疏浚技術(shù)的最新發(fā)展方向論文
1、前言
幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，水一直都是人類的朋友和對(duì)手，我們利用水來(lái)進(jìn)行貨運(yùn)和客運(yùn)，但在風(fēng)暴和洪災(zāi)期間，我們又要設(shè)法逃生。我們興建港口航道以滿足運(yùn)輸需要；興建堤壩和其它建筑物以抵抗洪水以及在海上吹填造陸，等等。因此，疏浚設(shè)備是必不可少的工具。
近來(lái)疏浚工程不斷發(fā)生變化，規(guī)模擴(kuò)大，致使疏浚設(shè)備也不斷發(fā)展和創(chuàng)新，以滿足不斷增加的疏浚機(jī)具需求。
2、耙吸挖泥船的設(shè)計(jì)
對(duì)于疏浚業(yè)來(lái)說(shuō)，吹填造陸是其中一個(gè)主要業(yè)務(wù)領(lǐng)域。在世界許多地方，工業(yè)園區(qū)的需求在不斷增加，例如機(jī)場(chǎng)、集裝箱碼頭或工業(yè)廠房、住宅區(qū)等。新加坡吹填工程和阿聯(lián)酋迪拜棕櫚島ⅰ、Ⅱ期大型吹填工程就是一些大規(guī)模吹填造地的例子。工程必須開(kāi)挖和運(yùn)送千百萬(wàn)方砂來(lái)填筑吹填區(qū)和連接島嶼；現(xiàn)有航道必須浚深以通航更大型船舶；環(huán)保、地理和政治因素也可能會(huì)導(dǎo)致挖泥船運(yùn)距加長(zhǎng)和必須在更深水域施工等。
這些限制條件都要求有更大艙容和更高效率的大型耙吸挖泥船來(lái)施工，尤其是當(dāng)航距不斷增加的情況下，大艙容耙吸船比小艙容耙吸船的采砂成本更低。1992年以前，耙吸船的最大艙容都不超過(guò)10000m3，其后，艙容則不斷增加。
1994年，IHC公司建造了“Pearl River”號(hào)（17000m3）、1998年“Volvox Terranova”號(hào)（20000m3）、2001年“HAM318”號(hào)（23700m3）、2000年“Vasco da Gama”號(hào)（33000m3），最近又完成了“WD Fairway”號(hào)擴(kuò)改為350003的工程，而“Vasco da Gama”號(hào)艙容將增加至440003.填砂護(hù)灘以及近岸拋沙都要求耙吸船靠岸施工，“Waterway”號(hào)（2000年造）和“Coastway”號(hào)（2002年造）滿載吃水只有66m，都可以靠近海施工。
3、開(kāi)溝和開(kāi)挖深坑開(kāi)溝是海床管線鋪設(shè)的預(yù)備工作。
視土質(zhì)情況而定，開(kāi)溝方法多種多樣，其中一項(xiàng)就是采用疏浚方法。
在完成開(kāi)溝和鋪管工作后，有時(shí)還需要覆蓋，以保護(hù)管線。覆蓋施工方法很多，例如拋石法、自然海流法和通過(guò)耙吸船吸管回埋法。借助吸管將沙從泥艙泵送到溝槽進(jìn)行回埋作業(yè)。
現(xiàn)在，許多大型耙吸船都擁有深水開(kāi)溝或?yàn)楸Ｗo(hù)海上油氣開(kāi)采設(shè)備的進(jìn)行所謂的大深坑開(kāi)挖功能。
“Vasco da Gama”號(hào)安裝了挖深達(dá)160m的深水開(kāi)挖設(shè)備。為達(dá)到160m挖深并保證足夠的泥泵吸入壓力以維持泥泵正常功能，該船的1400mm直徑吸管上安裝了功率高達(dá)6500kW的高效潛水泵。
4、有限元法
在挖泥船設(shè)計(jì)過(guò)程中，有限元法（FE法）是必不可少的。這些計(jì)算方法的專業(yè)應(yīng)用可獲得強(qiáng)固的船體結(jié)構(gòu)，同時(shí)重量卻相對(duì)較輕，使船船獲得更多的裝載量。
