，开孔角度θ、清淤管间距h等参数，对清淤效果的影响。2.9.1清淤管尺寸及清淤参数11次试验清淤管尺寸汇总表见表2.9-1。表2.9-1清淤管尺寸表序号清淤管直径（mm）孔眼直径（mm）孔眼布置孔眼布置间距（mm）开孔角度试验1110105排/每排2孔眼1000上部呈120°试验2110105排/每排2孔眼1000上部呈120°试验3110101排/2孔眼清淤管中间上部呈120°试验460105排/每排2孔眼1000上部呈120°试验5110101排/2孔眼清淤管中间上部呈120°试验6110202排/每排2孔眼1000上部呈120°试验7110202排/每排2孔眼1000水平呈180°试验8110105排/每排2孔眼1000水平呈180°试验9110109排/每排2孔眼500水平呈180°试验10110205排/每排2孔眼1000水平呈180°试验111102010排/每排2孔眼

（2根清淤管）1000水平呈180°注：试验前，试验1碎石层顶部淤泥平均密度为1.15g/cm3，其他试验密度为1.26g/cm3。2.9.2试验数据统计试验过程中，通过流量计可读取清淤管内淤泥平均流量，根据清淤管尺寸及孔眼尺寸可推算出清淤管内平均淤泥流速、孔眼处流速等。通过观察筒可观察到清淤完成后碎石基床顶层淤泥残留厚度，如图2.9-1所示，再根据有效清淤时间，可计算出清淤速率。图2.9-1清淤过程中泥浆面下降情况完成清淤后，将海水面降至泥面以上5cm和将海水面降至泥面以下，可观察到碎石基床上淤泥状态、清淤影响范围等，有如下几种清淤效果：碎石显露：表示清淤效果好，淤泥被清除干净，见图2.9-2；有明显网筛眼：表示孔眼多、分布面广，基床表面残留一定厚度淤泥，但满足清淤标准要求，见图2.9-3；无明显网筛眼：表示部分区域出现孔眼少，基床表面淤泥残留厚度较大，但满足清淤标准要求，见图2.9-4。图2.9-2碎石显露图2.9-3有明显网筛眼图2.9-4无明显网筛眼根据上述方法，将清淤过程中清淤参数进行统计，见表2.9-2表2.9-2清淤参数序号孔眼总横截面积（cm2）平均流量（m3/h）孔眼平均流速（m/s）清淤管横截面积（cm2）清淤管内流速（m/s）清淤速率（cm/min）碎石层表层淤泥残留厚度（cm）清淤效果描述试验17.8511.44.094.990.331.280碎石显露试验27.8511.49.094.990.260.402有明显网筛眼试验31.574.98.794.990.140.344无明显网筛眼试验47.856.42.328.260.630.172有明显网筛眼试验51.571.52.794.990.040.252无明显网筛眼试验612.565.71.394.990.170.213无明显网筛眼试验712.566.91.594.990.200.183有明显网筛眼试验87.859.63.494.990.280.352有明显网筛眼试验914.1315.83.194.990.460.623无明显网筛眼试验1031.4前期252.294.990.730.534无明显网筛眼后期211.90.61试验1162.7前期281.294.990.820.614无明显网筛眼后期210.90.612.9.3清淤机理通过对试验现象分析，得出本系统清淤过程机理如下：（1）清淤开始时，清淤管附近逐渐形成清淤通道，并向上发展，随着淤泥沿着清淤通道被抽出，碎石垄上部泥面逐渐下降，见图2.9-5。图2.9-5清淤通道形成前期（2）清淤通道向上发展至碎石垄顶层，泥浆继续被抽出，泥面继续下降。