耙吸挖泥船溢流损失估算的一种方法_王培胜

一面积的流量由下式给出：
Qsolids = As vs = ACms vs
（7）
式中：As 为固体颗粒通过的截面面积；Cms 为汤状混合物
的体积密度。利用式 （6），可对水的流量 Qw 得出以下表
达式：
·36·
中国港湾建设
２０１２ 年第 ３ 期
Qw
=
A（1
-
μ）vso
ρm ρq
-
ρw ρw
（
ρq ρq
-
ρw ρw
）β
（8）
对较低的溢流量 Qo，只有纯水在溢流时从水层中流
出。但是，当 Qo>Qw 时，沙水混合物的流量并非为零：
Qms = max（Qo - Qw，0）
（9）
流出的密度由两种流量混合后的结果得出：
ρo =
ρmsQms + ρwQw Qms + Qw
（10）
汤状混合物的密度可按 ρms = （hm ρm - hw ρ）w /（hm - h）w
虽然我国疏浚设备在大型化和自动化方面取得巨大进 展，但是在疏浚高效化方面至今还罕有研究。运用先进的 科技手段提高疏浚船舶设备水平，使疏浚产量最优化，达 到提高挖泥船的性能和效率的目的，这也正是国外疏浚行 业积极研究的热点与内容。荷兰 IHC 公司已经将一部分研 究成果实现初步应用并取得了很好的效果。而在国内这方
的总高度 h）t ，沙床的质量是无法测量的。进舱混合物的 流量 Qi 和溢流高度 ho 是操作输入量，而进舱混合物的密 度 ρi 在此作为可测量的干扰项。体积和质量平衡方程如 下式所示[7-8]：
Vt = Qi - Qo
（1）
mt = Qi ρi - Qo ρo
（2）
ms = Qs ρs
（3）
式（1）、式（2）分别表示体积和质量的平衡。式（3）给
挖泥船疏浚作业是非常复杂的过程，其中泥舱装载过 程包括 3 个阶段[6]：
第 1 阶段：从装载开始到泥舱内装载物的高度达到溢 流堰的高度时 （图 1 中 OA 段）；
第 2 阶段：从溢流开始到最大载重时。此阶段因溢流 堰的高度和泥舱内的体积保持不变，因此该阶段被称为恒 体积阶段。水或低密度混合物在此阶段流出舱外 （图 1 中 AB 段）；
1.35 进仓密度 溢流密度
1.30
1.25
ρo /（kg·m-3）
1.20
1.15
1.10
1.05
1.00 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 时间 t / min
图 5 估算的溢流密度与实测进舱密度图
为了验证估算出的溢流量与溢流密度的精确度，利用
装舱质量进行验证。估算出的溢流量与溢流密度算出的装
通过数学模型估算出的溢流量 Qo 与进舱流量 Qi （由 传感器直接测量） 的曲线如图 4 所示。装舱过程中 （从 5 min 到 56 min），进舱流量维持在 10 m3/s 左右。23 min 时 开始溢流，溢流量也在 10 m3/s 上下波动，溢流量基本上等 于进舱流量，装舱体积保持不变。56 min 时装载停止，溢 流量也减小到 0 左右。58 min 时溢流堰高度下降，溢流量 出现最大值 30 m3/s 的波峰，随之变小。62 min 时溢流堰再 次下降，溢流量再次出现溢流波峰。78 min 时抛泥。曲线
中图分类号：Ｕ ６１５．３５１．２；ＴＰ２７３
文献标志码：Ａ
文章编号：１００３－３６８８（２０１２）０３－００３４－０４
A Method for Estimating Overflow LΒιβλιοθήκη Baiduss of Trailing Suction Hopper Dredger
WANG Pei-sheng1，YU Meng-hong2，SU Zhen2
4 预估结果
以上描述了一个自航耙吸挖泥船疏浚过程中泥舱沉积
过程的模型。由于该模型将可作为疏浚决策支持系统的一 部分进行在线使用，因此需要对模型进行验证和参数校
准。数据采用上海航道局耙吸挖泥船“新海凤”轮 2010 年 7 月 6 日在长江口作业时测得的数据。
根据以上动态模型，运用实测挖泥船数据，假定沙床 沉淀沙的密度 ρs 为 1 750 m3/kg，预估出溢流量 Qo 与模型 溢流密度 ρo。 4.1 溢流量
收稿日期：２０１２－０４－１１ 作者简介：王培胜（１９５４ — ），男，浙江宁波市人，副总经理，高级工