由于在外海環(huán)境下疏浚施工以及連續(xù)不斷的裝艙卸艙過(guò)程，耙吸挖泥船的船體要在強(qiáng)侵蝕環(huán)境下經(jīng)受各種周期性荷載。耙吸船的設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括較小的艙容/船長(zhǎng)比，這意味著荷載主要集中在船中部，導(dǎo)致較大的船體大梁彎矩和高剪切強(qiáng)度。
此外，由于采用大功率挖掘設(shè)備以及帶艙底泥門(mén)的泥艙結(jié)構(gòu)布置，不可避免地要求船體采用大量不連續(xù)性設(shè)計(jì)。
為優(yōu)化船體的應(yīng)力重量比以及最大化船體細(xì)部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞壽命，采用了有限元計(jì)算方法。
大型絞吸挖泥船在開(kāi)敞水域施工時(shí)要承受因波浪和開(kāi)挖巖石時(shí)船體振動(dòng)而產(chǎn)生的大幅波動(dòng)的荷載。
船舶與海床之間以及橋梁耳軸與定位樁臺(tái)車之間的船體形成（撓性）連接的位置上發(fā)生裂紋的概率相對(duì)較高。
應(yīng)用有限元計(jì)算法可最大限度地減少應(yīng)力集中出現(xiàn)并提高疲勞壽命。有限元計(jì)算法進(jìn)一步應(yīng)用于優(yōu)化絞刀橋梁與定位樁的強(qiáng)度和硬度。為了避免因振動(dòng)產(chǎn)生的共振或過(guò)度變形，目前IHC公司正在建立一個(gè)絞刀橋梁與船體的有限元模型以判斷這種振動(dòng)特性。
5、高航行效率船舶的航行阻力取決于船體周圍的水流和航行過(guò)程中船舶所產(chǎn)生的波浪。
通過(guò)適當(dāng)?shù)拇w設(shè)計(jì)，可以大大地減少航行阻力并提高船舶的總能量效益。船頭設(shè)計(jì)尤為重要，許多大型船舶在船體水淺處安裝了所謂的球鼻（即人工鼻），球鼻改變了船體四周的水流狀態(tài)，結(jié)果減少了波浪造成的航行阻力，因?yàn)榇爱a(chǎn)生的波浪主要由船頭形狀決定。精心設(shè)計(jì)的球鼻船頭產(chǎn)生的波浪遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)船頭的波浪。
根據(jù)利用CFD計(jì)算法獲得的船體設(shè)汁經(jīng)驗(yàn)，IHC公司設(shè)計(jì)出一款形狀特別的船尾。船尾設(shè)計(jì)獲得一個(gè)進(jìn)入推進(jìn)器的理想水流通道，可以減少推進(jìn)器振動(dòng)并獲得更高的效率。
6、流體動(dòng)力計(jì)算（CFD）
CFD方法可計(jì)算出這些船體設(shè)計(jì)變化的結(jié)果。如上所述，船頭對(duì)航行效率有很大的影響，同樣，船體與推進(jìn)器之間的相互作用可通過(guò)CFD方法計(jì)算。
船體產(chǎn)生的渦流對(duì)航行效率有一定影響，并可能產(chǎn)生振動(dòng)。CFD方法可為優(yōu)化船舶設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)，并最終獲得最佳的水流進(jìn)入推進(jìn)器。
對(duì)于挖泥船，風(fēng)、波浪和潮流作用方面的數(shù)據(jù)對(duì)于預(yù)測(cè)不同天氣狀況下的船舶操縱性能是必不可少的。通過(guò)使用CFD計(jì)算方法獲得的某些系數(shù)可以預(yù)測(cè)操縱性能。
7、泥泵IHC公司開(kāi)發(fā)出高效泥泵，在同等安裝功率情況下可獲得比普通標(biāo)準(zhǔn)泥泵更高的產(chǎn)量。
為確保泥泵性能和預(yù)測(cè)耐磨性，在IHC公司的研究部門(mén)（荷蘭MTl）進(jìn)行了由CFD分析方法輔助進(jìn)行的`實(shí)驗(yàn)室研究。荷蘭MTI有一套可測(cè)試泥泵的環(huán)路，環(huán)路管直徑為300mm，可提供可靠的實(shí)型泵試驗(yàn)結(jié)果。
