淺窄航道耙吸挖泥船施工技術(shù)應(yīng)用探討

◎ 王佳鴻 武漢四達(dá)工程建設(shè)咨詢監(jiān)理有限公司

1.工程概況

某新港區(qū)項(xiàng)目碼頭配套改擴(kuò)建工程疏浚工程航道設(shè)計(jì)疏浚工程量為280×104m3，疏浚段總長(zhǎng)3.84km，底寬165m，邊坡設(shè)計(jì)比1:5。為保證航道開(kāi)挖疏浚施工工效，投入國(guó)內(nèi)研發(fā)生產(chǎn)的自航耙吸式挖泥船，該疏浚機(jī)械艙容量2×104m3，滿載吃水10.5m，排水量4.0×104t。考慮到航道疏浚施工區(qū)域自然水深并不大，難以滿足自航耙吸式挖泥船通途輪正常施工在安全通航水深方面的要求，所以開(kāi)挖施工時(shí)應(yīng)空船進(jìn)入，并選擇水深條件良好的區(qū)域采用單趟挖泥的方式，結(jié)合潮位的具體改變，進(jìn)行漸進(jìn)式開(kāi)挖疏浚施工，為控制疏浚挖泥船吃水，還應(yīng)采取9000m3的最低艙容檔。施工起始區(qū)段借助潮位變化的限定進(jìn)行控制，并加強(qiáng)挖泥船以下1.0m及以富余水深的安全界定。

2.淺窄航道耙吸挖泥船施工因素

2.1 施工影響因素

考慮到淺窄航道的水深無(wú)法滿足耙吸挖泥船滿載航行的要求，為此，本疏浚工程主要根據(jù)潮位的變化分段清淤漸進(jìn)施工，根據(jù)實(shí)際水深調(diào)整上線和裝艙量，并達(dá)到水深逐步改善的目的。為確保施工工效、施工進(jìn)度和船機(jī)安全，應(yīng)當(dāng)根據(jù)潮位變動(dòng)趨勢(shì)規(guī)律、耙吸挖泥船性能、實(shí)際及可能的裝載量、吃水增減關(guān)系等合理安排漸進(jìn)施工節(jié)奏，并主要以耙吸挖泥船船底富余水深為控制依據(jù)。隨疏浚區(qū)域水深的逐步增大必須隨之調(diào)整疏浚開(kāi)挖施工節(jié)奏，提升上線，確保開(kāi)挖長(zhǎng)度。

（1）航道斷面底高程里程：一般而言，淺窄航道里段水深淺，外段水深加深，所以從里段向外段疏浚施工的過(guò)程中，航道斷面底高程逐漸增大。考慮到航道里段水深不足，耙吸挖泥船施工受到很大限制，為此，必須充分利用潮汐的作用，在大潮高潮位時(shí)進(jìn)行里段淺區(qū)疏浚清淤，逐漸拓寬加深水深。

（2）潮位歷時(shí)：對(duì)于淺窄航道耙吸挖泥船疏浚施工而言，必須準(zhǔn)確掌握工程區(qū)潮汐運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)規(guī)律，并根據(jù)潮位變動(dòng)時(shí)間、變動(dòng)幅度、漲潮落潮歷時(shí)、潮位水深等數(shù)據(jù)進(jìn)行疏浚開(kāi)挖施工工藝和具體時(shí)間的合理安排。本次疏浚航道屬于典型的日潮港，其潮汐周期為1個(gè)太陰日，在半月內(nèi)大多數(shù)天數(shù)在1個(gè)太陽(yáng)日內(nèi)僅出現(xiàn)生1次高潮位或低潮位，也就是說(shuō)，時(shí)間是影響和決定該航道潮汐變動(dòng)趨勢(shì)和潮位信息的最主要因素。為此，忽略其余不重要的影響因素，僅考慮時(shí)間的影響，并充分借助高潮位的發(fā)生，按照潮位變化趨勢(shì)進(jìn)行施工節(jié)奏控制，通過(guò)調(diào)整溢流口高度控制耙吸挖泥船吃水，確保船底以下富余水深在1.0m及以上。