程师，主要从事疏浚船自动监控系统集成与技术保障等。
面的资料与成果还非常少。优化疏浚性能的一个重要因素 就是降低溢流损失[5]。由于在溢流管内存在空气，溢流密 度和溢流量不能通过传感器得到可靠的测量。本文提供了 一种利用数学模型和实测数据估算出溢流损失的方法，为 优化疏浚、提高挖泥船效率提供了有效的理论基础，对我 国耙吸挖泥船高效化研究具有积极的意义。 2 挖泥船装舱过程
反映了整个装舱过程中溢流量的大小，为操作人员提供了
另一个重要的疏浚参数。
35 进仓流量
估算溢流量 30
25
Qi /（m3·s-1）
20
15
10
5
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
时间 t / min
图 4 估算溢流量与实测进舱流量图
4.2 溢流密度 进舱密度 ρi （通过传感器测得） 与溢流密度 ρo （估算
（1. Shanghai Dahua Surveying & Mapping Co.，Ltd.，Shanghai 200136，China； 2. Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang，Jiangsu 212003，China）
产生的向上的水流所形成的。泥沙颗粒向下位移的体积调
用了同样体积的水向相反的方向流动。
ρs
ρ/（kg·m-3）
ρw
hs
ht - hw ht
h/m
图 2 水-层模型的密度分布
溢流量 Qo 是水的流量 Qw 和汤状混合物流量 Qms 之和。 假定流出泥舱的 Qw 等于沙床高度处向上的水流量。水流 Qw 的方向向上为正，而固体颗粒的流动方向向下为正 （见 图 3）。水的流量等于固体颗粒通过混合物的流量：
须使用以下模型：
Qo = ko姨2 g max（ht - ho，0）
（5）
显然，在模拟溢流量时存在某些不确定性。但是，由
于模型的开关性质，模型并不直接估计其参数。
3.3 溢流密度
此模型假定沙层以上的密度分布采用 1 个两层的 （分
段常数） 模型予以近似 （图 2）。该模型假定在汤状混合物
层以上形成一个薄水层。这一层水是由于泥沙颗粒沉降后
Abstract：Based on the study of foreign literatures in the related fields，these papers starts from the dredging mechanism， estimates the overflow rate and overflow density through the mud system dynamic modeling and makes a quantitative analysis of overflow loss，which is then verified with the measured data， showing good results. The overflow loss is essential to the decision making and automation of a dredger，and it also provides a theoretical basis for development of effective dredging decision-making software. Key words：ｔｒａｉｌｉｎｇ ｓｕｃｔｉｏｎ ｈｏｐｐｅｒ ｄｒｅｄｇｅｒ；ｏｖｅｒｆｌｏｗ ｌｏｓｓ；ｏｖｅｒｆｌｏｗ ｄｅｎｓｉｔｙ；ｍ ｏｄｅｌｉｎｇ
计算。但是，由于水层的高度 hw 是未知的，于是，汤状混
合物的密度 ρms 等于全部混合物的密度 ρm。即，这是一种
理想的混合状态，这也可以从图 3 中观察到。将 ρms = ρm 代
入式 （10），便可通过下式得出溢流密度：
ρo
=
（ρm Qms
ρw）Qms + Qw
+ ρw
（11）
方程式（8）、（9）和（11）构成了溢流密度 ρo 的模型。
15
10
5
装载质量 mt /（107 kg）