為了提高產(chǎn)量，現(xiàn)代耙吸挖泥船都裝有射流泵，其一般有3項(xiàng)主要功能：
（1）使底土流體化并減少耙頭所需切削力。
（2）使泥艙疏浚土在卸艙期間流體化，以縮短卸艙時(shí)間。
（3）卸艙后清洗泥艙。
為了防止射流水中有時(shí)夾帶過(guò)多沙粒造成高磨損率，多功能、小型高效泥泵越來(lái)越多被用作射流泵。
為了優(yōu)化疏浚效率，疏浚過(guò)程中的泵速必須根據(jù)真空度、泥漿流速和泥漿濃度等疏浚參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化凋整。
IHC公司開(kāi)發(fā)的Variblock齒輪箱是一種可連續(xù)變速傳動(dòng)齒輪箱，它可在恒定輸入功率和速度情況下以最小的功率損失提供輸出速度的變化，可實(shí)現(xiàn)各種輸出速度，例如，在輸出速度15%增減幅度內(nèi)，齒輪箱總效率達(dá)94%. Variblock齒輪箱可避除非自航吸揚(yáng)挖泥船（例如絞吸挖泥船）在不同管線長(zhǎng)度情況下對(duì)葉輪直徑的調(diào)整。其投資額遠(yuǎn)低于一個(gè)泥泵電動(dòng)裝置，而且所有液壓配件在全球可即時(shí)供應(yīng)。
8、耙頭耙吸挖泥船的耙頭對(duì)挖泥船的性能有很大影響，因此其設(shè)計(jì)、質(zhì)量和多用途性是至關(guān)重要的。
盡管挖泥產(chǎn)量主要由耙頭寬度、開(kāi)挖厚度和航速?zèng)Q定，而其它因素也起著重要作用。例如所需拖曳力等。耙頭設(shè)計(jì)通常會(huì)詳細(xì)考慮疏浚過(guò)程的所有其它主要因素。
多年來(lái)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種類型的耙頭。最初，耙頭完全根據(jù)沖刷原理設(shè)計(jì)：即在耙頭活動(dòng)擋板與底床之間產(chǎn)生水流。例如，IHC公司的Dutch（荷蘭）型耙頭，水流主要從擋板后面進(jìn)入耙頭，而Califoenia（加利福尼亞）型耙頭的水流則主要從擋板兩側(cè)進(jìn)入。
耙頭借助底床上的水流在底床與耙頭之間產(chǎn)生的壓差，將底土疏松并挖起。最新式的現(xiàn)代耙頭則在整個(gè)耙頭寬度的固定部件裝有射流裝置，在活動(dòng)擋板上裝有切割刀片或切削齒，借助上述兩者的共同作用，可降低耙頭所需的壓差，同時(shí)產(chǎn)量卻可大大提高。通過(guò)調(diào)節(jié)擋板后側(cè)的進(jìn)水瓣，可供給足夠的額外用水。
在某些情況下，泥漿濃度和射流水量很高，只需較少的額外供水量。有時(shí)，擋板通過(guò)液壓缸保持在與耙頭固定部件與耙頭固定部件一定的相對(duì)位置，使之能夠抵消因切削刀造成的上沖運(yùn)動(dòng)，這可采用一個(gè)預(yù)調(diào)切削力完成。
在切削十分細(xì)密的砂層時(shí)，即使采用傳統(tǒng)的射流水，刀齒的貫入度還是不足夠的，結(jié)果導(dǎo)致產(chǎn)量低。為此，最近IHC公司進(jìn)行了一系列研究和模型試驗(yàn)，在噴嘴相對(duì)于切削刀的不同位置進(jìn)行了測(cè)試。盡管目前試驗(yàn)還沒(méi)有全部完成，但初步結(jié)果似乎不錯(cuò)，一個(gè)額外的優(yōu)點(diǎn)就是進(jìn)一步降低了所需切削力，因此也降低了拖曳力。
耙吸挖泥船尺寸的不斷增加也可以從耙頭的發(fā)展看出。最早的第一代耙頭只能與直徑300mm的吸管相匹配，而最新發(fā)展顯示，耙頭相配套的吸管直徑已達(dá)到1 400mm.
