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耙吸挖泥船疏浚仿真初探

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耙吸挖泥船疏浚仿真初探

倪福生,林吉良

(河海大学常州校区疏浚教育与研究中心,江苏常州　213022)

摘　要:建立了耙头在垂直方向上运动的数学模型,采用面向对象的VisualC++和Delphi语言,开发了耙吸挖

泥船疏浚仿真软件,给出了耙吸挖泥船泥泵启动、泥沙输送及装舱等过程的仿真示例。

关键词:耙吸挖泥船;仿真;软件

中图分类号:U616;U615135 文献标识码:A 文章编号:100323688(2005)0120021203

PreliminaryStudyofDredgingSimulationof

TrailingSuctionHopperDredgers

NIFu2sheng,LINJi2liang

(DredgingEducation&ResearchCenter,HohaiUniversity,Changzhou　213022,China)

Abstract:Amathematicalmodeloftheverticalmovementofdragheadisproposed1Thesoftwarefordredging

simulationoftrailingsuctionhopperdredgersiswritteninVisualC++andDelphi1Ademotosimulatethe

processesofslurrypumpstart2up,sandtransportandhopperloadingispresented1

Keywords:trailingsuctionhopperdredger(TSHD);simulation;software

耙吸挖泥船属于大型疏浚设备,一般在河口、港湾等宽

阔的区域作业,受到风、浪、流等因素的综合作用,作业环

境恶劣。为确保施工安全,提高操控人员技术水平,增加疏

浚效益,国外一些大的疏浚公司不惜投入巨资研制耙吸挖

泥船疏浚仿真培训系统[122]。与国外相比,国内对疏浚仿真

器,特别是耙吸挖泥船疏浚仿真器的研制,资金和人力投入

很少。作为初步尝试,本文采用面向对象的VisualC++和

Delphi语言,开发耙吸挖泥船仿真软件,并给出某耙吸挖泥

船启动、装舱和卸泥等一个周期的仿真示例。

1　仿真的主要物理量

作用在船舶上的力分为三类,即主动力、环境干扰力和

流体作用力[3]。主动力又称操纵力,主要有螺旋桨推力,用

于船舶推进;环境干扰力包括风力、浪力及不均匀流产生的

流力;流体作用力是水体对船舶的反作用力,主要有流体惯

性力和流体粘性阻力。船舶在这些力的作用下,除了沿一定

方向航行外,还会作复杂的振荡和摇动,即3个自由度的平

移运动:纵荡、横荡、垂荡,3个自由度的旋转运动:横摇、

纵摇、首摇。

耙吸挖泥船是一种工程船舶,在施工作业时,除了上述

收稿日期:2004209209作者简介:倪福生(1961-),男,博士,教授,从事疏浚设备与

技术研究。诸力以外,耙管及耙头还受到土壤切削阻力、土壤支持力、

耙管水下重力、水流阻力等力的作用。在施工过程中这些力

也是随时变化的。对耙吸挖泥船的受力、运动及疏浚工况进

行数学建模和仿真模拟是一项极其复杂繁重的工作。作为

初步探索,本文主要考虑沿航行方向的纵向运动以及船舶

和耙头的上下升降运动。各力的计算模型参见文献[324]。

泥砂输送系统的数学模型参见文献[527]。仿真的主要物理

量与计算流程如图1所示。

2　耙头垂直运动

耙头垂直位置的确定对于耙吸船产量仿真有重要影

响。耙头在垂直方向的运动主要受到波浪力、耙头水下重

力、缆绳张力和土壤支持力的共同作用。图2所示为确定耙

头任一瞬时所在位置的示意图。其中波浪补偿器是关键部

件,它的功能是利用耙头本体的重力,依靠液压蓄能器(缓

冲器),及时收进或放出吊耙的钢缆,使耙头在船体上下振

荡或海底面起伏不平的情况下与海床面接触,并保持一定

的对地压力,进而获得较佳的泥浆浓度。波浪补偿器可简化

为气液弹簧。设由于风浪作用,耙吸挖泥船偏离其稳态位置

距离为zs(t),海床相对于其参考零点的起伏为ze(t),耙头相

对于其稳态位置的偏移为zd(t),耙头稳态位置与河床参考

零点位置之差为h。假定垂直向上为正方向,则耙头位置由

如下二阶微分方程决定:2005年2月 第1期　总第134期 中国港湾建设ChinaHarbourEngineering Feb1,2005　Total134,No11

