大型耙吸船在黏性土質(zhì)條件下的施工

何新偉，杜志軒

(中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290)

隨著國(guó)內(nèi)外疏浚工程施工項(xiàng)目所涉及的航道疏浚水深增加，施工土質(zhì)情況越發(fā)復(fù)雜。尤其是面對(duì)黏土疏浚工程項(xiàng)目時(shí)，如何解決耙吸船高效挖掘硬質(zhì)黏土的問(wèn)題，成為一個(gè)以疏浚為主業(yè)的公司迫切需要解決的問(wèn)題，也是進(jìn)一步拓寬耙吸船適用領(lǐng)域的關(guān)鍵方向。

目前國(guó)內(nèi)外多家疏浚龍頭企業(yè)及科研單位已對(duì)耙吸船黏土施工進(jìn)行了深入研究，包括耙吸船增加水下泥泵、耙頭改造、耙頭高壓沖水、船舶施工工藝等方面，且取得了多項(xiàng)成果，如耙吸船增加水下泵技術(shù)分析、耙頭沖水系統(tǒng)優(yōu)化、軟格柵改造、施工工藝的優(yōu)化等[1-6]。本文以連云港工程為基點(diǎn)，結(jié)合六號(hào)錨地錨位單位工程疏浚施工經(jīng)驗(yàn)，介紹本工程大型耙吸船在黏性土質(zhì)條件下通過(guò)引進(jìn)水下泵設(shè)備、增強(qiáng)高壓沖水、改造耙頭以及采用“泥沙墊艙+黏土裝艙”新型施工工藝等方法的施工效果，為其他類似工況條件下的施工提供參考。

1 工程概況

本工程主要施工內(nèi)容為六號(hào)錨地錨位的疏浚(包括30萬(wàn)噸級(jí)散貨船錨位、30萬(wàn)噸級(jí)油船錨位)、推薦航線的疏浚以及徐圩航道X7+015～X12+515段的掃淺工程。見(jiàn)圖1。

其中六號(hào)錨地施工區(qū)位于外航道外段E點(diǎn)南側(cè)，面積25.4 km2,錨地北邊線距航道軸線1.6 km，自然水深21.9～27.2 m。六號(hào)錨地內(nèi)布置30萬(wàn)噸級(jí)散貨船錨位以及30萬(wàn)噸級(jí)油船錨位各1個(gè)，錨位尺寸均為1.3 km×1.3 km，設(shè)計(jì)底高程分別為-28.7和-28.1 m，設(shè)計(jì)邊坡1:5。散貨船錨位主要疏浚土質(zhì)為淤泥混砂，30萬(wàn)噸級(jí)油船錨位主要疏浚土質(zhì)為黏土。

圖1 工程施工總平面

2 施工難點(diǎn)

1)工程自2018年11月開(kāi)工，合同重要工期節(jié)點(diǎn)為2019年3月，基建工程量大，施工時(shí)間短，節(jié)點(diǎn)壓力重。

2)工程涉及耙吸船黏土施工。其中，六號(hào)錨地油船錨位施工區(qū)主要為黏土土質(zhì)，標(biāo)貫系數(shù)大(部分區(qū)域標(biāo)貫系數(shù)N超過(guò)20)，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，耙吸船黏土施工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)悶耙、堵耙以及泥艙疏浚土板結(jié)等問(wèn)題，對(duì)施工效率、施工進(jìn)度影響較大。施工區(qū)相關(guān)土質(zhì)資料見(jiàn)表1、圖2。

表1 土質(zhì)分級(jí)疏浚工程量

圖2 油船錨位土質(zhì)情況

3 施工設(shè)備及施工工藝調(diào)整

3.1 施工設(shè)備

隨著疏浚深度增加，船舶對(duì)泥泵真空度的要求提高，而艙內(nèi)泵受安裝位置的限制，其所能提供的真空度有限。尤其在本工程黏性土質(zhì)開(kāi)挖條件下，疏浚土沿耙管搬運(yùn)至泥艙過(guò)程中易出現(xiàn)黏土粘接現(xiàn)象。這種情況下，耙吸船對(duì)泥泵功率和泥泵真空度要求更高，傳統(tǒng)艙內(nèi)泵難以達(dá)到施工要求[7]。而采用水下泵設(shè)備的施工船舶在相同挖深的情況下，可減少泵吸高度和沿程水頭損失，有效提高疏浚濃度和施工效率。