9、裝艙過(guò)程耙吸挖泥船的效率效益可通過(guò)改進(jìn)泥艙的沉淀過(guò)程來(lái)改善。
在開(kāi)挖細(xì)砂時(shí)，耙吸船的裝艙時(shí)間與泥砂沉淀的關(guān)系是相當(dāng)密切的。高效的沉淀過(guò)程可縮短裝艙時(shí)間，從而縮短疏浚周期，結(jié)果是提高了施工效益。此外，也許更重要的是泥艙中含砂量增加。考慮到當(dāng)前所需的投資，更高效率的施工可相當(dāng)大地提高船舶的收益率。
IHC公司為了作進(jìn)一步深入研究，與國(guó)際疏浚公司（DI）合作開(kāi)始一項(xiàng)廣泛的研究計(jì)劃。為了獲取更多經(jīng)驗(yàn)并能夠?qū)?shí)型設(shè)備的各種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，MTI研究院在“Antigoon”號(hào)耙吸船上安裝了一套大型試驗(yàn)裝置。
泥砂的沉淀過(guò)程不僅取決于泥艙的設(shè)計(jì)，還與泥艙的進(jìn)入水流有關(guān)。除了泥艙設(shè)計(jì)外，泥沙的沉淀也是取決于泥艙進(jìn)入水流的因素之一，例如，選擇合適的進(jìn)入水流流速分布可大大的改善泥沙沉淀過(guò)程。這些使用大型試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)的觀測(cè)和評(píng)估結(jié)果使我們?cè)诳傮w上和特定情形下的泥沙沉淀都有了更深的認(rèn)識(shí)。利用根據(jù)獲得的認(rèn)識(shí)進(jìn)行的改動(dòng)將有助于開(kāi)發(fā)出新的設(shè)計(jì)工具及改進(jìn)泥艙設(shè)計(jì)，以提高泥艙沉淀效率，從而提高耙吸船的實(shí)際產(chǎn)量。
10、自動(dòng)化控制挖泥船通常必須在設(shè)定的位置或路徑上精確地施工，在開(kāi)溝、拋砂或吹岸施工時(shí)尤其如此。
自動(dòng)化控制不僅可以提高挖泥船的效率，而且在某些情況下，甚至預(yù)先要求安裝動(dòng)態(tài)定位和動(dòng)態(tài)跟蹤（DP／DT）系統(tǒng)，以確保疏浚設(shè)備能在近海或港區(qū)內(nèi)進(jìn)行維護(hù)疏浚施工。
借助先進(jìn)的測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)、集成控制系統(tǒng)能夠處理疏浚過(guò)程中的眾多參數(shù)，例如，泥泵控制器能保持泥漿流速剛好在臨界流速之上，這樣泥沙顆粒就不會(huì)沉積。同時(shí)降低了流動(dòng)阻力，結(jié)果獲得了最佳的燃油和磨損效率。
泥漿流速的自動(dòng)化控制系統(tǒng)提高了裝艙效率，確保了更佳的極細(xì)泥沙顆粒沉淀。這樣可減少溢流損失、油耗和磨損，這套系統(tǒng)也可應(yīng)用于其它類型的挖泥船。
相關(guān)數(shù)據(jù)直觀地顯示在顯示屏上。數(shù)據(jù)顯示和所有功能控制，如裝艙過(guò)程、自動(dòng)化疏浚、卸艙過(guò)程、動(dòng)力管理、報(bào)表、與測(cè)量設(shè)備和地理定位系統(tǒng)的通訊等都可在一個(gè)或多個(gè)MMl（人機(jī)界面）系統(tǒng)上進(jìn)行，為了優(yōu)化操作者環(huán)境，引入操作者控制中心（OCC）作為一個(gè)操作者友好的工作站。
顯然、當(dāng)前疏浚業(yè)中的開(kāi)發(fā)創(chuàng)新是永無(wú)止境的，在未來(lái)幾年，IHC公司將繼續(xù)發(fā)揮其重要作用，在廣闊的領(lǐng)域?yàn)槭杩I(yè)不斷提供解決方案。
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