航道疏浚工程中硬黏土施工設(shè)計(jì)及實(shí)踐

曹承愷

【摘 要】 針對(duì)在航道疏浚工程施工過程中硬黏土的開挖難度問題，結(jié)合某航道疏浚的實(shí)際情況，分析硬黏土開挖對(duì)設(shè)備和工藝的具體要求，提出改進(jìn)建議：增加耙頭破土能力，適當(dāng)調(diào)節(jié)波浪補(bǔ)償器的壓力；采用特殊拋泥方式，節(jié)省拋泥時(shí)間，提高拋泥效率；減少耙齒數(shù)量，合理設(shè)計(jì)格柵的大小可以減少耙齒堵塞。

【關(guān)鍵詞】 航道疏浚；硬黏土；高壓沖水；耙頭；切削力

黏土又稱可塑性土，其黏度及硬度可通過塑性指數(shù)、塑限、液限、密度等參數(shù)來(lái)表示。黏土一般由硅酸鹽礦物在地球表面風(fēng)化后形成。一般在原地風(fēng)化、顆粒較大而成分接近于原來(lái)石塊的，稱為原生黏土或一次黏土；而黏土繼續(xù)風(fēng)化而變幼，再經(jīng)流水及風(fēng)力的遷移，并在下游形成一層厚厚的黏土，稱之為次生黏土或二次黏土。硬質(zhì)黏土主要由高嶺石及硬水鋁石、伊利石、葉臘石等礦物組成，Al2O3含量（熟料）為30%～50%，耐火度達(dá)～℃，耐火性及高溫下的熱穩(wěn)定性均較好。硬質(zhì)黏土質(zhì)地堅(jiān)硬，呈致密塊狀、鮞狀，較易風(fēng)化，不具有可塑性。

對(duì)航道疏浚工程來(lái)說，黏土是較難開挖的一類土質(zhì)，其難度主要表現(xiàn)在破土能力弱、拋泥黏滯、耙頭容易堵塞等現(xiàn)象，對(duì)疏浚船舶施工設(shè)備及工藝有著較高的要求，需要在施工中給予充分的重視，并不斷地探索。

本文從增加破土能力、拋泥效率和減少耙頭堵塞等3個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)及研究，以期提高開挖硬黏土施工效率。

1 硬黏土施工工藝及實(shí)踐

1.1 增加耙頭破土能力

耙頭的破土能力主要與其切削力有關(guān)，而切削力的大小與比能有關(guān)。比能，是指切削1 m3土所需要的能量，可表示為

由式（2）可以看出，耙頭所需要的切削力與比能、切削深度及耙頭寬度有關(guān)。比能因不同的土質(zhì)而有所不同，耙頭寬度因受船舶尺寸的影響而固定不變，因此，耙頭獲得的切削力與切削深度成線性關(guān)系。要想獲得較高的切削力來(lái)提高產(chǎn)量，就應(yīng)盡量提高耙頭的破土深度，而耙頭的破土深度主要取決于耙頭的重量、耙齒的類型，以及高壓沖水的壓力和角度。耙吸船通常使用的是威龍耙頭，耙頭質(zhì)量為25 t，實(shí)踐證明這一質(zhì)量對(duì)于該施工區(qū)域的黏土有較好的破土能力。

威龍耙頭安裝了兩排耙齒，以加大刀耙頭的破土深度；在每個(gè)耙齒上設(shè)計(jì)一個(gè)孔型的水平高壓沖水出水口，在耐磨塊上再加一排螺栓型高壓沖水，用以提高水流對(duì)土壤的切削力。在第一層耙齒根部靠后一點(diǎn)的位置安裝了一排螺栓型的垂直高壓沖水，在耙頭活動(dòng)罩上加上一排螺栓型的水平高壓沖水，以減少黏土堵塞在耙頭內(nèi)（見圖1）。

通過航道施工過程分析，根據(jù)工程土質(zhì)，當(dāng)高壓沖水的壓力達(dá)到0.8 MPa時(shí)，耙頭有較好的破土效果。實(shí)踐證明，適當(dāng)調(diào)節(jié)波浪補(bǔ)償器的壓力，使耙頭與地面達(dá)到較好的貼合，破土能力的效果會(huì)更好。