图1　仿真的主要物理量与计算流程图

md2zddt=-W-ks(zd-ze-h)-c(dzddtdttdt-k(zd-zs)(1)

式中:m为耙头质量;W为耙头水下重量;ks为土壤刚度系

数;c,k分别为波浪补偿器简化为气液弹簧后的阻尼系数和

弹簧刚度系数,其值取决于波浪补偿器压力缸内气体体积、

压力、活塞缸截面积、连接活塞缸与压力缸的油管长度、直

径、液压油粘度等特性参数。上式第二项为土壤支持力,它

与土壤硬度和入泥深度有关;第三项、第四项分别为波浪补

偿器的阻尼力和弹性恢复力。求解上述方程,可得任一时刻

耙头相对于稳态位置的偏差,进而求得耙头陷入海床的深

度。海床参考零点位置及地形起伏可以预设,也可以由用户

在仿真时操作“地形控件”实时给定。

图2　船舶、波浪补偿器、耙头与地形相对位置示意图

3　仿真示例

以某耙吸挖泥船为例。有关参数为:舱容12000m3,最

大挖深16m,推进总功率9800kW×2,施工时对地航速小

于5kn,泥泵流量12000m3󰃗h,泥泵扬程27m,泥泵转速

135～200r󰃗min,耙管内径1100mm×2,波浪补偿器行程

3m。

仿真系统模拟该挖泥船的工作过程,包括系统起停、泥

泵转速控制、泥沙输送、航速控制等,选用了耙吸式挖泥船

船体、泥泵、管道、阀门、耙头、泥沙、风浪等控件,各控

件的属性均根据该船的实际参数设置。控件将根据这些属性计算出所需参数或变量的值。为了监控和调整疏浚作业

过程各状态参数,系统还选用了罗盘、压力表、产量记录仪、

各种起停开关和调节旋钮等ActiveX控件。仿真系统的操作

步骤列于表1。

表1　仿真操作示例仿真时间(min)仿真操作

00开始模拟,以150r󰃗min低转速启动泥泵,系统开始注水;开始航行;

01泥泵转速增加至额定转速200r󰃗min;

02将耙头放至一定深度,开始挖泥,增加流体密度到112t󰃗m3左右;

04加大航速、加深耙头,使泥浆密度增加114t󰃗m3左右;10开始溢流;

17逐渐提起耙头,减小混合物的密度到水的密度;

19逐渐降低泥泵转速,直至停泵;

