疏浚技術的最新發展方向論文
1、前言
幾個世紀以來，水一直都是人類的朋友和對手，我們利用水來進行貨運和客運，但在風暴和洪災期間，我們又要設法逃生。我們興建港口航道以滿足運輸需要；興建堤壩和其它建築物以抵抗洪水以及在海上吹填造陸，等等。因此，疏浚裝置是必不可少的工具。
近來疏浚工程不斷髮生變化，規模擴大，致使疏浚裝置也不斷髮展和創新，以滿足不斷增加的疏浚機具需求。
2、耙吸挖泥船的設計
對於疏浚業來說，吹填造陸是其中一個主要業務領域。在世界許多地方，工業園區的需求在不斷增加，例如機場、集裝箱碼頭或工業廠房、住宅區等。新加坡吹填工程和阿聯酋迪拜棕櫚島ⅰ、Ⅱ期大型吹填工程就是一些大規模吹填造地的例子。工程必須開挖和運送千百萬方砂來填築吹填區和連線島嶼；現有航道必須浚深以通航更大型船舶；環保、地理和政治因素也可能會導致挖泥船運距加長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施工，尤其是當航距不斷增加的情況下，大艙容耙吸船比小艙容耙吸船的採砂成本更低。1992年以前，耙吸船的最大艙容都不超過10000m3，其後，艙容則不斷增加。
1994年，IHC公司建造了“Pearl River”號（17000m3）、1998年“Volvox Terranova”號（20000m3）、2001年“HAM318”號（23700m3）、2000年“Vasco da Gama”號（33000m3），最近又完成了“WD Fairway”號擴改為350003的工程，而“Vasco da Gama”號艙容將增加至440003.填砂護灘以及近岸拋沙都要求耙吸船靠岸施工，“Waterway”號（2000年造）和“Coastway”號（2002年造）滿載吃水只有66m，都可以靠近海施工。
3、開溝和開挖深坑開溝是海床管線鋪設的預備工作。
視土質情況而定，開溝方法多種多樣，其中一項就是採用疏浚方法。
在完成開溝和鋪管工作後，有時還需要覆蓋，以保護管線。覆蓋施工方法很多，例如拋石法、自然海流法和透過耙吸船吸管回埋法。藉助吸管將沙從泥艙泵送到溝槽進行回埋作業。
現在，許多大型耙吸船都擁有深水開溝或為保護海上油氣開採裝置的進行所謂的大深坑開挖功能。
“Vasco da Gama”號安裝了挖深達160m的深水開挖裝置。為達到160m挖深並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6500kW的高效潛水泵。
4、有限元法
在挖泥船設計過程中，有限元法（FE法）是必不可少的。這些計算方法的專業應用可獲得強固的船體結構，同時重量卻相對較輕，使船船獲得更多的裝載量。
由於在外海環境下疏浚施工以及連續不斷的裝艙卸艙過程，耙吸挖泥船的船體要在強侵蝕環境下經受各種週期性荷載。耙吸船的設計特點包括較小的艙容/船長比，這意味著荷載主要集中在船中部，導致較大的船體大梁彎矩和高剪下強度。
此外，由於採用大功率挖掘裝置以及帶艙底泥門的泥艙結構佈置，不可避免地要求船體採用大量不連續性設計。
為最佳化船體的應力重量比以及最大化船體細部結構的強度和疲勞壽命，採用了有限元計算方法。
大型絞吸挖泥船在開敞水域施工時要承受因波浪和開挖岩石時船體振動而產生的大幅波動的荷載。
船舶與海床之間以及橋樑耳軸與定位樁臺車之間的船體形成（撓性）連線的位置上發生裂紋的機率相對較高。
應用有限元計算法可最大限度地減少應力集中出現並提高疲勞壽命。有限元計算法進一步應用於最佳化絞刀橋樑與定位樁的強度和硬度。為了避免因振動產生的共振或過度變形，目前IHC公司正在建立一個絞刀橋樑與船體的有限元模型以判斷這種振動特性。
5、高航行效率船舶的航行阻力取決於船體周圍的水流和航行過程中船舶所產生的波浪。
透過適當的船體設計，可以大大地減少航行阻力並提高船舶的總能量效益。船頭設計尤為重要，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，結果減少了波浪造成的航行阻力，因為船舶產生的波浪主要由船頭形狀決定。精心設計的球鼻船頭產生的波浪遠小於傳統船頭的波浪。
根據利用CFD計算法獲得的船體設汁經驗，IHC公司設計出一款形狀特別的船尾。船尾設計獲得一個進入推進器的理想水流通道，可以減少推進器振動並獲得更高的效率。
6、流體動力計算（CFD）
CFD方法可計算出這些船體設計變化的結果。如上所述，船頭對航行效率有很大的影響，同樣，船體與推進器之間的相互作用可透過CFD方法計算。
船體產生的渦流對航行效率有一定影響，並可能產生振動。CFD方法可為最佳化船舶設計提供資料，並最終獲得最佳的水流進入推進器。
對於挖泥船，風、波浪和潮流作用方面的資料對於預測不同天氣狀況下的船舶操縱效能是必不可少的。透過使用CFD計算方法獲得的某些係數可以預測操縱效能。
7、泥泵IHC公司開發出高效泥泵，在同等安裝功率情況下可獲得比普通標準泥泵更高的產量。
為確保泥泵效能和預測耐磨性，在IHC公司的研究部門（荷蘭MTl）進行了由CFD分析方法輔助進行的`實驗室研究。荷蘭MTI有一套可測試泥泵的環路，環路管直徑為300mm，可提供可靠的實型泵試驗結果。