0 0 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 时间/h （a）装载体积
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5
0 0 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 时间/h
（b）装载质量
溢流高度 ho /m
10.5 10.0
Qi
ρi
Qw ρw
Qw
ht Qs
Qms ρms ρms
ρs
hs
ho Qo ρo
图 3 水-层模型示意图
Qw = Qsolids
（6）
式中：Qsolids 是固体颗粒在混合物中的体积流量。注意到
Qsolids 不同于 Qs，因为 Qs 是沙相对于沙床的流量，由于沙
床是上升的，所以 Qs 不同于 Qsolids。固体颗粒通过泥舱内某
第 3 阶段：从船舶达到其最大吃水到装载结束。此阶 段将溢流堰的高度下降以便使泥舱内的质量维持不变，因 此该阶段被称为恒载重吨阶段 （图 1 中 BC 段）。
装载开始，泥沙混合物通过耙头、管线进入泥舱。沙
２０１２ 年第 ３ 期
王培胜，等：耙吸挖泥船溢流损失估算的一种方法
·35·
装载体积 Vt /（103 m3）
出了沙的沉积量，式中：Qs 是自混合物层中进入沙床层的 沙的流量；ρs 是沙床的密度。 3.2 溢流量
如果溢出的混合物自由通过溢流管，其流量 Qo：
3
Qo = ko max（ht - ho，0）2
（4）
式中：ko 是取决于溢流管形状和周长的不确定参数。但
是，溢流管为满管 （如在溢流管内装有一个阀门），则必
２０１２ 年 ６ 月 第 ３ 期 总第 １８０ 期
中国港湾建设
China Harbour Engineering
Jun．，２０１２ Ｔｏｔａｌ １８０，Ｎ ｏ．３
耙吸挖泥船溢流损失估算的一种方法
王培胜 1，俞孟蕻 2，苏贞 2
（１．上海达华测绘有限公司，上海 ２００１３６；２．江苏科技大学，江苏 镇江 ２１２００３）
出） 的曲线如图 5 所示。由图中可以看出，从第 25 min 进 入横体积阶段溢流开始，溢流密度逐渐上升，到 55 min 装 载停止时溢流密度为 1 150 kg/m3，溢流密度已经很大，继 续装载已经不经济。通过水层模型估计出溢流密度大小， 为操作人员提供了直接、直观的信息。这对于控制指导疏 浚工况、提高疏浚效率有一定的积极意义。
1 概述 近年来，随着经济的快速发展，耙吸挖泥船在大规模
陆域形成工程及临海工业园区的建设中发挥着越来越关键 的作用[1]。尽管现代化自航耙吸挖泥船上安装了动态定位、 跟踪系统及全船综合控制系统，但是在挖泥船上至今还没 有可以对给定作业条件下 （土壤类型、疏浚深度、流速、 船舶工作状态等） 的疏浚性能进行优化的决策支持系统[2]。 目前我国建造的现代化挖泥船疏浚操作依然以经验和离线 采样数据分析为主[3]。其中溢流损失的大小不能确定一直 是制约优化决策的最关键因素[4]。
摘 要：结合国外相关领域的研究资料，从耙吸挖泥船疏浚机理出发，通过对泥舱系统动态建模，预估了泥舱溢流
量与溢流密度，对溢流损失做出了定量分析，并利用实船实测数据进行验证，效果良好。溢流损失大小的确定对于
挖泥船决策支持和自动控制是至关重要的，也为开发有效的辅助疏浚决策软件提供了理论依据。
关键词：耙吸挖泥船；溢流损失；溢流密度；建模
变大，溢流损失开始增大。当溢流损失变得很大继续疏浚
变得不经济时停止疏浚。因此确定溢流损失的大小对于疏
浚策略与优化控制是至关重要的。
3 动态沉积模型
3.1 质量平衡方程
该模型有 3 个状态变量：泥舱中的总质量 mt、混合 物在泥舱中的总体积 Vt 和沙的质量 ms。前两个状态可以 根据在线测量结果得出 （分别为挖泥船的吃水和泥舱内
9.5 9.0 8.5 8.0 7.5
0
O
0.25 0.50 0.75 1.00 1.25
A
B
时间/h
（c）溢流高度
图 1 泥舱装舱过程 3 个阶段
1.50 C
由自身的重力沉积在泥舱底部并形成沙床。在第 2 和第 3
阶段，泥舱顶层的混合物通过溢流堰排出。在开始阶段，
密度比较低，但是随着沙床的上升，混合物密度溢流密度