射流挖泥技术在小浪底水库清淤中的应用

射流挖泥技术在小浪底水库清淤中的应用 射流挖泥技术在小浪底水库清淤中的应用 陆宏圻, 陆东宏, 陆双钢, (,(武汉大学动力与机械学院 武汉,,,,,,; ,(双宏(武汉、广州)工程技术发展有限公司 武汉,,,,,,) 摘要射流装置及挖泥船具有结构简单、工作可靠、耐磨损、不受水深限制等优点。根据国 内外工程实践经验，提出了小浪底水库射流扰动及驱赶清淤方案。通过理论计算及分析表 明，当凋水量为,,亿,,,,，流量为, ,,, ,,,,,时，对不同的含沙量,,,,, ,,,,,，射流船每年 的清淤能力分别为,(,,,亿,,(,,,亿,,泥沙，单位能耗,(,,,,,,(,,, ,,?,,,泥，单位 清淤成本为,(,,,,,(,,元,,,泥。该方案技术可行，经济指标合理。 关键词 射流扰动挖泥船水库清淤,国内外概况 射流式挖泥装置及挖泥船具有结构简单、水下无转动部件、工作可靠、耐磨损、不受水深限制等优点。国内外均研制了不同型式的射流挖泥装置及挖泥船。 美国:,,,,年格劳公司利用射流泵增加挖泥船离心式泥泵的吸程，在南部各州中开挖砂砾石河床，它的单位能耗较一般的吸扬式挖泥船降低,,,。,,,,年，(让德(，(,,,,,)设计了一套从海底取沙的射流泵系统，对新泽西州的格德海滩进行整治，其采沙成本降低,,,。,,,,年美国陆军工程兵团和海湾海洋,,,,,,,,公司在路易斯安那的新奥尔良进行了水力冲沙船试验。 英国:建造了射流式挖泥船，为北海大陆架石油开采、海港疏浚和采矿工程服务。英国格林一波劳汀公司产的,型系列射流泵(,个品种)可用于排泥沙。英国,，,,,,,,公司研制了,,,,,,水力冲沙船。 荷兰:,,,,年,,,,,, ,,,,,,公司按水射流扰动方式，研制了“,,,,,,号”水力冲沙船，用于港口清淤。 日本:,,,,年代建造了“亚洲一号”及“飞龟号”射流式挖泥船，用以挖取海沙，进行填海造地。 苏联:在乌拉尔河裁弯取直工程引河开挖中，使用了射流泥浆装置，其生产能力为, ,,,,, ,,, ,,,,。它与其他施工机械相比，平均每立方米土的开挖成本降低,,,。 中国:陆宏圻教授于,,世纪,,年代主持设计研制,,,型系列射流式挖泥船。它们的性能如表,所示。经过多年的系统研究，建立了液固两相流喷射冲吸泥系统设计理论，掌握了冲吸式射流挖泥船的关键设计制造技术及运行经验。,,,型冲吸式射流挖泥船于,,,,年通过广东省科委主持的省部级鉴定，,,,,年被国家科委等五委评为国家级新产 ,, ? ?品，已分别在广东省、湖北省及菲律宾宾加水库等地投人生产。,,,型冲吸式射流挖泥船是一种具有自航能力、多功能冲吸泥沙工程船，船体形式为钢结构、单底全甲板、横骨架式。全船设备由喷射冲吸泥系统、轮机系统、航行及系泊系统及其他辅助设备组成。喷射冲吸泥系统是该型工程船的主要设备。它由离心式工作水泵,、离心式泥浆泵,、射流式泥浆泵,、冲沙喷头,、工作水管,、排泥管,及闸阀,等组成，工作原理如图,所示。,,,型冲吸式射流挖泥船适用于水下采沙、航道及港口疏浚、水库清淤、吹填造地等工程。它分为两个系列六个型号，,,,一,系列主要用于水下采沙及短距离输泥，,,,，”一,系列适用于疏浚和长距离水上及水下输泥。该型船与国内外同类型射流式挖泥船相比，具有功能多、水下开挖深度大、排距远、排高大、排泥浓度高等特点，它可以在水下对泥沙进行冲动及水下驱赶，单位产量大及能耗低。该技术属国内首创，部分技术指标达到国际先进水平。 