水下沉箱在大厚度浮泥區(qū)域水下施工中的應(yīng)用分析

張 偉 薛方 張宇 黃一峰 黃立

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

某些特定水域在許多因素的共同作用下，易使軟浮泥聚集，且軟浮泥不易驅(qū)散或清理。例如在近岸的海灘、棧橋下相對(duì)封閉區(qū)域中，軟泥較易聚集，經(jīng)過(guò)擾動(dòng)會(huì)形成大量浮泥，導(dǎo)致該區(qū)域的水下能見(jiàn)度低、固體顆粒濃度高、浮泥密度大。在該區(qū)域進(jìn)行潛水作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較高，可能會(huì)給潛水員帶來(lái)人身傷害。

在傳統(tǒng)的作業(yè)過(guò)程中，面對(duì)海床軟泥的不斷回淤及浮泥干擾，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)不得不縮短潛水作業(yè)時(shí)間，通過(guò)反復(fù)吸泥來(lái)減少浮泥帶來(lái)的影響。甚至隨著作業(yè)不斷推進(jìn)，吸泥設(shè)備需要升級(jí)，增加排量，以應(yīng)對(duì)越來(lái)越嚴(yán)重的浮泥聚集情況。吸泥這種方法成本高、效率低，因此借鑒“干式艙”的工作思路，建立一種可以在水下隔離浮泥的“水下沉箱”，創(chuàng)建適合潛水作業(yè)的環(huán)境，保證潛水作業(yè)人員的安全。

1 軟泥、浮泥的影響

1.1 軟泥、浮泥聚集環(huán)境的形成

浮泥是指近底高含沙水體，是一種懸沙落淤或土體液化起懸的中間產(chǎn)物，普遍存在于淤泥質(zhì)沉積環(huán)境中，其密度或含沙量變化較大，每立方米含沙量可為10 至數(shù)百千克。

浮泥是由于黏性細(xì)顆粒泥沙為主的固態(tài)顆粒處于群體沉降或阻滯沉降階段時(shí)，水沙混合體排水速率小于水體內(nèi)泥沙凈輸入速率而產(chǎn)生的，是床面淤積過(guò)程或新淤淤泥發(fā)生液化的床面侵蝕過(guò)程的中間過(guò)渡產(chǎn)物。其形成的必要的條件包括：持續(xù)的細(xì)顆粒泥沙供給，較弱的水動(dòng)力環(huán)境以及細(xì)顆粒泥沙絮凝。

在國(guó)外某處棧橋登陸海管的安裝過(guò)程中，近岸作業(yè)區(qū)形成了大量浮泥。結(jié)合作業(yè)環(huán)境及工況分析后可知，客觀環(huán)境和人為因素加劇了現(xiàn)場(chǎng)的浮泥聚集。海浪在海岸沙灘上的反復(fù)沖刷帶回大量細(xì)顆粒泥沙及人類生活垃圾，為懸沙絮凝創(chuàng)造了物質(zhì)條件；當(dāng)?shù)睾５子坷顺尸F(xiàn)長(zhǎng)波涌現(xiàn)象，即涌浪周期長(zhǎng)、頻率低、流速小，且現(xiàn)場(chǎng)海岸邊建造了登陸棧橋，進(jìn)一步阻擋了涌浪，客觀上為浮泥形成創(chuàng)造了相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境。為了方便對(duì)已經(jīng)入泥的海管進(jìn)行起吊，現(xiàn)場(chǎng)使用作業(yè)拖輪在作業(yè)區(qū)域進(jìn)行了1個(gè)月的氣舉吸泥作業(yè)。該種吸泥方式只能將排除的泥沙拋灑在作業(yè)區(qū)域周邊，這進(jìn)一步豐富了細(xì)顆粒泥沙的供給。施工1個(gè)月后發(fā)現(xiàn)浮泥厚度已達(dá)3 m，且伴隨施工進(jìn)行和不斷吸排泥，浮泥越積越厚，影響了現(xiàn)場(chǎng)潛水作業(yè)。