（3）挖泥時(shí)間、船舶吃水、排水量的關(guān)系：耙吸挖泥船屬于自航、自載水力式挖泥船，擁有常規(guī)性航行機(jī)具設(shè)施設(shè)備和整套耙吸挖泥疏浚工具，還包括泥漿裝載艙、艙底泥漿排放設(shè)備等。耙吸挖泥船通常采用挖運(yùn)吹/挖運(yùn)拋方式施工，也就是說(shuō)，耙吸挖泥船通?？蛰d航行至待疏浚施工區(qū)域，減速停泊后上線定位，再通過(guò)離心泥漿泵將船舶耙頭攪松的泥漿吸進(jìn)裝泥艙，并待裝滿或至設(shè)計(jì)裝載量后起耙，將耙吸挖泥船航行至吹填水域或拋泥區(qū)域后將艙內(nèi)疏浚土泥門(mén)打開(kāi)吹填或?qū)⑴摰椎哪嚅T(mén)打開(kāi)拋泥，拋空后空載航行至疏浚挖泥區(qū)域，繼續(xù)挖泥。

2.2 挖泥船施工富余水深

淺窄航道耙吸挖泥船清淤疏浚施工應(yīng)當(dāng)在確保船機(jī)安全的基礎(chǔ)上提高清淤量和施工工效，擴(kuò)展清淤施工工作面，其中較為核心的控制因素是挖泥船的富余水深，即在挖泥船上線選定時(shí)既充分考慮滿足船舶航行挖泥水深的需要，還應(yīng)確保其滿足設(shè)計(jì)施工進(jìn)度的要求。

對(duì)于所確定好的上線和里程邊界條件，既定時(shí)刻耙吸挖泥船富余水深表示如下：

式中：Hy—某個(gè)時(shí)刻耙吸挖泥船實(shí)際富余水深（m）；Hc（t）—同一時(shí)刻清淤疏浚區(qū)域?qū)嶋H潮位（m）；Hd（xt）—同一時(shí)刻耙吸挖泥船斷面水深（m）；H（t）—耙吸挖泥船實(shí)際吃水（m）。

某個(gè)清淤疏浚施工時(shí)刻耙吸挖泥船船位按下式確定：

式中：xt—施工時(shí)刻耙吸挖泥船船位（m）；x0—耙吸挖泥船上線（m）；v—耙吸挖泥船在疏浚施工段的實(shí)際航行速度（m/s）；t、t0—當(dāng)前、上線時(shí)刻（min）。

耙吸挖泥船在施工過(guò)程中某個(gè)時(shí)刻的吃水與挖泥施工時(shí)間存在密切關(guān)系，具體如下：

式中：HS（t）—耙吸挖泥船在施工過(guò)程中某個(gè)時(shí)刻的吃水（m）；f—函數(shù)關(guān)系；其余參數(shù)含義同前。

根據(jù)上述對(duì)耙吸挖泥船疏浚清淤施工過(guò)程中富余水深影響因素及函數(shù)關(guān)系的分析可以看出，耙吸挖泥船在具體施工時(shí)刻和清淤區(qū)域上線后可得出其富余水深的預(yù)測(cè)值（具體見(jiàn)圖1所示），并依據(jù)該取值對(duì)疏浚清淤施工過(guò)程加強(qiáng)指導(dǎo)控制，充分借助倒吹、旁排等措施使疏浚清淤施工作業(yè)面快速拓寬，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果具備裝艙條件后再進(jìn)行裝艙施工。

