3種用于絞吸船雜物集中區(qū)施工的防雜裝置

王曉萌

(中交(天津)疏浚工程有限公司，天津 300450)

1 工程概況

工程疏浚區(qū)位于呂四港環(huán)抱式港池西側(cè)，吹填區(qū)位于西港池北側(cè)，呂四港地理位置見圖1。

圖1 呂四港地理位置

新進(jìn)絞吸船施工區(qū)設(shè)計底高程-11.5 m，邊坡1:5，超深0.4 m，為保持港池圍埝安全穩(wěn)定，圍埝側(cè)邊坡禁止超挖。吹填區(qū)呈梯形，長度為3.5 km，寬度為834 m，面積308萬m2。目前吹填區(qū)平均高程為7.1 m，設(shè)計吹填高程為9.0 m，納泥量約580萬m3。根據(jù)土質(zhì)勘察資料，在設(shè)計挖深以內(nèi)，擬定施工區(qū)的土質(zhì)自上而下主要分3層：①粉土、②1淤泥質(zhì)土與粉砂互層、②2粉質(zhì)黏土，按照《疏浚巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》[1]，各層土質(zhì)級別見表1。

表1 各層土質(zhì)級別

2 施工背景

2018-06-06安排3 500 m3/h絞吸船進(jìn)行拆壩區(qū)施工，總工程量約80萬m3，其原始泥面高，部分區(qū)域泥面高度在2 m左右(按呂四理論最低潮面)，拆壩區(qū)雜物較多，主要包含拋石、水泥板、土工布以及鋼絲繩等。2018-06-16—2018-06-19期間，絞吸船在吸口安裝格柵進(jìn)行施工時，受拆壩區(qū)雜物影響，船舶掏口34次、掏泵5次，最低時間利用率僅40%左右，較計劃嚴(yán)重滯后。經(jīng)研究決定分別試驗軟格柵、雙防石環(huán)以及防石板3種防雜裝置，并從挖掘、輸送以及時間利用率等方面展開分析[2]，研究各種防雜裝置的結(jié)構(gòu)特點、適用的土質(zhì)及雜物類型。

3 防雜裝置分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1.1雙防石環(huán)

雙防石環(huán)是焊接在絞刀內(nèi)部距吸泥口較近的環(huán)狀防石結(jié)構(gòu)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)又可分為單環(huán)和雙環(huán)防石環(huán)，其中雙環(huán)防石環(huán)是由兩個環(huán)狀結(jié)構(gòu)之間加焊圓鋼形成的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的防石環(huán)。

雙防石環(huán)具體尺寸可根據(jù)絞刀直徑利用相似三角形原理進(jìn)行設(shè)計。例如，已知雙絞刀環(huán)直徑分別為1 710、1 200 mm，為保證一次安裝成型，利用相似三角形原理計算所得大環(huán)距離大圈高度260 mm，小環(huán)距離大圈高度為530 mm。其中大圈與絞刀錐體的間距為60 mm，小圈與絞刀錐體的間距為10～60 mm，該防石環(huán)過流通道最寬處為270 mm，可保證直徑≥270 mm的雜物無法通過防石環(huán)進(jìn)入絞吸船的過流通道，而絞刀、泥泵過流通道最大寬度分別為385、340 mm，理論上不會發(fā)生堵口、堵泵現(xiàn)象，雙防石環(huán)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 雙防石環(huán)結(jié)構(gòu)

3.1.2軟格柵

軟格柵在絞刀吸口下沿采用掛鉤形式，上沿采用卡環(huán)形式，中間格柵使用鐵鏈，3 500 m3/h絞吸船絞刀口長度為1 800 mm，設(shè)置5組鐵鏈，鐵鏈間距為400 mm。鐵鏈下端掛在掛鉤上，上沿用卡環(huán)固定。當(dāng)雜物堵口后，將軟格柵卸掉與雜物同時掏出吸泥口，只需將備用軟格柵裝上后即可恢復(fù)施工，軟格柵結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 軟格柵結(jié)構(gòu)

3.1.3改進(jìn)防石板絞刀

為了將大石塊擋在絞刀外，將鋼板焊在刀臂背面，形成刀臂防石板，而改進(jìn)防石板是在原防石板絞刀的鋼板上加焊圓鋼以減小板間的孔隙。

以38DS型絞刀為例，改進(jìn)防石板是在絞刀的每葉刀臂加裝5塊鋼板，當(dāng)?shù)侗坶L距為1 600 mm時，防石板與前一刀臂間隔為200～230 mm，該防石板過流通道最寬處為230 mm，可保證直徑≥230 mm的雜物無法通過防石環(huán)進(jìn)入絞吸船的過流通道，而絞刀及泥泵過流通道最大寬度分別為385、340 mm，理論上不會發(fā)生堵口、堵泵現(xiàn)象，另外在絞刀第1圈和第3圈防石板上焊接圓鋼，改進(jìn)防石板絞刀結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 改進(jìn)防石板絞刀結(jié)構(gòu)