当泥面下降至距离碎石垄顶层0~5cm（因试验条件不同而不同）时，由于淤泥与碎石之间作用力的存在，使得淤泥附着于碎石上，上部海水与清淤通道贯通，继续清淤则主要将上部海水抽出，而泥浆面不再下降，从而使得抽出的泥浆逐渐变清，密度降低，最终抽出为清水。图2.9-6清淤通道形成后期2.9.4试验成果分析（1）淤泥密度对清淤效果的影响。试验1碎石层顶部淤泥平均密度为1.15g/cm3，试验完成后，淤泥面可降至碎石层以下，且碎石裸露明显，清淤效果好。而其他试验碎石层顶部淤泥平均密度为1.26g/cm3，试验完成后，碎石基床表层或多或少都有淤泥淤积现象，淤泥残留厚度在1~4cm之间不等。当淤泥密度＜1.15g/cm3时，通过本清淤系统，可非常好的完成清淤工作。（2）清淤管直径对清淤效果的影响通过试验2和试验4对比分析，两种清淤管直径（Φ110mm和Φ60mm）完成清淤，所能达到的清淤效果基本相同，碎石层顶部均存在2mm后的残留淤泥，且均有大量孔眼存在。但直径越小，清淤时清淤管内所能达到的最大流量越小，清淤速率明显降低，故采用大直径清淤管清淤效率较高。（3）孔眼间距对清淤效果的影响试验2孔眼间距1000mm，即5排孔眼、每排2孔眼，试验3孔眼布置于清淤管中间，即1排孔眼、2孔眼。根据试验数据可知，试验3孔眼数量少，导致清淤时清淤管内所能达到的最大流量小，清淤速率明显相差较小，但清淤完成后，清淤通道主要集中在清淤管附近，碎石层顶面无明显网筛眼，且离清淤管较近处残留淤泥厚度为2cm左右，而较远处碎石垄上，淤泥厚度可达4cm，而多排眼清淤管效果较好，清淤通道可延伸至周边碎石垄。（4）清淤管内流量、孔眼直径对清淤效果的影响相同条件下，清淤管的流量越大，清淤管孔眼处流速越大。试验2中流量为试验3的3.3倍，试验2中流速达到了8.7m/s，而试验3中流速仅为2.7m/s，在较大流速作用下，清淤通道快速形成，虽清淤速率提高了，但淤泥残留厚度增大，清淤效果差。试验8试验中孔眼直径为10mm，试验10中孔眼直径为20mm，孔眼直径影响着流量及孔眼处流速的大小，试验8中清淤管流量为9.6m3/h、孔眼处流速为3.4m/s，而试验10分别为23m3/h、2.2m/s，由试验结果可知，试验10清淤效果较差，碎石层顶面无明显网筛眼，且淤泥残留厚度达到4cm，结合试验2、试验5结果分析，当孔眼直径为10mm、流速在2.7~3.4m/s范围内，清淤效果最好。（5）孔眼开孔角度对清淤效果的影响通过试验6和试验7对比分析，当开孔角度为180°时，清淤影响范围较开孔角度为120°时大，如图2.9-6~7，当开孔角度为120°时，网筛眼主要集中在清淤管上部碎石垄，而当开孔角度为180°时，网筛眼不仅集中在清淤管上部碎石垄1.8m宽度范围内，相邻碎石垄上也有大量网筛眼。图2.9-7开孔角度为120°时形成的清淤通道图2.9-8开孔角度为180°时形成的清淤通道2.10小结（1）根据试验现象及数据分析获得清淤过程如下图所示：清淤开始时，清淤管附近逐渐形成清淤通道，并向上发展，随着泥浆沿着清淤通道被抽出，碎石垄上部泥浆面逐渐下降；清淤通道向上发展至碎石垄顶层，泥浆继续被抽出，泥面继续下降；当泥面下降至距离碎石垄顶面0~5cm（因试验条件的不同而不同）时，由于淤泥与碎石之间作用力的存在，使得淤泥附着于碎石垄上，上部海水与清淤通道贯通；继续清淤则主要将上部海水抽出，泥面不再下降，从而使抽出的泥浆逐渐变清，密度降低，最终抽出清水。（2）本方案将清淤管埋设于碎石层底部，故清淤时不会对碎石层产生扰动。（3）密度＜1.15g/cm3的淤泥也被完全清除干净。（4）清淤管直径采用110mm、孔眼直径采用10mm、孔眼间距按照1000mm间距布置、孔眼开孔角度为180°、流速控制在2.7~3.4m/s范围内时，所达到的清淤效果最好。