航道工程疏浚方法對(duì)比分析

殷浩翔 廣州港建設(shè)工程有限公司

1.引言

由于時(shí)間的推移，水利航道淤泥堆積現(xiàn)象會(huì)逐漸的嚴(yán)重，為了保證航道正常通航，為航道中水上作業(yè)工程提供良好的作業(yè)環(huán)境，水利部門需要定期或不定期對(duì)航道進(jìn)行疏浚，以防影響其他的水上作業(yè)。在航道疏浚中，需要多種作業(yè)設(shè)備，例如挖泥船，其也是航道疏浚過程中最重要的設(shè)備。挖泥船主要作用就是進(jìn)行挖出航道中沉積的淤泥，減少淤泥對(duì)航道的影響，給過往船舶提供一個(gè)順暢的通行條件。挖泥船的作業(yè)方式包括如下幾種：斗輪式、抓斗式、鏈斗式、鏟斗式以及耙吸式和絞吸式，本論文重點(diǎn)介紹后兩種作業(yè)方式。

2.工作原理對(duì)比分析

2.1 絞吸式挖泥船

挖泥船在對(duì)航道淤泥進(jìn)行清理時(shí)，使用最多的作業(yè)方式就是絞吸式。其工作原理闡述如下：在挖泥船吸水管前端設(shè)置旋轉(zhuǎn)鉸刀，利用其攪動(dòng)河底淤泥，同時(shí)對(duì)河底淤泥進(jìn)行切割，之后將泥沙淤泥通過吸泥管運(yùn)輸?shù)接倌喽逊e場(chǎng)。這種作業(yè)方式的優(yōu)勢(shì)為可以連續(xù)作業(yè)，挖泥、運(yùn)泥以及卸泥可以一體化完成，這些環(huán)節(jié)可以依次推進(jìn)，因此其工作效率較高，且能夠降低花費(fèi)。在水下淤泥疏浚時(shí)，通常使用該方法。

2.2 耙吸式挖泥船

采用粑吸式作業(yè)方式的挖泥船，通常在船體尾部或者船體兩舷處放置粑頭，航道淤泥就會(huì)通過粑頭吸入船體。這種作業(yè)方式優(yōu)勢(shì)在于其具有較高的抗風(fēng)浪能力，工作效率高，在處理淤泥時(shí)不會(huì)對(duì)船體的航行產(chǎn)生影響，因此主要應(yīng)用于沿海港口等。

2.3 鏈斗式挖泥船

采用鏈斗式作業(yè)方式的挖泥船其船體斗鏈上都帶有挖斗，挖斗在斗橋上會(huì)隨著導(dǎo)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，通過這種方式將沉積于河道中的淤泥運(yùn)輸?shù)剿嫔?，同時(shí)將錨纜向船體四周拋出，船體會(huì)隨著錨纜而移動(dòng)。挖泥船將淤泥從水底移向水面之后，接著會(huì)將其運(yùn)輸?shù)剿?，最終倒入泥阱。

2.4 鏟斗式挖泥船

采用鏟斗式作業(yè)方式的挖泥船可以將所有功率都集中在鏟斗上，因此其非常適用于開挖硬度較大的淤泥。這種挖泥船在作業(yè)的過程中會(huì)將鏟斗深入河道中，挖出河道中沉積的淤泥，然后利用吊桿將淤泥和鏟斗同時(shí)提升，利用回旋裝置將淤泥卸除到淤泥堆積點(diǎn)。

2.5 抓斗式挖泥船

采用抓斗式作業(yè)的挖泥船工作原理為：將泥斗懸掛于鋼索和吊桿上，由于泥斗自身的重力，其會(huì)下沉到海底處，并在海底處進(jìn)行淤泥的開挖。挖出淤泥后，抖索絞車將會(huì)啟動(dòng)。抓斗將會(huì)通過吊桿滑輪在吊斗鎖的作用下升起，轉(zhuǎn)動(dòng)挖泥機(jī)將會(huì)吊斗中的淤泥卸到淤泥池中。

3.使用場(chǎng)景及方法對(duì)比分析

當(dāng)前，挖泥船在對(duì)航道淤泥進(jìn)行清理時(shí)，使用最多的兩種作業(yè)方式為粑吸式和絞吸式，本章重點(diǎn)對(duì)上述兩種作業(yè)方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及使用場(chǎng)景進(jìn)行分析。

從挖泥作業(yè)位置到卸泥場(chǎng)之間的距離來看，粑吸式要遠(yuǎn)于絞吸式。絞吸式作業(yè)方式優(yōu)勢(shì)在于其挖掘輪廓準(zhǔn)確，并且能夠進(jìn)行不同淤泥的開挖。絞吸式挖泥船型號(hào)種類多樣，功率各不相同，最大和最小的功率相差近4000KW，但這種作業(yè)方法最大的缺陷就是無法進(jìn)行深水挖泥，最大挖泥深度僅僅為30m。

由于絞吸式挖泥屬于靜態(tài)挖泥的一種，因此在其工作時(shí)需要兩套以上的錨纜系統(tǒng)，但過多的錨纜卻影響航道其他船舶的通行。為了解決這一問題，有的挖泥機(jī)安裝了推進(jìn)器，避免在作業(yè)時(shí)被“絆住”。推進(jìn)器可以實(shí)現(xiàn)挖泥船在不同工作點(diǎn)間的移動(dòng)，幫助挖泥船駛離作業(yè)區(qū)域。

