浅析量锤配重对耙吸船量舱效果的影响

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摘要： 根据泥浆浮力及张力的作用原理，通过实验得出量锤配重与泥浆浓度的关系，以确定量锤配重在不同泥浆浓度下的影响情况，达到工前预估配重的目的。

Abstract： According to the action principle of mud buoyancy and tension， the relationship between the weight of the hammer and the mud concentration is obtained through the experiment to determine the influence of the weight of the hammer at different mud concentration， to achieve the purpose of counterweight before construction.

P键词： 量锤；浮力；张力；下沉量；量舱效果

Key words： hammer；buoyancy；tension；sinking amount；volume effect

中图分类号：U61 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）08-0158-03

0 引言

委内瑞拉奥里诺科河航道疏浚工程自2011年10月13日开工以来，在外航道施工过程中，多次遇到量舱过程中量锤无法悬浮在泥面的情形，得到的量舱土方极低，大大浪费船舶的施工力量，对工程较为不利。因此通过研究不同配重的量锤在不同泥浆浓度下的沉降量来分析配重比例的最佳选择，以达到最大化的确保施工产量，保障公司的经济效益的目的。本文通过量锤的配重实验，进行探索量锤下沉的极限浓度，以满足工前预估量锤配重的要求。

1 工程概况

奥里诺科河航道疏浚工程分为外航道和内航道，航道全长196海里，其中外航道长77.8km，范围0.0～42.0海里，设计底宽122m，疏浚维护深度13.4m。内航道长285.2km，范围42.0～196.0海里，设计底宽从91m到200m不等，内航道设计水深为9.8～13.4m。

内航道采用测图下方计量方式：通过对浚前和浚后测量所得出土方量的差值，根据项目规定的计算范围，计算出有效疏浚土方量，超深部分不计算在内。

外航道土方计量采用装舱计量方式，详见下文及图1。

泥舱最大舱容（根据容积计算表），Vv

泥舱内沉淀物体积，Vt=V1+V2

泥舱内沉淀土方（V1）：为每个疏浚周期获得的土方量，使用测深锤读数（H）的平均值计算。

hi：单个测深锤的数值

n：测深锤的数量

H：测深锤读数的平均值，H=（h1+h2+…hn）/n

泥舱悬浮土方（V2）：为泥舱总容量（Vv）减去沉淀土方量（V1）的值，再乘以悬浮混合物的体积百分比（P）的平均值。悬浮混合物的体积百分比（P）的数值，通过对测深锤读数平均值50%处提取样品进行10分钟的离心分离来获得。

pi：单个体积百分比的数值。

P：体积百分比平均值，P=（p1+p2+…+pn）/n

泥舱内悬浮土方量，V2=（Vv-V1）×P

泥舱内装舱总土方量，Vt=V1+V2

泥舱内装舱净土方量，即工程款支付方量Vn，与泥舱内装舱总方量Vt数值相同。

泥舱净装舱方量，Vn=Vt。

2 量舱原理

量锤为一金属制半圆形中空锤状物，内部可放置加载铁块、砂砾或其他物质以调节重量，由于体积固定，通过调节量锤重量可以确定量锤的相对密度。详见图2、3及表1。

挖泥结束后，将量锤通过量舱孔放入泥舱中，待其稳定后读取量绳刻度，所得数据即为量舱数据，通过对照舱容表进行查找，确定泥舱内的土方量。

挖泥结束后泥舱内部疏浚物几乎不流动，可近似为静止流体，适用阿基米德原理。由该原理可知：潜没于静止流体中的物体受到一个垂直向上的力（浮力），大小等于该物体所排开的流体的重量，作用点为所排开流体的形心。公式为F浮=ρ泥gV排。其中：

ρ泥：浸入液体的密度（即泥浆的密度）；

g：重力加速度；

V排：浸入液体的体积。

根据量锤重力公式可得G=mg=ρgV，若只考虑浮力影响的情况下，F浮=G锤，则ρ泥=ρ锤，即只有在泥浆密度与量锤相对密度相等时，完全浸没量锤，量锤方能浮在泥面上。但通过施工过程中观察，泥浆浓度低于量锤相对密度时，量锤于泥舱内并未下沉，依然可以浮在泥面上，且下沉量也不多，由此可判断，量锤在泥浆中不仅受浮力影响，同时也受到不可忽略的液体表面张力的影响，即重力G=F浮+ F张。根据科学研究，液体表面张力仅仅与液体的性质和温度有关，测定方法一般采取毛细管上升法，通过公式γ=ρgHR/（2cosθ）可直接得到泥面的表面张力。