（5）虽然利用本系统清淤未能将密度为1.26g/cm3的淤泥完全清除干净，但残留淤泥厚度已满足沉管安放要求。3柔性吸头耙吸式清淤系统3.1提出背景预埋管道法清淤在淤泥密度较大时，无法将碎石层顶部淤泥清除非常干净，但可以将泥浆厚度降至合理范围内，从而不影响沉管安放。为达到将碎石层顶部淤泥清除干净的效果，提出一种“柔性软管吸头”水下清淤装置，该装置通过“柔性软管吸头”将基床表面的淤泥吸走，通过对吸头处吸泥孔处流速的控制，保证对碎石基床不产生扰动，对于清淤孔的间距、清淤的效率、清淤泵的功率配备、清淤范围及效果等关键技术参数需要通过试验获取及验证，为方案的设计优化及施工提供科学依据，并为漂浮式清淤船的进一步开发提供依据，试验地点选择在后海基地试验槽旁。3.2试验目的通过物理模型试验验证“柔性软管吸头”水下清淤装置设计方案的可行性，为进一步清淤船的设计研发提供依据，需得出以下几点试验结果：（1）验证“柔性软管吸头”对于碎石基床是否有干扰；（2）验证清淤装置对于回淤淤泥的清淤效果；（3）验证清淤装置的清淤效率。3.3试验依据（1）《沉管隧道基础施工图设计》；（2）《GB/T14685-2011建筑用卵石和碎石》（3）其他现行国家标准和相关行业技术规范、标准、规程等。3.4清淤标准（1）按照《港珠澳主体工程隧道施工及质量验收标准》要求，碎石整平后、沉放前的回淤要求为：密度＞1.26g/cm³的回淤沉积物不超过4cm或密度＞1.15g/cm³的回淤沉积物厚度不超过8cm。（2）在（1）基础上尽可能将碎石层上淤泥全部清除，同时将清淤过程对基床的扰动降至最低。3.5清淤系统设计3.5.1清淤系统简介如图3.5-1~2所示，该清淤系统包括清淤吸头、竖向清淤管、清淤泵及清淤导轨。清淤泵连接流量计，再通过Φ110mm的连接软管与Φ110mm的镀锌钢管相接，钢管底部连接一排柔性软管吸头。整个清淤装置可沿轨道方向移动。清淤动力由清淤泵工作产生负压提供，柔性软管吸头置于碎石层顶，清淤时，通过连续移动清淤管，将碎石层顶部淤泥通过柔性软管吸头吸入清淤管，最终被排除。图3.5-1清淤系统示意图图3.5-2清淤系统效果图3.5.2清淤管道设计“柔性软管吸头”水下清淤装置分为垂直主管、过渡段、底部水平管、底部软管，设计方案图如下所示：图3.5-3柔性软管吸头水下清淤装置（1）相关理论计算泵特性曲线上的每一点都是一个工况，对应一组参数（扬程H，流量Q，压力P，效率η，汽蚀余量NPSH），泵运转时在特性曲线上哪一点工作是由泵特性曲线和装置特性曲线共同决定的。把单位重量液体从吸水池液面送到排水水池液面所需要的能量称为装置扬程Hz其值由几何高度ha（位能）、压力差（pt-pc）/ρg（压能）和整个装置管路系统（泵本身除外）的水力损失Σh三部分组成。式3-1水力损失Σh为沿程损失和局部损失之和式3-2其中，λ—摩擦系数，m；L—管道长度，m;d—管道内径,m；v—管内流速,m/s；g—重力加速度,m/s2；ξ—局部阻力系数；吸入液面到排出液面的几何高度ha又称为实扬程或净扬程。由能量观点知系统的实际工作点就是泥泵流量Q～扬程H特性曲线与排泥管路流量Q～耗用水头H1特性曲线的交点位置，将ZW100-100-20污水泵的Q～H特性曲线与本设计方案中几种不同软管形式的Q～H1曲绘制在同一个曲线图中，得出工作点（如下图所示）。图3.5-4泵特性曲线与管道特性特性曲线将上图得出的数据与试验数据进行对比分析，如下表所示：根据式3-1和式3-2计算得到不同的吸头设计形式理论总流量和单管内的流速，见表3.5-1。