20停止仿真,用户选择其他操作。

疏浚过程中泥泵转速、出口压力、管道平均流速、泥浆

密度、泥泵功率、系统产量等参数与时间的关系,均可以实

时显示。图3给出的是疏浚产量及泥泵功率的实时变化曲

线。在柴油机的驱动下,泥泵启动到较低转速,再升速到额

定转速,泥泵压力迅速建立。在第4min,系统泥浆密度进

一步增加,高密度泥浆使泵出口压力、泵输出功率和产量迅

速增加。约在第10min,系统开始溢流

,溢流带走部分泥沙,

产量有所下降。在第17min逐渐提起耙头,泥浆密度、产

量、泥泵压力和功率减小。第19min减速直至停泵,泥泵

转速、压力、功率、产量、泥浆流速等迅速下降至零。

图3　泥泵输出功率、产量随时间的变化过程

耙头的位置取决于波浪作用下船体的垂荡、海床的起

伏以及波浪补偿器的调节。图4和图5给出两种土壤硬度情

况下,耙头随时间的变化。当海床土质较硬时(土壤刚度系

数ks取为106N󰃗m),海床对耙头提供了较大的支持力,耙

头的运动基本跟随地形的起伏;土质较软时(土壤刚度系数

ks取为105N󰃗m),海床对耙头的支持力减小,耙头会较深地

陷入到海床中。

图6为挖泥船装舱示意图。为了缩短仿真模拟时间,设・22・ 中国港湾建设 2005年第1期图4　耙头在硬土质河床上疏浚

图5　耙头在软土质河床上疏浚

定泥沙体积达到舱容20%左右时停止装舱。船舱中浅色部

分表示海水,深色部分表示泥沙,泥沙体积为673167m3,海

水和泥沙混合物的总体积为2104117m3,

均用数码管显示

数据。图7表示一个疏浚周期内的装舱过程。在第415min

开始装舱,装舱量随即快速上升,在第18min开始溢流,装

图6

　泥沙装舱仿真界面图7　一个疏浚周期内装舱量的仿真结果

舱速率减缓。在第27min停止装舱模拟,船舶重载航行至

卸泥区卸泥,准备进入下一个作业周期。

4　结论耙吸挖泥船疏浚仿真是一项十分复杂的系统工程。本

文采用VisualC++和Delphi混合编程方法开发计算软件,

应用ActiveX控件技术、OpenGL虚拟现实技术,制作友好

的仿真界面,在耙吸挖泥船仿真研究方面进行了初浅的探

索。仿真示例表明,各主要参数随时间的变化规律基本反映

了耙吸挖泥船的实际生产过程。调整仿真控件,重新设置参

数,可仿真不同的疏浚工况,这对加深理解耙吸挖泥船疏浚

作业过程各参数的变化规律及其相互影响是有帮助的。

参考文献:

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SimulatorforTrailingSuctionHopperDredgerswitha

DynamicandRealisticDredgingProcess[A]1Proceedings

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[3]　贾欣乐,杨盐生1船舶运动数学模型——机理建模与辨识建

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耙吸式挖泥船施工工艺及管理研究

耙吸式挖泥船施工工艺及管理研究

耙吸式挖泥船施工工艺及管理研究

发布时间：2021-06-28T16:09:44.583Z 来源：《工程管理前沿》2021年第7期 作者： 蒋威

[导读] 现阶段，为保证船舶的正常通行，

蒋威

连洋航务集团有限公司上海疏浚分公司

摘要：现阶段，为保证船舶的正常通行，航道疏浚工作受到了人们的广泛关注，耙吸式挖泥船作为一种自行、自挖、自载以及自卸功能的航道疏浚船舶，被广泛应用到当前的航道疏浚工作当中，本文介绍了耙吸式挖泥船的施工工艺与管理方式，以期为船舶的正常通行提

供支持，希望能够给读者带来启发。

关键词：耙吸式挖泥船；施工工艺；管理方式

引言：耙吸式挖泥船因其在施工过程中，各工序均由船舶自身完成，并不需要其他辅助船舶配合施工，并且随着科学技术的不断发展，耙吸式挖泥船可以配合各种疏浚设备完成工作，这种情况的出现，不仅降低了疏浚工作开展的成本，还提升了疏浚工作的质量，因

此，耙吸式挖泥船被广泛应用于长距离航道施工、港池维护等工作当中。

一、耙吸式挖泥船的施工工艺

现阶段，耙吸式挖泥船的疏浚施工方式主要包括装舱施工法、边抛施工法两种，在开展航道疏浚、港口建设等工作的过程中，为进一步提升航道疏浚工作的效率，依据施工地点的实际情况，选择合适的施工工艺是一项极为重要的工作。

（一）装舱施工法

装舱施工法的具体工作方式是首先令耙吸式挖泥船行驶到指定位置后，然后，将耙管放到水下指定位置，启动泵机，并依据当前潮位将耙头下放到泥面；其次，将耙管内的清水与低浓度的泥浆排到船舷外，等到泥浆的浓度符合要求后，打开进仓闸阀，将泥浆装到船舱当