表, ,,,型射流式挖泥船,陛能 生产能力 水下挖深 排距 排高 功率 型号 投产时间 (,,,,) (,) (，,，) (，,，) (,,) 浚川一号 ,,, ,, ,,,, ,,, , ,,, ,,,,正 冲沙一号 ,,,——,,, ,,,, ,, , ,,, ,,,,正 冲沙二号 ,,,——,,, ,,,, ,, , ,,, ,,,,拄 吹泥一号 ,,,——,,, ,,,,, ,, , , ,,, ,,,,扭 长佳号 ,,,——,,, ,,,,, , ,,,,, ,,, ,, ,,, ,,,,盈 满阳,号 ,,,——,,, ,,,,, ,, , ,,, ,,,,拄 满阳,号 ,,,——,,, ,,,,, ,, , ,,, ,,,,焦 ,,，, 图,工作原理图,喷射冲吸泥设计理论 喷射冲吸泥设计理论包括冲泥系统理论及射流泥浆泵设计理论两部分。冲泥系统理论包括:喷射头喷嘴射流速度分布计算方程，冲刷量计算方程。射流泥浆泵设计理论包括:射流泵的基本性能方程，射流泵的最优参数方程，射流泵气蚀性能方程，装置性能方程。 ? ,, ? 它主要研究射流式挖泥船喷射冲吸头系统在离海(河)床不同距离、角度及移动速度、开挖深度、排距及排高等条件下，泥浆浓度变化规律以及生产能力。它是射流式挖泥船设计的理论基础。,工程设计及应用简况,(, 菲律宾宾加水库清淤工程,(,(,基本情况 水库最大库容,(,,亿,,，死库容,(,,亿，,,,，有效库容,(,,亿,,。河流含沙量,,,,,, ,,,,,，泥沙平均粒径,?,,(,, ，,，,,，。,,,,,,,,,年(,,年)总淤积量,(,,亿,,，年均泥沙淤积量为,(,,亿,,。 用冲吸式射流挖泥船进行机械清淤，将泥沙分别送到上游拦沙坝，及通过排沙洞排到下游洼地。设计制造,艘,,,型冲吸式射流挖泥船，年挖泥量为,,,万,,。,(,(,冲吸式射流挖泥船(长佳号)主要技术指标 船体结构为钢质、单底、全甲板、横骨架式结构。总长,, ,，型深,(, ,，型宽,(, ,，吃水,(, ,，最大排水量,,, ,。航速,(,,,(,节。水下最大挖深,, ,，挖泥量,,,,,,,，水平输送距离, ,,, ,，垂直输送高度,,,,, ,，水下最大冲沙能力, ,,, ，,,,,,，水平冲沙距离,,, ,。全船装机总功率, ,,, ,,，实用功率,,, ,,。,(,上海洋山港吹填工程,(,(, 概述 洋山港区一期工程位于小洋山岛南侧，建设,个集装箱船泊位，码头总长, ,,, ,。洋山港填海工程沙源区平均水深,,(, ,，沙层底面深度在,,,,, ,，沙源区距吹填区约,,海里，沙源大部分为沙质粉土，由于沙质含黏土多，板结情况严重，俗称铁板沙，需用高压冲水破土。,(,(,满阳号射流采沙船 为了进行海上采沙，我们先后设计制造了“满洋,号”及“满洋,号”射流采沙系统。“满洋,号”射流船主要技术指标:船体结构为钢质，单甲板、单底，首、尾柱近似直壁，船首部中间船体开,:,为两半片体;采用流线型平衡舵，双柴油主机、双螺旋桨推进的自航射流式吸沙船。水线长,,(, ,，型宽,,(, ,，型深,(, ,，吃水,(, ,，排水量, ,,, ,，航速,节。,(,襄樊电厂固定式喷射排沙系统 我们先后设计制造了襄樊电厂,、,期工程二套喷射排沙系统，每套排沙系统由工作水泵,台、冲沙水泵,台及工作水管、冲沙水管、排沙水管、闸阀等组成，其布置如图,所示。喷射排沙装置分为,个单元。每个单元有,台射流泥浆泵，,套喷射栅。正常工作时，为,台工作水泵及,台冲沙水泵带,个单元、,台射流泵排沙。当来沙量较大时，可以开动,台工作水泵及,台冲沙水泵带,个单元、,,台射流泵及喷射栅同时工作。,(,上海航道局深水覆盖层下采沙射流泵装置设计及模拟试验 深水覆盖层下采沙射流泵装置最大挖深(水面以下),, ,,，出口泥沙水流量,，,, ,,, ,,,,， 出口泥沙水浓度”,,(,, ,,,,产量,,,,, ，,,,,,(沙饱和容重,(, ? ,, ? ,,, 图, 固定式喷射排沙系统 ,一射流泥浆泵;,,,喷射栅;,一工作水泵;,,冲沙水泵;,一排沙水管,,,,)。