表3.5-1理论总流量和单管内的流速吸头形式软管数量（根）软管内径（mm）管中心间距（m）理论总流量(m3/h)理论软管流量(m3/h)理论软管流速(m/s)38根4分管（内径11mm）38.0011.000.0567.001.765.1510根6分管（内径16.5mm）10.0016.500.1541.004.105.3319根6分管（内径16.5mm）19.0016.500.1079.004.165.4013根橡胶软管（内径25mm）13.0025.000.151007.694.3519根橡胶管（内径25mm）19.0025.000.001005.262.8815根波纹管（内径28mm）15.0028.000.101006.673.0110根波纹管（内径38mm）10.0038.000.1010010.002.454根波纹管（内径45mm）4.0045.000.1010025.004.3710根波纹管（内径45mm）10.0045.000.1010010.001.7515根波纹管（内径45mm）15.0045.000.101006.671.16备注：试验用离心泵100m3/h抽清水时对应扬程20m，抽淤泥时对应扬程15.9m。理论分析结果受管路阻力系数的影响较大，目前查阅的文献中未找到多管吸头设计形式的阻力系数，只能近似选取。（2）软管长度及水平管距离基床初始高度分析软管长度及吸头水平管距离基床初始高度与软管的特性有关，涉及软管的弯曲半径、垂荡高度等参数，属于多种因素综合影响的结果，所以对这两个参数的影响采用试验方法取得，试验采用不同的软管长度及吸头距离基床的高度，然后根据对基床的影响获得最佳的取值，本次试验选取的是内径45mm，壁厚2mm的钢丝波纹软管。A．试验条件：1）钢丝波纹管型号为内径45mm，壁厚2mm；2）长度分别设定为0.75m、0.9m、1m、1.2m。3）数量：4根。图3.5-5试验现场B．试验步骤：1）首先将吸头缓慢下降至初始设计最低位，此时吸头底部水平管底端距离基床面（试验时采用硬木板模拟）20cm；2）按照间隔20cm提升吸头，然后分别测量吸头软管滤网前端距离水平管水平距离L1、软管与基床水平接触距离L2、前端滤网距离基床面平均高度h、滤网端部水平移动距离L3；3）根据数据，结合船舶摇荡时的实际情况，分析得到最佳软管长度及吸头初始高度。图3.5-6测量数据示意图图3.5-70.9m软管长度且水平管距离基床20cm图3.5-80.9m软管长度且水平管距离基床60cm图3.5-90.9m软管长度且水平管距离基床90cmC．试验结果见下表：表3.5-2试验结果软管长度（不含10cm滤网）（m）水平管底端距离基床表面高度H（cm）滤网前端距离水平管水平距离L1（cm）软管与基床水平接触距离L2（cm）前端滤网距离基床面平均高度h（cm）前端滤网距离初始位置水平距离L3（cm）0.752178.5593.600.004178.5272.400.0061滤网最前端着地0.000.919.296772.730.0039.288482.750.0059.276100.800.006968滤网最前端着地0.001.3880.259滤网最前端着地0.0010.6390.247滤网最前端着地0.0020.25120.4107.586.52.780.0040.496552.650.0060.285322.300.0081.569滤网最前端着地0.000.001.241.593752.650.0062.593482.630.00根据试验结果分析：1）软管长度0.75m时能适应40cm的垂荡范围，但是最低