中；再次，当船舱中装满泥浆后仍泵吸泥浆进入船舱，使船舱上层低浓度的泥浆通过溢流筒溢出；最后，当高浓度的泥浆装满船舱后，停

泵起耙，将泥浆运输到指定位置抛出。需要注意的是，在采用装舱施工法进行工作时，工作人员需要依据该河段底层泥浆的土质，严格把

控泥浆的溢流时间，以便达到保证泥浆装载量接近船舱最大装载量的目的。

疏浚吹填工程管理(1)

疏浚吹填工程管理(1)

疏浚吹填工程管理初探

【摘 要】：随着我国经济快速发展，疏浚吹填工程的发展也比较迅速，然而由于工程管理不善，很容易影响施工进度、企业的作业成本及施工质量。本文针对吹填工程，介绍了疏浚吹填工程的主要内容及分类，说明了影响疏浚吹填工程的因素，并提出几点管理措施。

【关键词】：吹填工程；管理；探讨

中图分类号：k826.16 文献标识码：a 文章编号：

引言

当今经济建设高速发展，促进了疏浚行业的发展。吹填工程是疏浚工程的重要组成部分，它除了单一性吹填外，有时还可以融航道、港口开挖为一体，利用疏浚弃土，达到既开挖又回填之目的，避免二次污染等，不仅提供了经济效益，而且还增加了社会效益。为了实现降低成本、提高经济效益，应加强吹填工程中的管理工作，对施工前及施工中各环节进行系统管理，强化薄弱环节，及时进行工程技术管理的分析工作，做到不断总结经验教训，使吹填工程施工效益逐步提高。

一、吹填工程的主要内容及分类

1、吹填工程的内容

吹填工程是由疏浚土的处理发展而来，是指利用机械设备自水下开挖取土，通过泥泵、排泥管线输送以达到填筑坑塘、加高地面或加固、加高堤防等为目的一种施工作业。吹填工程的内容有填塘固基、淤临淤背、堵口复堤、整治险工、加固堤防、农田改良、建设造地、备料、积肥等。

2、吹填工程的分类

吹填工程主要分为两类：第一，基建型。加固修复堤防、建设造地、建筑物边侧回填等目的而进行的带有基建性质的吹填。这类工程对吹填土的质量、吹填区的高程与平整度一般都有明确和较高的要求。第二，弃土型。充分利用疏浚弃土、提高工程的综合效益，将疏浚土吹填到一些荒废的山涧、沼泽、洼地，从而使这些土地得到重新利用。

二、疏浚吹填工程的特点

1、疏浚吹填陆域表面形状多样化

目前以开发旅游、地产资源等为目标的填海造地工程项目，逐步要求回填区域有新颖多样、美观独特的回填区域形状，以期最大限度地吸引外来游客和投资，与此同时在设计中较多地采用离岸防波堤，形成大面积被掩护水域以便于进行疏浚吹填施工，在堤内被掩护水域则可采用与传统碎石或块石护岸不同的自然抛筑岸坡型式，以形成更多的临海沙滩。

(完整版)绞吸式和耙吸式挖泥船重点讲义资料

(完整版)绞吸式和耙吸式挖泥船重点讲义资料

第三章 绞吸式挖泥船

图3-1 目前世界上最大的绞吸式挖泥船“Mashhour”号

3.1 概述

一、应用领域

绞吸式挖泥船被广泛应用于港口、航道疏浚及吹填工程。绞吸式挖泥船从挖泥到排泥场的距离一般小于耙吸式挖泥船。使用绞吸式挖泥船的最大优势是能获得准确的挖掘轮廓。

绞吸式挖泥船基本适合挖掘各种类型的土壤，当然这也决定于切削功率的配置。绞吸式挖泥船类型和尺寸范围很广，绞刀头功率最小可为20KW，最大可达约4000KW。 但挖泥深度一般较有限，最大挖深为 25～30 m，最小挖泥深度通常取决于船体（平底船）的吃水深度。