3.淺窄航道耙吸挖泥船施工工藝

3.1 施工準(zhǔn)備

在準(zhǔn)備階段，必須測(cè)量航道實(shí)際水深并檢測(cè)航道測(cè)圖，依據(jù)航道水深測(cè)圖確定航道里程和斷面高程之間的關(guān)系曲線；根據(jù)所掌握到的整個(gè)施工期內(nèi)歷時(shí)潮位數(shù)據(jù)，進(jìn)行施工過(guò)程中潮位信息的預(yù)測(cè)。在全面掌握耙吸挖泥船吃水、載重曲線的基礎(chǔ)上結(jié)合地形、淤泥質(zhì)等進(jìn)行施工曲線的修正。通過(guò)所獲取的上述信息便可得出耙吸挖泥船在具體時(shí)刻、具體施工位置的富余水深預(yù)測(cè)圖，并可據(jù)此進(jìn)行船底富余水深的模擬推演，加強(qiáng)對(duì)施工過(guò)程的指導(dǎo)和控制。結(jié)合耙吸挖泥船船底富余水深進(jìn)行航道上線里程的模擬驗(yàn)算，并根據(jù)施工時(shí)間，將船底富余水深確定在1.0m以上。

3.2 選擇上線位置

上線位置除受潮位影響外，還與耙吸挖泥船性能、施工區(qū)域、水深條件、潮流影響等有關(guān)，為避免橫流對(duì)船舶上線造成不利影響并增大操作困難，必須綜合考慮上述因素后確定上線位置。操縱耙吸挖泥船進(jìn)行邊線邊坡疏浚時(shí)必須以船舶艏側(cè)推與車(chē)舵相配合，通過(guò)抵消部分耙頭橫向力后更好地行駛在設(shè)計(jì)疏浚航線上。

3.3 航行挖泥

對(duì)于狹窄航道耙吸挖泥船很難掉頭的區(qū)域應(yīng)進(jìn)行進(jìn)退定深和分層施工的方式，并結(jié)合淤泥質(zhì)將分層開(kāi)挖厚度確定在0.3～0.5m范圍內(nèi)，隨著開(kāi)挖逐層加深。當(dāng)潮位升高時(shí)應(yīng)主要施工淺段，而當(dāng)潮位下降時(shí)主要施工航道深段，開(kāi)挖出的淤泥旁排或邊拋。為延長(zhǎng)挖泥施工作業(yè)區(qū)域，還應(yīng)通過(guò)調(diào)節(jié)裝艙口和閘閥，以確保挖泥船艏艉吃水平衡。

4.結(jié)論

圖1 耙吸挖泥船富余水深施工變化曲線

根據(jù)本文對(duì)某新港區(qū)項(xiàng)目碼頭配套改擴(kuò)建工程疏浚工程淺窄航道耙吸挖泥船施工影響因素的分析及清淤施工過(guò)程的探討可以看出，本文所提出的清淤施工技術(shù)主要采用非滿艙施工，并在挖泥清淤過(guò)程中，以挖泥船吃水而非泥漿裝艙情況為主要考慮因素，并充分借助清淤航道段潮汐變動(dòng)趨勢(shì)規(guī)律，根據(jù)可能及實(shí)際的潮位高度進(jìn)行施工區(qū)段劃分和限定，并實(shí)施進(jìn)退往返的漸進(jìn)式清淤挖泥，以達(dá)到不斷改善水深條件的目的。本文針對(duì)航道實(shí)際所提出的根據(jù)水深而非最大裝艙量的清淤施工方式以耙吸挖泥船及船載機(jī)械機(jī)具的安全為考慮重點(diǎn)，并以挖泥船底富余水深為關(guān)鍵性控制量，通過(guò)上線位置的拓展，增大開(kāi)挖施工區(qū)段長(zhǎng)度，提升清淤量和施工工效。本文所提出的清淤處理技術(shù)突破了耙吸挖泥船不適用于淺窄航道清淤施工的技術(shù)瓶頸，大大拓展了該清淤機(jī)械的施工領(lǐng)域和施工工效，對(duì)于類似航道清淤施工實(shí)踐具有借鑒參考價(jià)值。