点时软管弯曲较大，且滤网端部上翘；2）软管长度0.9m时能够在20cm-90cm范围内的垂荡范围（40cm-90cm范围内），但是在距离基床20cm时与基床接触长度达到77cm，且滤网端部上翘，大于90cm时滤网水平移动距离大于20cm，当软管重新下降时会有不利影响，所以初始设定底部水平管距离基床表面60cm，然后在35-85范围内垂荡，能够满足50cm的垂荡范围；3）软管长度大于0.9m（1m，1.2m）时，能够满足垂荡范围大于50cm，但是底部水平管距离基床40cm时，软管与基床的接触达到55cm，且软管越长接触越大，不利于吸头拖拉，结合实际工程应用工况，软管长度大于0.9m已无必要。综上所述，满足50cm垂荡范围时，DN45mm吸头钢丝波纹软管长度取0.9m，初始定位时吸头底端（不含软管）距离基床表面60cm。3.6基床扰动试验工程中进行清淤作业时不允许清淤装置破坏已经整平好的碎石基床，所以设计清淤装置时需要验证“柔性软管吸头”对于碎石基床是否有干扰，本次试验共进行以下两部分内容：（1）当船舶垂荡时与基床接触的吸头部分对基床的压力试验；本试验通过测力计测量不同垂荡工况下的吸头碎石基床表面产生的压力值，通过对基床设计值进行对比，验证压力是否处在允许范围内，若超出允许压力值则需要通过吸头位置增加浮力降低吸头对基床的压力。（2）当船舶摇荡以及清淤装置行走时吸头部分对基床是否有干扰本试验通过人工模拟船舶运动，然后采集吸头位置的影像资料，直观观察吸头对碎石基床是否存在干扰，具体的试验内容包括：1）模拟船舶垂荡，通过测量及摄像记录吸头对碎石基床的影响；2）模拟船舶纵荡，通过测量及摄像记录吸头对碎石基床的影响；3）模拟船舶横荡，通过测量及摄像记录吸头对碎石基床的影响。3.6.1吸头软管对基床的压力试验本次试验是为了获取吸头软管对基床的压力，试验采用的是拉力传感器，本次试验内径45mm的钢丝波纹软管长度0.9m，试验时通过设定不同的底部水品管高度模拟垂荡，然后通过拉力计测量软管对于基床的压力。图3.6-1吸头软管对于基床压力试验图3.6-2与基床接触相切位置拉力试验结果见下表：表3.6-1试验结果软管长度（不含10cm滤网）（m）水平管底端距离基床表面高度H（cm）滤网根部拉力（N）与基床接触长度中间位置拉力（N）与基床接触相切位置拉力（N）0.919.22039.36639.230.24//59.226.81//6923.6//80.219.6//90.213.9//结果分析：（1）滤网根部最大拉力值30.24N，随着底部水平管与基床表面高度越来越大，软管对于基床的压力越来越小；（2）软管与基床接触时，越靠近吸头位置压力越小，相切位置压力达到66N。3.6.2当船舶摇荡以及清淤装置行走时吸头部分对基床是否有干扰试验采用后海基地试验槽，吸头形式如下所示：图3.6-3整体结构示意图试验步骤：（1）改造“1m长10根孔径45mm”吸头，按照图3.6-4、5所示尺寸，垂直段采用1寸水煤气管进行连接，长度2.5m，顶部焊接5cm长孔径50mm的管作为吊环，底部软管采用1m长内径45mm的波纹管（带过滤网）；图3.6-4吸头改造后尺寸（2）采用6m长横杠穿过顶部吊环，两位工人站在试验槽两侧抬横杠，如图3.6-5所示；图3.6-5横杠尺寸（3）根据试验内容，按照下述运动方向模拟船舶不同的运动状态，如图3.6-6~8所示。3.6-6模拟船舶垂荡运动图3.6-7模拟船舶纵荡运动图3.6-8模拟船舶横荡运动垂荡，横荡，纵荡运动范围为0.5m（初步设计值）。通过试验效果可知，当清淤装置行走时吸头部分会对基床产生一些扰动，但只是个别碎石出现翘起或翻滚现象，大部分碎石不会发生位移。