我们设计制造了模拟试验装置:射流泥浆泵模型与原型几何比尺为,,,,,,,;模拟水下挖深(泥面以下),,, ,;产量,,,,, ,,,,(沙饱和容重,(, ,,,,);射流泵出口压力,(,, ,,,;冲水流量,，,,,,,,, ,,,,。试验结果与设计计算基本符合。,小浪底水库射流清淤,(,调水调沙的目的 利用小浪底水库进行拦沙和调水调沙，合理调度拦粗排细，减少粒径大于,(,, ,,,,粗沙进入下游河道，同时使库区中细泥沙排出库区，延长小浪底水库使用寿命。 根据黄河水情，大量泥沙进入小浪底库区并且主要淤积在干流，由于库区干流流速低，难以形成异重流，必须采用人工辅助措施扰动和输移库底泥沙到达坝址附近，利用调水时形成的异重流，将库区泥沙排到下游，实现黄河调水调沙的目的。,(,小浪底水库基本情况,(,(,水库概况 小浪底水库坝址位于三门峡坝下,,, ,,，水库最高蓄水位,,, ,总库容,,,(,亿,,，其中支流总库容,,(,亿,,，占总库容的,,(,,，水库最大水面面积,,,(, ,,,。上半库段水面宽,,,,,,, ,，下半库段库水面宽, ,,,,, ,,, ,，小浪底水库保证长期有效库容,,(,亿,,，其中,,(,亿,,为防洪库容，,,(,亿,,为调水调沙库容。,(,(,历年库区淤积量 小浪底水库运行,年来库区坝前淤积高程达到,,,(,,,,,(, ,，坝前最大淤积厚度约,, ,。截至,,,,年,月，小浪底水库,,, ,以下库容为,,,(,亿,,，其中干流库容为,,(,亿,,，左岸支流库容为,,(,,亿,,，右岸支流库容为,,(,,亿,,。从库容的年内分配来看，,,,,年汛期库容淤积较为严重，汛后库容变化不大;库容减少主要发生在干 ? ,, ?流，支流库容的变化不大。,,,,年汛前,,,,,年汛前小浪底水库入库损失共计,(,,亿,,，到,,,,年,月，小浪底水库实测库容为,,,(,亿,,。,(,(,库区泥沙级配情况及断面流速分布 根据小浪底水库,,,,年第二次(汛后的,,月中旬至,,月上旬)水下淤积物测验资料，坝前,, ,,淤积层泥沙单样,加,,(,,, ,,，断面平均,?,,(,,,,,,(,,, ，,,，,。 从,,,,年,月、,,月小浪底库区桐树岭断面实测流速资料可以看出，,,,,年,月当桐树岭断面水深在,,,,, ,之间时，垂线最大流速为,(, ,,,左右，最大流速多发生在水深,,,,, ,之间。,(,射流扰动及驱赶输沙方案,(,(,射流扰动及驱赶输沙的可行性 射流扰动及驱赶输沙，其关键是水流流速口必须大于泥沙的扬动流速,，。利用沙玉清泥沙扬动公式及颗粒沉降速度公式，计算出不同粒径泥沙的扬动速度，其结果如表,所示。从表,可知，对于粒径小于,(,, ，,，,,，的泥沙，其扬动流速玑,,(, ,,,，只要利用冲吸式射流船将坝前淤积层泥沙吸起，排到库区底部高流速区，均可将其输送到坝前出库，因此利用射流扰动输沙是可行的。利用高速水射流进行水下松动冲沙及驱赶泥沙，国内外已有成功经验，现场试验结果如表,所示。 表,泥沙扬动流速 泥沙粒径,,,(，,,,,) ,(,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, 颗粒沉降速度,(赫,,) ,(,, ,(,, ,(,,, ,(,, 泥沙的扬动流速阢(,,,) ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, 表,射流松动冲沙现场试验 泥沙平均直径 天然流速 排距 单位能耗 地点 说明 (,,,,) (,,,) (,) (,,?,,,,) 荆江河段 ,(,,,,(,, ,(,,,(, ,,,——,,, ,(,,, 水下松动冲沙 黄河河口 ,(,,,,(,, ,(,, ,,,——,,, ,(,, 水下松动冲沙 菲律宾宾加水库 ,(,,,(,, , ,,,,,,, ,(,, 水下驱赶 荷兰 水下松动及利用海潮 ,,(,, , ,, ,,, ,(,,, 阿姆斯特丹港 异重流排淤 根据上述工程经验，用,,,,一,型射流船在坝前库区,,,,, ,,处，对淤泥区分段进行水下泥沙驱赶，使粒径小于,(,, ,,,,,的泥沙集中在坝前,, ,,范围内。