疏浚技术的最新发展方向论文
时间：2021-08-31疏浚技术的最新发展方向论文
1、前言
几个世纪以来，水一直都是人类的朋友和对手，我们利用水来进行货运和客运，但在风暴和洪灾期间，我们又要设法逃生。我们兴建港口航道以满足运输需要；兴建堤坝和其它建筑物以抵抗洪水以及在海上吹填造陆，等等。因此，疏浚设备是必不可少的工具。
近来疏浚工程不断发生变化，规模扩大，致使疏浚设备也不断发展和创新，以满足不断增加的疏浚机具需求。
2、耙吸挖泥船的设计
对于疏浚业来说，吹填造陆是其中一个主要业务领域。在世界许多地方，工业园区的需求在不断增加，例如机场、集装箱码头或工业厂房、住宅区等。新加坡吹填工程和阿联酋迪拜棕榈岛ⅰ、Ⅱ期大型吹填工程就是一些大规模吹填造地的例子。工程必须开挖和运送千百万方砂来填筑吹填区和连接岛屿；现有航道必须浚深以通航更大型船舶；环保、地理和政治因素也可能会导致挖泥船运距加长和必须在更深水域施工等。
这些限制条件都要求有更大舱容和更高效率的大型耙吸挖泥船来施工，尤其是当航距不断增加的情况下，大舱容耙吸船比小舱容耙吸船的采砂成本更低。1992年以前，耙吸船的最大舱容都不超过10000m3，其后，舱容则不断增加。
1994年，IHC公司建造了“Pearl River”号（17000m3）、1998年“Volvox Terranova”号（20000m3）、2001年“HAM318”号（23700m3）、2000年“Vasco da Gama”号（33000m3），最近又完成了“WD Fairway”号扩改为350003的工程，而“Vasco da Gama”号舱容将增加至440003.填砂护滩以及近岸抛沙都要求耙吸船靠岸施工，“Waterway”号（2000年造）和“Coastway”号（2002年造）满载吃水只有66m，都可以靠近海施工。
3、开沟和开挖深坑开沟是海床管线铺设的预备工作。
视土质情况而定，开沟方法多种多样，其中一项就是采用疏浚方法。
在完成开沟和铺管工作后，有时还需要覆盖，以保护管线。覆盖施工方法很多，例如抛石法、自然海流法和通过耙吸船吸管回埋法。借助吸管将沙从泥舱泵送到沟槽进行回埋作业。
现在，许多大型耙吸船都拥有深水开沟或为保护海上油气开采设备的进行所谓的大深坑开挖功能。
“Vasco da Gama”号安装了挖深达160m的深水开挖设备。为达到160m挖深并保证足够的泥泵吸入压力以维持泥泵正常功能，该船的1400mm直径吸管上安装了功率高达6500kW的高效潜水泵。
4、有限元法
在挖泥船设计过程中，有限元法（FE法）是必不可少的。这些计算方法的专业应用可获得强固的船体结构，同时重量却相对较轻，使船船获得更多的装载量。
由于在外海环境下疏浚施工以及连续不断的装舱卸舱过程，耙吸挖泥船的船体要在强侵蚀环境下经受各种周期性荷载。耙吸船的设计特点包括较小的舱容/船长比，这意味着荷载主要集中在船中部，导致较大的船体大梁弯矩和高剪切强度。
此外，由于采用大功率挖掘设备以及带舱底泥门的泥舱结构布置，不可避免地要求船体采用大量不连续性设计。
为优化船体的应力重量比以及最大化船体细部结构的强度和疲劳寿命，采用了有限元计算方法。
大型绞吸挖泥船在开敞水域施工时要承受因波浪和开挖岩石时船体振动而产生的大幅波动的荷载。
船舶与海床之间以及桥梁耳轴与定位桩台车之间的船体形成（挠性）连接的位置上发生裂纹的概率相对较高。
应用有限元计算法可最大限度地减少应力集中出现并提高疲劳寿命。有限元计算法进一步应用于优化绞刀桥梁与定位桩的强度和硬度。为了避免因振动产生的共振或过度变形，目前IHC公司正在建立一个绞刀桥梁与船体的有限元模型以判断这种振动特性。
5、高航行效率船舶的航行阻力取决于船体周围的水流和航行过程中船舶所产生的波浪。
通过适当的船体设计，可以大大地减少航行阻力并提高船舶的总能量效益。船头设计尤为重要，许多大型船舶在船体水浅处安装了所谓的球鼻（即人工鼻），球鼻改变了船体四周的水流状态，结果减少了波浪造成的航行阻力，因为船舶产生的波浪主要由船头形状决定。精心设计的球鼻船头产生的波浪远小于传统船头的波浪。
根据利用CFD计算法获得的船体设汁经验，IHC公司设计出一款形状特别的船尾。船尾设计获得一个进入推进器的理想水流通道，可以减少推进器振动并获得更高的效率。
6、流体动力计算（CFD）
CFD方法可计算出这些船体设计变化的结果。如上所述，船头对航行效率有很大的影响，同样，船体与推进器之间的相互作用可通过CFD方法计算。
船体产生的涡流对航行效率有一定影响，并可能产生振动。CFD方法可为优化船舶设计提供数据，并最终获得最佳的水流进入推进器。
对于挖泥船，风、波浪和潮流作用方面的数据对于预测不同天气状况下的船舶操纵性能是必不可少的。通过使用CFD计算方法获得的某些系数可以预测操纵性能。
7、泥泵IHC公司开发出高效泥泵，在同等安装功率情况下可获得比普通标准泥泵更高的产量。
为确保泥泵性能和预测耐磨性，在IHC公司的研究部门（荷兰MTl）进行了由CFD分析方法辅助进行的实验室研究。荷兰MTI有一套可测试泥泵的'环路，环路管直径为300mm，可提供可靠的实型泵试验结果。