3.7清淤试验步骤根据本次试验方案的目的，现制定具体试验步骤如下：图3.7-1试验流程图（1）碎石基床铺设。利用装载机将碎石装至试验槽内，人工整平，中间垄沟由V型槽确定，两边垄沟由人工放坡。碎石层铺设完成后，使用油漆对特征位置进行标注，以便试验后检查基床扰动情况。碎石基床铺设尺寸见图3.7-2。图3.7-2碎石层铺设尺寸（2）泥浆搅拌及密度测试。提前将泥浆加入至泥浆池内进行泥浆搅拌，搅拌过程中通过泥浆比重计及时测量泥浆密度，直至泥浆密度达到1.26g/cm3时，停止搅拌，准备向试验槽内注入泥浆。通过泥浆泵从试验槽一端内注入泥浆至0.15m，添加泥浆过程中注意避免扰动基床，并进行视频采集。（3）注入海水。试验槽一半铺设碎石层，另一半埋设补水管（见图3.7-3），补水管采用直径75mmPVC管道，共铺设两条，每条长度5.3m，间隔10cm打孔，孔直径15mm，单根管开三排孔，然后用石料将补水管道覆盖，避免补水过程中形成较大水流冲击淤泥层，最终海水注入至水深2m处停止注水。图3.7-3补水管布置（4）清淤试验。清淤过程示意图如图3.7-4所示。（a）侧立图（b）俯视图图3.7-4清淤过程示意图根据试验效果，清淤装置的移动方式由卷扬机移动更改为人工移动，每次移动10cm，移动一次之后直至出水口水质变清后移至下一位置，如图3.7-5~6所示。清淤过程期间，持续补水，保持上部海水深度不变。图3.7-5抽出淤泥图3.7-6抽出清水当清淤装置移至最后一个位置之后，停止补水，继续开启清淤泵清淤，将水排出至距离基床约3cm，查看清淤残留情况，见图3.7-7。图3.7-7清淤后淤泥残留情况一组试验完成后，清理碎石内淤泥，准备下一组试验。3.8试验成果分析清淤试验共进行了29次试验，分别验证了不同底部吸泥软管的内径、数量、间距、移动速度及淤泥厚度对于清淤效果的影响。3.8.1不同管径对清淤效果的影响淤泥搅拌至1.26g/cm3后加入试验槽，淤泥厚度15cm，加海水至水深2m后进行清淤试验，淤泥层分为添加后不经过沉淀和添加后经过沉淀14小时两种情况。本次试验设置管中心间距均为0.1m，通过改变软管内径和数量造成实际软管流量、流速不同，达到如下几种清淤效果如下。碎石显露：表示清淤效果好淤泥基本清除干净，见图3.8-1；有明显垄沟：表示基床与吸头接触的部位碎石显露，相邻两软管之间存在垄沟，见图3.8-2；有较多残留：表示基床表面残留一定厚度淤泥，碎石未显露，见图3.8-3。图3.8-1碎石显露图3.8-2有明显垄沟图3.8-3有较多残留试验结果统计见表3.8-1~2。表3.8-1淤泥添加后不经过沉淀序号软管内径（mm）软管数量（根）管中心间距（m）理论总流量(m3/h)实际总流量(m3/h)实际软管流量(m3/h)实际软管流速(m/s)吸头移动速度（m/min）清淤效果116.519.000.107970.003.684.790.1碎石显露22519.000.1010085.004.472.530.1碎石显露33810.000.10100100.0010.002.450.1碎石显露4454.000.1010080.0020.003.490.1碎石显露54510.000.10100100.0010.001.750.1碎石显露64515.000.10100100.006.671.160.1有较多残留表3.8-2淤泥添加后沉淀14h序号软管内径（mm）软管数量（根）管中心间距（m）理论总流量(m3/h)实际总流量(m3/h)实际软管流量(m3/h)实际软管流速(m/s)吸头移动速度(m/min)清淤效果12519