為了提高產量，現代耙吸挖泥船都裝有射流泵，其一般有3項主要功能：
（1）使底土流體化並減少耙頭所需切削力。
（2）使泥艙疏浚土在卸艙期間流體化，以縮短卸艙時間。
（3）卸艙後清洗泥艙。
為了防止射流水中有時夾帶過多沙粒造成高磨損率，多功能、小型高效泥泵越來越多被用作射流泵。
為了最佳化疏浚效率，疏浚過程中的泵速必須根據真空度、泥漿流速和泥漿濃度等疏浚引數進行最佳化凋整。
IHC公司開發的Variblock齒輪箱是一種可連續變速傳動齒輪箱，它可在恆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，可實現各種輸出速度，例如，在輸出速度15%增減幅度內，齒輪箱總效率達94%. Variblock齒輪箱可避除非自航吸揚挖泥船（例如絞吸挖泥船）在不同管線長度情況下對葉輪直徑的調整。其投資額遠低於一個泥泵電動裝置，而且所有液壓配件在全球可即時供應。
8、耙頭耙吸挖泥船的耙頭對挖泥船的效能有很大影響，因此其設計、質量和多用途性是至關重要的。
儘管挖泥產量主要由耙頭寬度、開挖厚度和航速決定，而其它因素也起著重要作用。例如所需拖曳力等。耙頭設計通常會詳細考慮疏浚過程的所有其它主要因素。
多年來已經開發出多種型別的耙頭。最初，耙頭完全根據沖刷原理設計：即在耙頭活動擋板與底床之間產生水流。例如，IHC公司的Dutch（荷蘭）型耙頭，水流主要從擋板後面進入耙頭，而Califoenia（加利福尼亞）型耙頭的水流則主要從擋板兩側進入。
耙頭藉助底床上的水流在底床與耙頭之間產生的壓差，將底土疏鬆並挖起。最新式的現代耙頭則在整個耙頭寬度的固定部件裝有射流裝置，在活動擋板上裝有切割刀片或切削齒，藉助上述兩者的共同作用，可降低耙頭所需的壓差，同時產量卻可大大提高。透過調節擋板後側的進水瓣，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，擋板透過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位置，使之能夠抵消因切削刀造成的上衝運動，這可採用一個預調切削力完成。
在切削十分細密的砂層時，即使採用傳統的射流水，刀齒的貫入度還是不足夠的，結果導致產量低。為此，最近IHC公司進行了一系列研究和模型試驗，在噴嘴相對於切削刀的不同位置進行了測試。儘管目前試驗還沒有全部完成，但初步結果似乎不錯，一個額外的優點就是進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，而最新發展顯示，耙頭相配套的吸管直徑已達到1 400mm.
9、裝艙過程耙吸挖泥船的效率效益可透過改進泥艙的沉澱過程來改善。
在開挖細砂時，耙吸船的裝艙時間與泥砂沉澱的關係是相當密切的。高效的沉澱過程可縮短裝艙時間，從而縮短疏浚週期，結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。考慮到當前所需的投資，更高效率的施工可相當大地提高船舶的收益率。
IHC公司為了作進一步深入研究，與國際疏浚公司（DI）合作開始一項廣泛的研究計劃。為了獲取更多經驗並能夠對實型裝置的各種設計方案進行比較，MTI研究院在“Antigoon”號耙吸船上安裝了一套大型試驗裝置。
泥砂的沉澱過程不僅取決於泥艙的設計，還與泥艙的進入水流有關。除了泥艙設計外，泥沙的沉澱也是取決於泥艙進入水流的因素之一，例如，選擇合適的進入水流流速分佈可大大的改善泥沙沉澱過程。這些使用大型試驗裝置的試驗的觀測和評估結果使我們在總體上和特定情形下的泥沙沉澱都有了更深的認識。利用根據獲得的認識進行的改動將有助於開發出新的設計工具及改進泥艙設計，以提高泥艙沉澱效率，從而提高耙吸船的實際產量。
10、自動化控制挖泥船通常必須在設定的位置或路徑上精確地施工，在開溝、拋砂或吹岸施工時尤其如此。
自動化控制不僅可以提高挖泥船的效率，而且在某些情況下，甚至預先要求安裝動態定位和動態跟蹤（DP／DT）系統，以確保疏浚裝置能在近海或港區內進行維護疏浚施工。
藉助先進的測量和自動化系統、整合控制系統能夠處理疏浚過程中的眾多引數，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沉積。同時降低了流動阻力，結果獲得了最佳的燃油和磨損效率。
泥漿流速的自動化控制系統提高了裝艙效率，確保了更佳的極細泥沙顆粒沉澱。這樣可減少溢流損失、油耗和磨損，這套系統也可應用於其它型別的挖泥船。
相關資料直觀地顯示在顯示屏上。資料顯示和所有功能控制，如裝艙過程、自動化疏浚、卸艙過程、動力管理、報表、與測量裝置和地理定位系統的通訊等都可在一個或多個MMl（人機介面）系統上進行，為了最佳化操作者環境，引入操作者控制中心（OCC）作為一個操作者友好的工作站。
顯然、當前疏浚業中的開發創新是永無止境的，在未來幾年，IHC公司將繼續發揮其重要作用，在廣闊的領域為疏浚業不斷提供解決方案。