1.2 浮泥對(duì)潛水的不利影響

在商業(yè)潛作業(yè)水中，水下流速不超過(guò)0.514 m/s時(shí)方可進(jìn)行作業(yè)，而流水速率較低是浮泥的形成條件之一。浮泥聚集使該區(qū)域重度、能見(jiàn)度都明顯區(qū)別于常規(guī)水域的潛水區(qū)域，對(duì)潛水作業(yè)存在多方面的影響：

（1）水下能見(jiàn)度降低。浮泥混雜了大量細(xì)顆粒物質(zhì)，使水下能見(jiàn)度降至20 cm以下，嚴(yán)重影響了水下作業(yè)的效率。且在低能見(jiàn)度的水下進(jìn)行某些作業(yè)時(shí)，作業(yè)人員面臨較大的擠壓傷和碰撞風(fēng)險(xiǎn)，在含有較多漁網(wǎng)、垃圾等雜物的水域作業(yè)時(shí)，潛水員易被絞纏。

（2）浮泥含沙量高，密度大，對(duì)于潛水員下潛形成較大阻力；在應(yīng)急情況下，也增大了出水難度。

（3）浮泥中含有大量細(xì)顆粒物質(zhì)，容易導(dǎo)致潛水頭盔、潛水面罩的減壓器、排氣閥等堵塞失效，對(duì)潛水員供氣造成嚴(yán)重影響。

（4）在大比重浮泥中進(jìn)行作業(yè)時(shí)，潛水員移動(dòng)、作業(yè)的阻力較大，水下作業(yè)效率受到顯著影響。

為了應(yīng)對(duì)這種不利情況，除了常規(guī)的更換吸泥方式、增大吸泥頻率，或者更換防污染的潛水裝具外，設(shè)計(jì)了一種“水下沉箱”，通過(guò)物理隔絕浮泥的方式，為潛水員水下作業(yè)創(chuàng)造相對(duì)適宜的區(qū)域，確保作業(yè)安全，同時(shí)提高了作業(yè)效率。

2 水下沉箱

2.1 水下沉箱的設(shè)計(jì)原理

水下沉箱的設(shè)計(jì)原理與海管干式維修中使用的“干式艙” 類似，通過(guò)物理隔離的方式，建立適合潛水作業(yè)的局部區(qū)域。通過(guò)設(shè)計(jì)較高的側(cè)壁和底部擋泥板創(chuàng)建隔離區(qū)，形成相對(duì)封閉的區(qū)域，隔絕了周?chē)能浤嗪透∧唷?/p>

在該有限空間內(nèi)，吸泥效率得到明顯提升，且整個(gè)作業(yè)的吸泥時(shí)間和頻次大大降低了。另外該隔離區(qū)域可有效阻擋浮泥，創(chuàng)建區(qū)域的浮泥濃度較低，能見(jiàn)度相比周?chē)h(huán)境有明顯提升，對(duì)于提高潛水員在渾水區(qū)域作業(yè)的安全性，提升作業(yè)效率都有明顯作用。

圖1 水下沉箱工作原理示意圖

2.2 水下沉箱的設(shè)計(jì)及制造

水下沉箱的設(shè)計(jì)及制造以創(chuàng)造隔離區(qū)域、為潛水員水下作業(yè)提供安全環(huán)境為原則，對(duì)以下幾方面進(jìn)行了綜合考慮：

（1）應(yīng)該根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)，盡量做到早設(shè)計(jì)、早使用，避免缺少計(jì)劃性的吸排泥作業(yè)，導(dǎo)致浮泥大量聚集在作業(yè)區(qū)。

（2）設(shè)計(jì)足夠高度的側(cè)壁和擋泥板，有效阻擋外圍的浮泥。應(yīng)根據(jù)浮泥情況，在能阻擋浮泥從上部涌入的前提下，盡量降低擋板高度，方便潛水員進(jìn)出，同時(shí)減少面對(duì)水流的截面積。在底部也設(shè)計(jì)擋泥板，通過(guò)外圍布置的裙板來(lái)減緩底部軟泥在吸泥過(guò)程中及潛水作業(yè)過(guò)程中滲入。

（3）設(shè)計(jì)合理的擋泥板，增加底座面積，使水下沉箱在海床上保持相對(duì)穩(wěn)定。

（4）為潛水員提供足夠的操作空間。應(yīng)該結(jié)合水下作業(yè)的具體需求，例如作業(yè)結(jié)構(gòu)的特殊形狀、空間需求，對(duì)沉箱的橫向尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。原則上，水下沉箱的設(shè)計(jì)尺寸需滿足潛水員水下作業(yè)提供足夠的自由度以及避讓吸泥作業(yè)的空間。