.000.1010085.004.472.530.10有明显垄沟23810.000.10100100.0010.002.450.10有明显垄沟34510.000.10100100.0010.001.750.10有明显垄沟44515.000.10100100.006.671.160.10有较多残留52815.000.10100100.006.673.010.10碎石显露结果分析：1）不经过沉淀的淤泥清淤效果好，经过沉淀14小时后的淤泥清淤效果显示有残余垄沟存在，垄沟高度约2-3cm；2）表3.8-1显示，相同的管径，当数量增加到一定程度，会导致单根软管的流量流速下降，会使清淤效果变差；3）表3.8-2显示，相同的管的数量，减小管的直径会使单根管的流速增加，会使清淤效果变好。3.8.2不同软管中心间距对清淤效果的影响通过对相同管径的软管设置不同的管中心间距，验证单根软管的影响范围，本次试验淤泥不经过沉淀。试验结果见表3.8-3。表3.8-3试验结果序号软管内径（mm）软管数量（根）管中心间距（m）理论总流量(m3/h)实际总流量(m3/h)实际软管流量(m3/h)实际软管流速(m/s)吸头移动速度(m/min)清淤效果116.5010.000.1541.0045.004.505.850.10有较多残留216.5019.000.1079.0070.003.684.790.10碎石显露325.0013.000.15100.0065.005.002.730.10有明显垄沟425.0019.000.10100.0085.004.472.530.10碎石显露结果分析：1）加大软管中心间距使清淤效果变差；2）管中心间距0.15m时，内径25mm的软管比内径16.5mm的清淤效果好，因为管径增大减小了相邻两管之间的净间距。3.8.3不同清淤装置移动速度对清淤效果的影响以4根内径45mm软管进行试验，验证移动速度的影响，试验结果见表3.8-4。表3.8-4试验结果序号软管内径（mm）软管数量（根）管中心间距（m）理论总流量(m3/h)实际总流量(m3/h)实际软管流量(m3/h)实际软管流速(m/s)淤泥吸头移动速度(m/min)清淤效果备注14540.110080203.49无沉淀0.2碎石显露/2无沉淀0.4碎石显露/3无沉淀0.6碎石显露/4无沉淀1.2部分碎石显露/54540.110080203.49沉淀14h0.1碎石显露/6沉淀14h0.2有明显垄沟/7沉淀14h0.4碎石显露加板刷8沉淀14h0.6有较多残留加板刷9沉淀14h1.2有较多残留加板刷结果分析：1）随着移动速度的增大清淤效果变差；2）当单管流量达到20m3/h，软管流速为3.49m/s时，对于无沉淀的淤泥清淤移动速度能够达到0.6m/min；3）对于沉淀14小时后的淤泥，增加板刷后移动速度能够达到0.4m/min。综上所述，清淤效果与单软管流量和流速有直接关系，对于沉淀14h的淤泥，当清淤效率达到0.4m/min，管中心间距0.1m时，单软管实际流量应达到20m3/h，同时单软管流速应达到3.5m/s能够取得较好效果。3.8.4搭接分析对三次典型试验（见图3.8-4）清淤完成后清淤边界进行分析，清淤后两侧未受影响的淤泥在排水后产生塌落，根据测量塌落范围小于30cm，同时有水的情况塌落范围要小于排水后，所以根据试验结果制定清淤时吸头纵向搭接长度为30cm。图3.8-4清淤边界3.8.5效率分析图3.8-5碎石基床布置尺寸（1）耙吸式设计方案平均移动速度为0.6m/min，吸头单次清淤宽度为3.3m（搭接0.3m），一个船位所需时间为42/0.6/60*25.