耙頭泥漿濃度公式為：

(1)

式中：ρ為泥漿密度(kg/m3)；P0為大氣壓力(Pa)；PNPSHr為泥泵必需氣蝕余量(Pa)；ρw為海水密度(kg/m3)；g為重力加速度(m/s2)；H為挖深(m)；Hs為耙頭吸口面至泥泵中心面的水平高差(m)；v為泥泵進(jìn)口處平均流速(m/s)；λ為沿程損失系數(shù)；L為吸管長(zhǎng)度(m)；D為吸管直徑(m)；ξ為局部損失系數(shù)。

在相同挖深的情況下，相比艙內(nèi)泵，采用水下泵設(shè)計(jì)的施工船舶，其耙頭吸口面至泥泵中心面的水平高差Hs減小，吸管長(zhǎng)度L減小，沿程壓力損失減小，泥漿密度ρ明顯增加，進(jìn)而增加船舶過(guò)泵產(chǎn)量，減少裝艙時(shí)間，提高船舶疏浚效率。艙內(nèi)泵、水下泵運(yùn)轉(zhuǎn)見(jiàn)圖3。

注：Pb1為耙頭處壓力。

為保證投入的施工船舶能夠滿足本工程黏土施工的需要，在開(kāi)工初期立即調(diào)遣“浚洋1”輪進(jìn)場(chǎng)施工，作為當(dāng)前亞洲最先進(jìn)的耙吸挖泥船，“浚洋1”輪左、右耙均裝備有先進(jìn)的水下泵設(shè)備，能夠提供的泥泵功率和泥泵真空度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常黏土施工的需要。

2019年3月，六號(hào)錨地后期掃淺施工階段，“浚洋1”輪右耙水下泵受船舶設(shè)備狀態(tài)影響無(wú)法正常工作，采用IHC公司設(shè)計(jì)“浚洋1”輪時(shí)提供的備選方案，將右水下泵拆除，通過(guò)管路改換，連接右耙艙內(nèi)泵。分析左耙水下泵、右耙艙內(nèi)泵對(duì)部分硬質(zhì)淺點(diǎn)施工效果，發(fā)現(xiàn)水下泵運(yùn)轉(zhuǎn)效果確實(shí)優(yōu)于艙內(nèi)泵。

3.2 耙頭改造更換

耙吸船通過(guò)可以下放的耙臂管和耙頭挖掘水下疏浚土，再通過(guò)泥泵抽吸作用，將疏浚土運(yùn)送到泥艙內(nèi)。在耙吸船黏性土質(zhì)疏浚施工中，黏土顆粒的凝聚特性會(huì)增強(qiáng)疏浚土對(duì)耙齒和流道的附著力，在耙頭低流速回流區(qū)淤積沉淀，易形成堵耙、結(jié)塊等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率[8]。為解決上述問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化耙頭流道結(jié)構(gòu)、增大格柵開(kāi)口尺寸、調(diào)整耙齒的安裝角度、改造單排耙頭耙齒分布等優(yōu)化措施，研發(fā)主動(dòng)式改造型黏土耙頭。

通過(guò)研究施工過(guò)程中耙頭流速、濃度、真空度穩(wěn)定性以及現(xiàn)場(chǎng)效果，發(fā)現(xiàn)耙頭更換后耙頭附著黏土明顯減少，悶耙、堵耙現(xiàn)象基本消除，證明改進(jìn)型耙頭施工效果較好，改進(jìn)型耙頭施工作業(yè)效果見(jiàn)圖4。

圖4 主動(dòng)式改造型耙頭施工作業(yè)效果

3.3 提高高壓沖水壓力

目前耙吸船耙頭均配備高壓沖水系統(tǒng)輔助施工，其中高壓沖水挖泥系統(tǒng)通過(guò)噴嘴噴射出的高壓射流沖刷、液化水底泥沙，提高疏浚土的含水量，進(jìn)而使疏浚物膨脹松散，以此提高挖掘效果[9]。在對(duì)黏性土質(zhì)施工時(shí)，其高壓沖水壓力大小更是直接影響耙齒噴頭、防堵噴頭以及耐磨塊上預(yù)切割高壓沖水噴頭的輔助切削效果。