其中γ为表面张力；R为毛细管的半径；H为毛细管中液面上升的高度；ρ为测量液体的密度；g为当地重力加速度；θ为液体与管壁的接触角。

但由于现场实验条件有限，无法进行较为精密的实验，故重新设计一种更为直观的实验，以得到在不同密度的泥浆中，不同配重下的量锤下沉量h，如图4，5。

3 量锤实验

实验器材：量锤、电子称、加载铁球、泥浆比重计、抹布、水桶、直尺

实验流程：

步骤1：首先自泥舱内取半桶泥浆作为实验样品，桶内泥样高度要大于量锤的半径，并搅拌均匀；

步骤2：用泥浆比重计检测泥样的浓度，测三次取平均值作为该样品此时的浓度ρ；

步骤3：在电子秤上调节量锤重量，量锤配重密度取1.3～1.7，量锤重量分别为1807g、1946g、2085g、2224g、2363g，即为一组实验数据；

步骤4：将配重好的量锤轻放入水桶内，尽量保持平衡，待其稳定后取出，用直尺测量量锤壁上的泥样线高度h，测相对应的4个位置，取平均值，完成一次后用抹布擦干量锤，在进行配重，完成一组实验；

步骤5：完成一次验后，向水桶中缓慢注入清水，不断搅拌，并多次用泥浆比重计检测泥样密度，当密度预计达到所需要的值时，停止注入清水，通过泥浆比重计进行检测，确定泥样浓度为实验设计值，随后重复步骤2直至获得实验所需的全部数据，如图6至9，及表2所示。

4 实验结论

通过量锤下沉实验，可以看出，当不考虑其他影响因素时，泥浆密度小于1.20时，最轻的量锤也无法浮在泥面上，会持续下沉，直至泥浆密度大于1.20处，该部分土方只能通过离心后记为悬浮层土方；同时泥浆密度大于1.30时，最重的量锤也可悬浮在泥面上，即每种量锤配重均对应一个极限浓度，见表3。

由表3可知，量锤配重对应的极限浓度即为该量锤配重下的临界值，若施工中的实际泥浆浓度低于该临界值，则对应的量锤将无法悬浮在泥浆内，将导致测量出的土方量极低，造成较大的施工损失。

5 其他影响因素

在实际施工过程中，量舱的效果不仅取决于量锤的配重，还有许多其他影响因素：

①量舱人员的手法：量锤通过操作人员下放至泥舱内，下降速度的快慢决定了量锤拥有的动量以及对泥面产生的冲击力，下降速度越快，量锤砸入泥面的深度越深，量绳的读数越大，量舱土方越少；且量舱过程中必定有监理人员陪同，若监理人员进行干涉，提拉、晃动量绳，均会导致量锤进一步下沉，量舱土方减少。

②舱内泥浆密度分布不均匀：由于施工时间较短（装舱大约25分钟，溢流大约2分钟），挖泥过程中吸入泥舱的清水及低浓度泥浆无法确保溢流完全，仍零散分布在泥舱中，若量舱口附近的泥浆浓度较低，将会造成无法承托住量锤，致使量锤不停下降直到浓度较高的地方；若闸阀冲洗水依旧排入泥舱内部，也会影响舱内泥浆浓度。

③量舱时间的长短：结合上述两个原因，当量锤放入泥面的时间越长，下滑的量绳长度越多，量舱土方越少。

④船舶倾斜影响：挖泥过程中船舶会不同程度出现倾斜现象，艏艉左右均有可能倾斜，即会造成下倾的一边量舱值比上翘的一边量舱值小，当船舶处于满舱状态时，下倾的一边量舱值往往小于1m，但根据工程要求，单个量舱值最大即为1m，如此便造成土方的损失，故最佳量舱状态为船舶平吃水状态。

6 结论

理论上量锤的配重越轻对工程越有利（对承包方越有利），但实际施工过程中，业主及承包方必定要通过不断磋商协调达成一个双方均认可的量锤配重。通过实验得出的极限浓度，综合考虑实际工程情况及其他影响因素，可推断各泥浆浓度下的最适宜量锤配重，详见表4所示。

该结论可用于工前踏勘预估量锤配重。若某一工程土方计量采取量舱计量方式，在工程踏勘过程中，可通过观察现场实际泥浆密度，来预估与业主协调量锤配重的底线值。

奥里诺科河外航道0-36海里段土质上层以浮泥、淤泥为主，如图10、11所示，河床底质为含松散钙质物的粘质粉土。船舶施工目的主要是清除上层淤泥，不同海里段不同时期的淤泥浓度均不相同，浓度高的施工区段配重1.7 g/cm3也可量出满舱，浓度低的施工区段配重1.3g/cm3也未必能够托住量锤，故与业主协调沟通量锤的配重非常重要，若任由业主安排将直接影响工程完成情况。

在整个工程中，选择适宜的量锤配重，能够良好的控制船舶量舱效果，减少量舱过程中的土方损失，提高船舶施工效率，在其他条件相同的情况下，对确保施工产量、保障经济效益有着非常重要的作用及影响。

参考文献：

[1]JTS 207―2012，疏浚与吹填工程施工规范[S].

[2]周静娴.物理学[M].北京：中国农业出版社，2002.

[3]腾新荣.表面物理化学[M].化学工业出版社，2009.

[4]梅策香，王广平，柳钰，等.液体表面张力系数与浓度的关系试验研究.