（5）水下沉箱為潛水員工作提供庇護(hù)，同時(shí)其本身受到水流沖擊影響，應(yīng)該確保其設(shè)計(jì)、制造具備一定強(qiáng)度。

（6）沉箱內(nèi)部應(yīng)在合適的位置設(shè)置方便潛水員進(jìn)出的扶手，扶手設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮盡量降低潛水員被絞纏的風(fēng)險(xiǎn)。

3 水下沉箱相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)及控制

水下沉箱是一種臨時(shí)保障潛水員工作的環(huán)境的設(shè)施，其降低了浮泥對(duì)潛水作業(yè)的影響，但也形成了相對(duì)封閉的區(qū)域，在其中作業(yè)的潛水員，可能無(wú)法及時(shí)感知周邊環(huán)境變化情況。同時(shí)該結(jié)構(gòu)本身也面臨水流沖擊，存在一定的結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險(xiǎn)。綜合考慮以上因素，在使用時(shí)應(yīng)注意以下風(fēng)險(xiǎn)及控制措施：

（1）在水下沉箱中，潛水員仍然存在受浮泥污染的風(fēng)險(xiǎn)，因此在連續(xù)潛水作業(yè)中，應(yīng)確保下水的個(gè)人潛水裝具及個(gè)人勞保工具上浮泥清洗干凈，包括靴子、脖套、手套等。

（2）應(yīng)根據(jù)作業(yè)工況考慮增加潛水頭盔或面罩的清洗、測(cè)試頻率。

（3）水下沉箱應(yīng)該明確其適用的作業(yè)環(huán)境，尤其是適用的流速極限。為了確保水流速率在可接受范圍內(nèi)，可以考慮使用水下測(cè)流儀監(jiān)控流速。

（4）水下沉箱形成的區(qū)域雖然為非受限空間，但應(yīng)考慮增加守護(hù)潛水員人數(shù)，監(jiān)控水下流速及沉箱狀態(tài)，控制潛水員作業(yè)臍帶，以在沉箱崩塌失效時(shí)，確保作業(yè)潛水員能及時(shí)撤離。

4 水下沉箱的應(yīng)用實(shí)例

在尼日利亞某項(xiàng)目中，計(jì)劃在海岸棧橋上安裝8套整體立管，需要潛水員水下探摸管線狀態(tài)，標(biāo)記管頭位置，同時(shí)在起吊點(diǎn)位置吹出一個(gè)工作坑以連接起吊索具。在作業(yè)過(guò)程中，由于作業(yè)區(qū)域靠近沙灘，水下的浮泥摻雜各類垃圾在海床上形成了一層密度較大的浮泥。隨著現(xiàn)場(chǎng)吸泥作業(yè)的推進(jìn)，浮泥層厚度達(dá)到了3 m左右，潛水員水下作業(yè)困難，同時(shí)也面臨了較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了應(yīng)對(duì)這種情況，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制了一套水下沉箱，長(zhǎng)為6 m、寬為4 m、高為4 m，擋泥板在4個(gè)方向從底部外延60 cm。將其放置在被浮泥覆蓋的海床上，創(chuàng)造了相對(duì)封閉的區(qū)域，使用吸泥設(shè)備吸泥后，可維持較長(zhǎng)時(shí)間的“無(wú)污染”區(qū)域。

在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，該沉箱有效降低了反復(fù)吸泥的時(shí)間，提高了潛水員下水作業(yè)的效率，同時(shí)保證了潛水員的安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程中，使用該水下沉箱后，立管的安裝用時(shí)為未使用時(shí)安裝工時(shí)的一半。

5 結(jié)論

水下沉箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提升了在大厚度浮泥區(qū)域進(jìn)行潛水作業(yè)的安全性，同時(shí)提升了水下吸排泥、潛水作業(yè)的效率。但同時(shí)水下沉箱創(chuàng)造了一個(gè)相對(duì)封閉的作業(yè)空間，因此也需要采取格外的措施來(lái)確保工作潛水員的安全。