3.2 土質(zhì)與雜物類型分析

殘壩區(qū)域施工土質(zhì)主要為細(xì)粉砂，壩體結(jié)構(gòu)為充沙袋，固結(jié)較好，土質(zhì)較硬；雜物主要包括土工布、塊石、混凝土塊，另存在少量鋼絲繩、尼龍繩、木樁，具體性質(zhì)為：

1)土工布為機織布，抗拉強度較大，為8 kN/m，纏繞防雜裝置、絞刀，撕扯破壞難度大，清理困難。

2)混凝土碎塊、塊石粒徑為50～460 mm，抗壓強度為30 MPa，施工船舶無法將其破碎，且絞刀口徑為385 mm、泥泵流道寬度為340 mm，部分塊石粒徑大于絞刀口徑及泥泵流道寬度，極易造成堵口、堵泵，并且造成防雜裝置損壞。

3)鋼絲繩、尼龍繩主要在絞刀和防雜裝置上纏繞，清理困難。

3.3 各類防石裝置的優(yōu)缺點

根據(jù)各類防石設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，可以分析出相應(yīng)的防雜原理以及優(yōu)缺點，見表2。

表2 各類防雜裝置對比

3.4 各類防石裝置施工參數(shù)分析

3.4.1防石裝置局部阻力系數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[3]可得出各種防雜裝置的局部阻力系數(shù)，見表3。

表3 防雜裝置局部阻力系數(shù)

3.4.2施工吸入真空

根據(jù)天禹船的施工數(shù)據(jù)可以得出軟格柵、雙防石環(huán)、防石板的真空壓力，見圖5。

由圖5a)可知，天禹船在使用軟格柵和雙防石環(huán)時，水下泵吸入真空值較大，平均在-80～-70 kPa，吸入阻力大，出現(xiàn)較多悶口現(xiàn)象；由圖5b)可知，天禹船在使用防石板時，水下泵吸入真空值較小，平均為50 kPa，較雙防石環(huán)明顯下降，吸入阻力降低，極少發(fā)生悶口現(xiàn)象。

圖5 真空壓力

根據(jù)防雜裝置真空壓力得出，相對于雙防石環(huán)和軟格柵，防石板真空壓力最小，絞刀悶口發(fā)生頻率較少。

3.4.3施工挖掘分析

根據(jù)天禹船施工數(shù)據(jù)可以得出使用軟格柵、雙防石環(huán)、防石板的絞刀壓力與轉(zhuǎn)速關(guān)系，見圖6。

圖6 絞刀壓力與絞刀轉(zhuǎn)速散點圖

由圖6可看出，使用軟格柵和雙防石環(huán)時，船舶絞刀壓力大部分集中在8～12 MPa，波動較??；使用防石板時，船舶絞刀壓力大部分集中在8～17 MPa，壓力較高且波動較大。其主要原因是相對于格柵和防石環(huán)，防石板增大絞刀的受力面積，會引起刀具表面正壓力上升[4]，可以得出：防石板相對于軟格柵和雙防石環(huán)絞刀阻力大，不利于挖掘，但絞刀壓力在作業(yè)允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

1)從絞吸船挖掘及輸送的角度，在施工雜物區(qū)時，使用軟格柵以及雙防石環(huán)比防石板更有利于減小絞刀阻力，適用于挖掘中密和密實性土，而防石板適用于挖掘松散砂及流動性淤泥等高流動性、密實性較小的土質(zhì)；另外相對于軟格柵以及雙防石環(huán)，防石板吸口局部水力損失小，更有利于土質(zhì)的吸入，提高船舶輸送產(chǎn)能，減小施工土質(zhì)殘留，質(zhì)量易保證。

2)3 500 m3/h絞吸船在塊石、混凝土塊雜物區(qū)施工時，防石板過流通道較雙防石環(huán)小40 mm，且防石鋼板外伸于絞刀壁，更有利于撥石、防止塊石堵住絞吸船的過流通道，防石板絞刀為最優(yōu)的防雜裝置。根據(jù)呂四港西港池疏浚工程絞吸船在塊石集中區(qū)的施工統(tǒng)計，使用防石板比防石環(huán)的平均時間利用率可提高34%。

3)3 500 m3/h絞吸船在漁網(wǎng)、鋼絲繩雜物區(qū)施工時，軟格柵為最優(yōu)防雜裝置，由于其具有易拆卸的特點，每次清理雜物可減少約40 min。在呂四港西港池疏浚工程中，絞吸船由于鋼絲繩堵口最多達(dá)4次，故使用軟格柵時間利用率可提高11.1%。