绞吸式挖泥船属静态挖泥船。至少有两套对挖掘过程非常重要的锚缆系统。但锚缆却为其它船舶航行带来障碍。某些大型绞吸式挖泥船为减少被“绊住”的危险而安装了推进器系统；推进器系统可用于帮助绞吸式挖泥船离开挖掘区域，当然也可帮助绞吸式挖泥船从一工作点移动到另一工作点。

小中型绞吸式挖泥船可制造为可拆卸式的。这种方式较适合由公路到内陆区域而无水路时的运输，如，为公路铺沙层、为建筑工程公司挖掘沙子和砾石等。

安装了波浪补偿器的绞吸式挖泥船可在有波浪的开放水域施工，较之耙吸式挖泥船其局限性是显而易见的。

图3-2 Simon Stevin号自航式绞吸挖泥船 图3-3 船体可升降式绞吸挖泥船

二、历史

绞吸式挖泥船起源于美国。1884年第一艘绞吸式挖泥船在美国加利福尼亚州西部港市奥克兰使用。这艘绞吸式挖泥船装有液压绞刀头并被用于疏浚泥沙和岩石。其输泥管直径为500 mm，泥泵叶片直径为1.8 m。其设计的主要缺点是绞刀头易被堵塞。在19世纪末20世纪初，绞吸式挖泥船得到了发展。

如，1896年Beta 号绞吸式挖泥船是为美国芝加哥疏浚公司建造。这艘挖泥船吃水1.95 m，横梁长12 m，在当时是最大的绞吸式挖泥船。Beta 号具有两个独立的泥泵并配有直径为850 mm的吸泥管，每个吸泥管分为三段直径为500 mm的管子。在每个管口处垂直安装了一个直径为1500 mm的绞刀头。绞刀头转数为12 r/min，如图3-4。

疏浚工程施工新

疏浚工程施工新

疏浚工程施工新技术

随着我国经济的快速发展，内河航运业日益繁荣，航道疏浚工程在国民经济建设中的地位越来越重要。近年来，疏浚工程施工技术不断革新，新型疏浚设备不断涌现，为我国内河航道疏浚工程提供了强有力的技术支持。本文将探讨疏浚工程施工新技术，以期为行业内同仁提供参考。

一、绞吸船施工技术

绞吸船是目前内河航道疏浚工程中应用最广泛的设备之一。新型绞吸船具有更高的施工效率、更好的疏浚质量以及更低的能耗。其主要技术创新如下：

1. 采用大功率、高效率的绞刀，提高了绞吸船的疏浚能力。

2. 优化船体设计，降低船体阻力，提高船速。

3. 采用变频调速技术，实现绞刀转速的实时调整，适应不同土质的疏浚需求。

4. 安装先进的导航和定位系统，确保疏浚路径的准确性和施工质量。

二、耙吸船施工技术

耙吸船在航道疏浚工程中具有很高的适用性，尤其适用于粉砂、细沙等松散土质的疏浚。新型耙吸船的主要技术特点如下：

1. 采用高效率的耙吸装置，提高疏浚速度和产量。

2. 优化船体结构，降低船体阻力，提高航行性能。

3. 配备先进的泥浆处理系统，实现泥浆的即时处理和环保排放。

4. 安装精确的导航和定位系统，确保疏浚路径的准确性和施工质量。

三、斗轮挖泥船施工技术

斗轮挖泥船适用于大开挖、深挖的疏浚工程。新型斗轮挖泥船的主要技术创新如下：

1. 采用高强度、高耐磨的斗轮，提高挖泥船的疏浚能力。

2. 优化斗轮传动系统，降低能耗，提高工作效率。

3. 配备先进的土质识别系统，根据土质变化调整挖泥参数，确保疏浚质量。

4. 安装高效的泥浆处理设备，实现泥浆的即时处理和环保排放。 四、环保型疏浚技术

随着环保意识的不断提高，环保型疏浚技术逐渐受到关注。新型环保疏浚技术如下：

1. 采用封闭式挖泥装置，减少泥浆泄漏，降低对环境的影响。

2. 配备高效的泥浆处理设备，实现泥浆的即时处理和环保排放。

3. 采用绿色施工材料，减少施工过程中对环境的污染。