對(duì)于中小型挖泥船，其可以設(shè)計(jì)為可拆卸式，這種挖泥船主要用于無水路航道的挖泥。例如在建筑工地或者內(nèi)陸航道挖掘石子和沙粒。

圖1 典型絞吸式挖泥船平面布局圖

圖2 絞吸式挖泥船最大挖泥深度與自重的關(guān)系

圖3 絞刀功率與平底船最大吃水的關(guān)系

絞吸式挖泥船的挖掘工具為外船體頂部的鉸刀或者鉸刀頭，當(dāng)其深入到航道底部時(shí)，首先切割航道中沉積的淤泥，之后挖泥船將會(huì)以絞盤上固定的錨纜為中心進(jìn)行圓弧形旋轉(zhuǎn)。這一特點(diǎn)使其有別于吸揚(yáng)式挖泥機(jī)，吸揚(yáng)式挖泥機(jī)雖然有固定的纜繩定位，但其并不是定位樁，沒有定位樁定位。

在進(jìn)行絞吸式挖泥船設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮的設(shè)計(jì)因素為挖泥深度，設(shè)計(jì)師必須給出具體的最大和最小工作深度，挖泥船的挖泥深度將決定挖泥船的使用情境。挖泥船吃水深度將會(huì)隨著挖泥深度的增加而增加，而最小挖泥深度將會(huì)隨著船體吃水深度的增加而增加。因此當(dāng)挖泥深度增加時(shí)，船體最小挖泥深度也會(huì)增加，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮這一因素。

在絞吸式挖泥船作業(yè)時(shí)，鉸刀頭在挖掘河道淤泥產(chǎn)生的作用力將會(huì)通過定位樁傳給河道，隨著挖泥深度的增加，河道淤泥所受到的力矩也會(huì)變大，這就要求船體重量更重、體積更大，船體結(jié)構(gòu)會(huì)顯得異常笨重。另外，鉸刀支臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也應(yīng)該考慮最小挖泥深度，因?yàn)樵跈z修時(shí)，要求船體的鉸刀支臂離開作用面。

挖泥船設(shè)計(jì)者在進(jìn)行最小挖泥深度設(shè)計(jì)時(shí)，必須同時(shí)考慮鉸刀支臂結(jié)構(gòu)、船體進(jìn)水口結(jié)構(gòu)以及船體吃水深度。絞吸式挖泥船在進(jìn)行最小挖泥深度作業(yè)時(shí)，其船體底部不應(yīng)該緊貼地面，而應(yīng)該和水面具有一定的距離。為了滿足這一條件，如果絞吸式挖泥船最小深度設(shè)計(jì)的比較小，其船體寬度就要設(shè)計(jì)成大尺寸。船體吃水值最多要比最小挖泥深度大1m。冷水入口位置和船底的距離應(yīng)該大于最小挖泥深度，因?yàn)橹挥羞@樣才能避免淤泥進(jìn)入到冷水入口。

在進(jìn)行絞吸式挖泥船設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮作業(yè)土壤狀況，因?yàn)橥寥罓顩r不同，絞吸式挖泥船的鋼樁、平底船以及鉸刀就不同。除此之后，作業(yè)土壤狀況還會(huì)對(duì)輸泥管和吸泥管的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。當(dāng)作業(yè)功率相同，切削量相同時(shí)，絞吸式挖泥機(jī)在巖石型土壤的作業(yè)功率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在泥沙型土壤的作業(yè)功率，因此如果作業(yè)土壤為巖石型，輸泥管直徑設(shè)計(jì)值就要小一點(diǎn)。

絞吸式挖泥船生產(chǎn)效率將會(huì)隨著淤泥混合物含量的增加而增加。保持挖泥船效率不變，在提高運(yùn)輸淤泥混合物含量的同時(shí)，可以減少泥泵運(yùn)輸功率。但泥泵運(yùn)輸功率的增加會(huì)帶來溢流量的增加，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須全盤考慮，綜合衡量。

絞吸式挖泥船作業(yè)過程中駁船的使用需要同時(shí)考慮泥泵功率以及運(yùn)輸距離。當(dāng)作業(yè)區(qū)域和卸泥區(qū)域距離較大時(shí)，需使用駁船，當(dāng)作業(yè)區(qū)域和卸泥區(qū)域距離比較短，則無需使用駁船。

為了提高絞吸式挖泥船的作業(yè)功率，有的絞吸式挖泥船要求使用時(shí)配備外加水泵。水泵功率的選擇方法為在駁船裝卸過程中，確保只有水泵工作能夠達(dá)到要求。另外，管道長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)以及作業(yè)土壤類型的選擇也需要考慮此因素。當(dāng)駁船作業(yè)功率比較高時(shí)，建議使用者選擇安裝水下泵，利用水下泵進(jìn)行污泥的運(yùn)輸。安裝水下泵后，泥泵功率除了可以用于污泥的運(yùn)輸，也可以用于污泥的卸下。對(duì)于安裝了水下泵的挖泥船，其最大作業(yè)壓力取決于水下泵密封性。當(dāng)前，比較常見挖泥船的作業(yè)壓力大概在25到30bar之間。

4 .結(jié)語

水運(yùn)交通的發(fā)展離不開航道工程的建設(shè)。隨著時(shí)間的推移以及航道等級(jí)的改變，航道泥沙狀況以及水動(dòng)力環(huán)境都會(huì)發(fā)生變化，因此需要對(duì)航道淤泥進(jìn)行定期或者不定期地整治和疏浚。本文對(duì)比分析了不同的航道疏浚方法，主要對(duì)其中的粑吸式航道疏浚方法以及絞吸式航道疏浚方法進(jìn)行探討，為今后航道疏浚方法的選擇提供一定的參考。