“浚洋1”完成左高壓沖水系統(tǒng)的更換修復(fù)后，輪艙內(nèi)沖水壓力和耙頭沖水壓力均得到顯著提升，“浚洋1”輪油船錨位施工期間耙頭濃度由1.1～1.3 t/m3提升至1.15～1.35 t/m3，耙頭流速由4.9～5.5 m/s提升至5.0～6.0 m/s，船舶過(guò)泵產(chǎn)量提高約10%，施工效率提升明顯?！翱Ｑ?”輪艙內(nèi)沖水作業(yè)效果見(jiàn)圖5。

圖5 “浚洋1”輪艙內(nèi)沖水作業(yè)效果

3.4 改進(jìn)施工工藝

由于黏土土質(zhì)具有聯(lián)結(jié)強(qiáng)度大、土質(zhì)密度高的特點(diǎn)[10]，因此滿載情況下，船舶泥艙下層疏浚土易受泥艙疏浚土重力影響，導(dǎo)致疏浚土在裝艙單元入口發(fā)生板結(jié)固化(尤其是泥泵管道排出端下方的裝艙單元)，致使拋泥難度增加、拋泥時(shí)間延長(zhǎng)、整體施工能效降低。

為解決上述問(wèn)題，對(duì)船舶施工工藝進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，先后采用了3種措施：

1)船舶在油船錨地和散貨船錨地輪流施工。待油船錨地施工后，通過(guò)散貨船錨地施工期間泥漿對(duì)于泥艙剩余黏土的沖刷浸泡，減少黏土在船舶泥艙的滯留，從而降低下一船油船錨地施工后的拋泥難度。

2)縮短拋泥時(shí)間。質(zhì)量較大、密度較高的疏浚物集中于2#、4#、5#泥門(mén)柱附近，導(dǎo)致拋泥過(guò)程中上述拋泥單元拋泥困難、拋泥時(shí)間增加，若拋泥過(guò)程中不開(kāi)啟上述泥門(mén)，而通過(guò)泥泵沖水將此單元疏浚土沖刷，可縮短拋泥時(shí)間。

3)采用“泥沙墊艙+黏土裝艙”的施工工藝?！翱Ｑ?”輪在散貨船錨位施工0.5 h，待泥艙中裝載部分淤泥及少量砂土后，再前往油船錨位施工，以淤泥、沙土作為后期裝載黏土與船舶泥艙間的潤(rùn)滑劑，減少油船錨位黏土的板結(jié)固化，降低船舶拋泥難度。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用3種工藝調(diào)整后，“浚洋1”輪拋泥時(shí)間均有一定幅度的縮短，但相較于第1、2種工藝調(diào)整效果，第3種調(diào)整效果最好，拋泥時(shí)間最短。相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

通過(guò)對(duì)船舶施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，施工工藝最終調(diào)整后，“浚洋1”輪拋泥時(shí)間及泥艙疏浚土殘留量降低明顯，平均拋泥時(shí)間由52 min縮短至30 min，單船施工周期降低9.4%，船舶施工效率提升明顯。

表2 “浚洋1”輪施工工藝調(diào)整前后施工周期對(duì)比 min

4 成果檢驗(yàn)

通過(guò)采取耙頭改造更換、提高高壓沖水壓力、改進(jìn)施工工藝措施，“浚洋1”輪施工效率提升明顯，通過(guò)對(duì)施工數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，“浚洋1”輪在單船裝載量基本不變的情況下，船舶施工周期縮短0.43 h，施工效率為3 229.7 m3/h，較措施實(shí)行前提升12.44%。船舶施工參數(shù)變化見(jiàn)表3。

表3 船舶施工參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

1)水下泵可以明顯提高泥泵真空度，提高施工過(guò)程中耙頭泥漿濃度。

2)提高高壓沖水壓力和采用改造后的黏土耙頭可以減少悶耙、堵耙現(xiàn)象，提高耙頭泥漿濃度和泥漿流速。

3)“泥沙墊艙+黏土裝艙”的施工工藝以淤泥及少量沙土作為疏浚黏土與泥艙間的潤(rùn)滑劑，減少黏土在船舶泥艙的滯留板結(jié)，縮短船舶拋泥時(shí)間。

4)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)，耙吸船黏土施工措施效果良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，為類似工況條件下的船機(jī)設(shè)備安排選取及施工措施的制定優(yōu)化提供了經(jīng)驗(yàn)。