1.2 提高拋泥效率

在硬黏土開挖過程中，拋泥的時(shí)間長(zhǎng)短及質(zhì)量直接影響到施工的效率。耙吸船使用的是錐形泥門，泥門直徑為3.5 m，泥門油缸最大行程為，且泥門靠船體兩側(cè)分布，中間為三角艙，疏浚土從泥門側(cè)面拋出船底。實(shí)踐證明，這種泥門形式不適合黏土的拋瀉，大量黏土堆積在泥門斜面及三角艙斜面上，尤其是三角艙壁上。雖然三角艙頂部配有高壓沖水，但效果并不明顯，主要是由于噴嘴的角度單一，存在大量死角，只有被水沖到的地方才會(huì)形成一條深溝，而沖不到的地方，黏土堆積嚴(yán)重；因此，在設(shè)計(jì)三角艙壁時(shí)，側(cè)面應(yīng)安裝2～4個(gè)橫向的高壓沖水噴嘴，加大沖刷面積，減小黏土在三角艙上的堆積。此外，在拋泥的工藝上也可加以一定的改進(jìn)。正常的拋泥方式是將所有泥門打開進(jìn)行拋泥，但在施工過程中發(fā)現(xiàn)，這種做法導(dǎo)致泥艙后半部分的4組泥門堆積大量黏土。

經(jīng)過分析，在泥艙拋泥時(shí)，前半部分的8組泥門主要以沙為主，含有少量小塊黏土，土質(zhì)較為疏松，較容易拋出，后半部分的4組泥門主要為硬性黏土。針對(duì)這一情況，耙吸船需要采用針對(duì)該工程的特殊拋泥方式：先打開后半部分的4組泥門，并全部打開高壓沖水，利用艙內(nèi)水的壓力將這4組泥門打通；待打通后再開其他8組泥門，再配以高壓沖水將前面的沙沖掉。此種拋泥方式大大節(jié)省了拋泥時(shí)間，使挖泥效率得到了顯著的提高。根據(jù)施工過程的統(tǒng)計(jì)，使用此種拋泥方式，每船次能夠節(jié)省拋泥時(shí)間30 min。

1.3 減少耙頭堵塞

在硬黏土開挖過程中，耙頭堵塞一直是困擾施工的問題之一。目前，解決這一問題的有效辦法就是在耙頭內(nèi)安裝高壓沖水，對(duì)耙頭內(nèi)的黏土進(jìn)行沖刷，但由于耙吸船使用的耙頭高壓沖水噴嘴過多，沖刷作用并不明顯，因此起耙后有大量黏土堵塞在耙頭空腔中。

根據(jù)工程實(shí)踐，在硬黏土開挖過程中，耙齒數(shù)量過多會(huì)加劇耙頭的堵塞程度，因此，船舶對(duì)耙齒的數(shù)量及高壓沖水的安裝位置進(jìn)行了改造。經(jīng)過一段時(shí)間的觀察及反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，每隔3個(gè)耙齒保留1個(gè)高壓沖水裝置時(shí)耙頭堵塞最少。數(shù)據(jù)記錄表明，在硬黏土開挖過程中，減少耙齒的數(shù)量并不會(huì)影響施工的效率，原因在于隨著耙頭堵塞的減少，硬黏土的濃度明顯提高。

通過施工可以發(fā)現(xiàn)，耙頭格柵的大小對(duì)耙頭的堵塞也存在一定的影響。格柵過大，會(huì)使過大的雜物通過格柵進(jìn)入泥泵，從而對(duì)泥泵和疏浚管路造成一定程度的破壞，合理設(shè)計(jì)格柵的大小也是減少耙頭堵塞的良好方法。以耙頭格柵大小為300 mm €？300 mm的耙吸船為例，通過實(shí)際施工發(fā)現(xiàn)，大部分黏土堵塞在300 mm ×300 mm的小格內(nèi)（見圖2）。適當(dāng)增加小格的寬度，將部分格柵變成300 mm ×400 mm，而最底層的大格尺寸仍保持300 mm × mm（見圖3），可以避免過大的雜物進(jìn)入耙頭。改裝后發(fā)現(xiàn)堵塞現(xiàn)象有所好轉(zhuǎn)。

目前，耙吸船采用的減少耙頭堵塞方法為泥沙沖擊法。由于施工區(qū)域邊坡外為中沙，該種沙對(duì)耙頭內(nèi)黏土的沖刷作用要遠(yuǎn)大于水流的沖刷作用，因此，無(wú)論是在施工過程中調(diào)頭還是起耙時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行2～3 min耙頭槽外挖沙作業(yè)再停泵，此時(shí)耙頭內(nèi)的黏土基本被沖洗干凈，可再放耙或上架。耙頭內(nèi)不被堵塞，提高了黏土的流量及濃度，從而提高施工效率。

2 結(jié) 語(yǔ)

隨著航道疏浚公司的日益發(fā)展，硬黏土開挖工程將越來(lái)越多。如何以科學(xué)理論為指導(dǎo)，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，提出一套行之有效的疏浚設(shè)備設(shè)計(jì)改造方法，是疏浚業(yè)需要解決的問題。航道疏浚公司可以根據(jù)實(shí)際情況建造一些專門適合黏土開挖的耙頭，做到專船專用，提高施工效率。