在小浪底水库调水冲沙时，利用异重流通过冲沙洞排到坝下。,(,(,黄河??说?/B>水库射流扰动清淤设备 ,)射流扰动清淤设备 利用冲吸射流船设计理论，初步计算出小浪底水库清淤射流船的挖泥系统有关数据 ? ,, ?(见图,)。射流船性能如表,所示。 图,小浪底水库冲吸射流船 表,射流船性能 装机功率 实用功率 扰动泥沙量 扰动最大水深 配备船员 造价 型号 (,,) (,,) (,,,) (,) (人) (万元,艘) ,,,, , , ,,, ,(, ,, ,, ,,,, ,)射流船运行方案及分折 在, ,,, 调水冲沙期间，射流船全部投入运行，进行扰动输沙，扰动泥沙量,(, ,,,，每天工作时间为,, ,。其余时问部分射流船进行驱赶输沙。驱赶输沙量为,(,,,(, ,,,，每天工作时间为,, ,。射流船扰动输沙经济指标如表,所示。 初步计算分析表明，当调水量为,,亿,,，流量为, ,,, ,,,,,,时，对不同的含沙量,,,,, ,,,,,，射流船每年的清淤能力分别为,(,,,亿,,(,,,亿，,,,泥沙，单位能耗,(,,,,,(,,, ,,?,,,,泥，单位清淤成本为,(,,,,(,,元,,,泥。,结语 根据小浪底水库情况和国内外射流清淤工程实践经验，我们提出了射流扰动清淤及驱赶输沙方案。初步计算分析表明，该方案技术上可行，经济指标合理。为了实施这一方案，建议作为重大攻关设备，立项建造一艘规模较小的射流船，其输沙量为,,, ,,,，扰动最大水深,, ,，并在小浪底库区进行现场试验，进一步完善此方案。 ? ,, ? 表,射流船扰动及驱赶输沙经济指标 调水量(亿,,) ,, 调水流量(,,,,) , ,,, ,, ,, ,, ,(含沙量(,,,,,) ,(排沙量(亿,,) ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,,天×,艘 ,,,天×,艘 ,,天×,艘 ,(生产时间(天,年)×(艘) ，,,(,天×,艘 ，,,(,天×,艘 十,,(,天×,艘 ,(油费(万元,年) ,,,，,,,(,,, ,,,(, ,,,，,,,,,,, ,,,，,,,(,,,,,(, ,(人工费(万元,年) ,,,(, ,,,(, ,,,(, ,(修理费(万元,年) ,,, ,,, ,,(, ,(运行及管理费 , ,,, , ,,, ,,, (,，,，,)，(万元,年) ,(射流船数量,,,,一,(艘) , , , ,(射流船设备费(万元) ,, ,,, , ,,, , ,,, ,,(单位能耗(,,?,,,,泥) ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,(单位清淤成本(元,,,泥) ,(,, ,(,, ,(,, 注:油费按,(,,万元,,计算;人工费按,(,万元,(月?人)计算。单位清淤成本含油费、人工费、修理费及设备折旧 费(折旧时间,,年)。淤沙饱和容重,(, ,,,,。 参考文献〔,〕陆宏圻，等(射流泥浆泵装置的设计与试验(武汉水利电力学院学报，,,,,(,)〔,〕陆宏圻(射流泵技术的理论及应用(北京:水利电力出版社，,,,,〔,〕陆宏圻，等(水下射流采 沙装置研究(武汉水利电力大学学报，,,,,(,,)〔,〕陆宏圻，陆东宏(,,, ,,,, ,, ,,, ,,,,,,, ,,, ,,, ,,,,,, ,,,,,,(,,,;,,,,,,, ,, ,,,, ,,,),,,，,,,,, ,,,,,,，,,,,,,,,，,,, ,,,,, ,,,,〔,〕陆宏圻，等(喷射技术的理论及应用(武汉:武汉大学出版社，,,,, ?,,?.