为了提高产量，现代耙吸挖泥船都装有射流泵，其一般有3项主要功能：
（1）使底土流体化并减少耙头所需切削力。
（2）使泥舱疏浚土在卸舱期间流体化，以缩短卸舱时间。
（3）卸舱后清洗泥舱。
为了防止射流水中有时夹带过多沙粒造成高磨损率，多功能、小型高效泥泵越来越多被用作射流泵。
为了优化疏浚效率，疏浚过程中的泵速必须根据真空度、泥浆流速和泥浆浓度等疏浚参数进行优化凋整。
IHC公司开发的Variblock齿轮箱是一种可连续变速传动齿轮箱，它可在恒定输入功率和速度情况下以最小的功率损失提供输出速度的变化，可实现各种输出速度，例如，在输出速度15%增减幅度内，齿轮箱总效率达94%. Variblock齿轮箱可避除非自航吸扬挖泥船（例如绞吸挖泥船）在不同管线长度情况下对叶轮直径的调整。其投资额远低于一个泥泵电动装置，而且所有液压配件在全球可即时供应。
8、耙头耙吸挖泥船的耙头对挖泥船的性能有很大影响，因此其设计、质量和多用途性是至关重要的。
尽管挖泥产量主要由耙头宽度、开挖厚度和航速决定，而其它因素也起着重要作用。例如所需拖曳力等。耙头设计通常会详细考虑疏浚过程的所有其它主要因素。
多年来已经开发出多种类型的耙头。最初，耙头完全根据冲刷原理设计：即在耙头活动挡板与底床之间产生水流。例如，IHC公司的Dutch（荷兰）型耙头，水流主要从挡板后面进入耙头，而Califoenia（加利福尼亚）型耙头的水流则主要从挡板两侧进入。
耙头借助底床上的水流在底床与耙头之间产生的压差，将底土疏松并挖起。最新式的现代耙头则在整个耙头宽度的固定部件装有射流装置，在活动挡板上装有切割刀片或切削齿，借助上述两者的共同作用，可降低耙头所需的压差，同时产量却可大大提高。通过调节挡板后侧的进水瓣，可供给足够的额外用水。
在某些情况下，泥浆浓度和射流水量很高，只需较少的额外供水量。有时，挡板通过液压缸保持在与耙头固定部件与耙头固定部件一定的相对位置，使之能够抵消因切削刀造成的上冲运动，这可采用一个预调切削力完成。
在切削十分细密的砂层时，即使采用传统的射流水，刀齿的贯入度还是不足够的，结果导致产量低。为此，最近IHC公司进行了一系列研究和模型试验，在喷嘴相对于切削刀的不同位置进行了测试。尽管目前试验还没有全部完成，但初步结果似乎不错，一个额外的优点就是进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断增加也可以从耙头的发展看出。最早的第一代耙头只能与直径300mm的吸管相匹配，而最新发展显示，耙头相配套的吸管直径已达到1 400mm.
9、装舱过程耙吸挖泥船的效率效益可通过改进泥舱的沉淀过程来改善。
在开挖细砂时，耙吸船的装舱时间与泥砂沉淀的关系是相当密切的。高效的沉淀过程可缩短装舱时间，从而缩短疏浚周期，结果是提高了施工效益。此外，也许更重要的是泥舱中含砂量增加。考虑到当前所需的投资，更高效率的施工可相当大地提高船舶的收益率。
IHC公司为了作进一步深入研究，与国际疏浚公司（DI）合作开始一项广泛的研究计划。为了获取更多经验并能够对实型设备的各种设计方案进行比较，MTI研究院在“Antigoon”号耙吸船上安装了一套大型试验装置。
泥砂的沉淀过程不仅取决于泥舱的设计，还与泥舱的进入水流有关。除了泥舱设计外，泥沙的沉淀也是取决于泥舱进入水流的因素之一，例如，选择合适的进入水流流速分布可大大的改善泥沙沉淀过程。这些使用大型试验装置的试验的观测和评估结果使我们在总体上和特定情形下的泥沙沉淀都有了更深的认识。利用根据获得的认识进行的改动将有助于开发出新的设计工具及改进泥舱设计，以提高泥舱沉淀效率，从而提高耙吸船的实际产量。
10、自动化控制挖泥船通常必须在设定的位置或路径上精确地施工，在开沟、抛砂或吹岸施工时尤其如此。
自动化控制不仅可以提高挖泥船的效率，而且在某些情况下，甚至预先要求安装动态定位和动态跟踪（DP／DT）系统，以确保疏浚设备能在近海或港区内进行维护疏浚施工。
借助先进的测量和自动化系统、集成控制系统能够处理疏浚过程中的众多参数，例如，泥泵控制器能保持泥浆流速刚好在临界流速之上，这样泥沙颗粒就不会沉积。同时降低了流动阻力，结果获得了最佳的燃油和磨损效率。
泥浆流速的自动化控制系统提高了装舱效率，确保了更佳的极细泥沙颗粒沉淀。这样可减少溢流损失、油耗和磨损，这套系统也可应用于其它类型的挖泥船。
相关数据直观地显示在显示屏上。数据显示和所有功能控制，如装舱过程、自动化疏浚、卸舱过程、动力管理、报表、与测量设备和地理定位系统的通讯等都可在一个或多个MMl（人机界面）系统上进行，为了优化操作者环境，引入操作者控制中心（OCC）作为一个操作者友好的工作站。
显然、当前疏浚业中的开发创新是永无止境的，在未来几年，IHC公司将继续发挥其重要作用，在广阔的领域为疏浚业不断提供解决方案。
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