西非內(nèi)河航道入?？谑┕ぜ熬S護期疏浚與回淤分析

孫小康，劉傳磊

(煙臺仲伯企業(yè)管理咨詢有限公司，山東 煙臺 264000)

0 引 言

本文以西非某國內(nèi)河鐵礦碼頭項目為例展開研究。該項目受限于技術(shù)條件及投資控制，為了快速取得礦產(chǎn)資源的發(fā)運條件，某投資企業(yè)選擇在已有通航條件優(yōu)良的河道中采用“小噸位駁船轉(zhuǎn)運+海上過駁”的方式出運鐵、鋁礦石，僅需在河道中建設(shè)小規(guī)模泊位(一般為8 000～13 000 t)，在減少投資的同時達(dá)到最大裝運效率。為了配合這種生產(chǎn)工藝，首先需要突破河口區(qū)域常見的“攔門沙”、航道回淤等一系列疏浚難題。本位結(jié)合海外施工設(shè)備稀缺、船型可選擇性少的特點，選擇最優(yōu)方案，提高施工效率，減少投資，滿足生產(chǎn)運力要求。

1 工程概況

1.1 工程整體情況

本工程建設(shè)規(guī)模為：4個1.2萬DWT礦石駁船裝船泊位，礦石設(shè)計吞吐量為7 000萬t/a。航道全長約31.9 km，劃分為內(nèi)外航道，設(shè)計底標(biāo)高分別為-8.7 m、-9.4 m。其中外航道全長27.8 km，擬按滿足礦石駁船全天候通航進港的要求進行建設(shè)，設(shè)計底標(biāo)高為-9.4 m；內(nèi)航道全長4.3 km。港池、航道及碼頭前停泊水域疏浚工程量約1 884.42萬m3，其中，施工期回淤量為200.63萬m3，疏浚土均外拋至外海拋泥區(qū)中。

1.2 候選船型及規(guī)格

候選船型及規(guī)格見表1。

表1 船型及規(guī)格表

2 現(xiàn)狀水文氣象條件

2.1 攔門沙

根據(jù)項目水文觀測及測量報告，該內(nèi)河河道入?？谔幋嬖跀r門沙一道，如圖1所示。內(nèi)河航道水深超過9 m，外航道浚前水深3.5～5 m。

圖1 入海口攔門沙示意

2.2 此區(qū)域流速流向

根據(jù)此區(qū)域的水文觀測結(jié)果，得到如下具有代表性的底層潮流流向圖，如圖2所示。

圖2 區(qū)域典型底層潮流流向圖

最大流速出現(xiàn)在攔門沙內(nèi)河側(cè)L2觀測點位，表層最大流速為265.2 m/s，方向84°；中層最大流速為233.6 m/s，方向80°；底層最大流速為176.7 m/s，方向81°。

攔門沙外海側(cè)L3觀測點位，表層最大流速為183.0 m/s，方向72°；中層最大流速為166.5 m/s，方向78°；底層最大流速為121.0 m/s，方向76°。

攔門沙內(nèi)外側(cè)存在流速差，平均流向存在夾角。

2.3 區(qū)域懸沙含量

該區(qū)域某觀測時段平均含沙量，攔門沙內(nèi)河側(cè)L2觀測點位，表層含沙量在漲潮時為33.6 mg/L，落潮時為139.8 mg/L；中層含沙量在漲潮時為91.7 mg/L，落潮時為278.6 mg/L；底層含沙量在漲潮時為180.2 mg/L，落潮時為389.0 mg/L。

攔門沙內(nèi)河側(cè)L3觀測點位，表層含沙量在漲潮時為322.0 mg/L，落潮時為373.1 mg/L；中層含沙量在漲潮時為553.7 mg/L，落潮時為552.8 mg/L；底層含沙量在漲潮時為733.9 mg/L，落潮時為976.2 mg/L。

2.4 底層土質(zhì)

根據(jù)區(qū)域地勘采樣，該區(qū)域土質(zhì)分為如下幾類：

(1)粉質(zhì)黏土：棕紅～灰白色，軟塑，切面稍光，無光澤，干強度中等，韌性中等，含少量砂。此類土層分布區(qū)域較大，分層厚，為4～5 m。

(2)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，灰黑色，流塑，切面稍光，干強度低，韌性低，有腐味，夾雜少量砂。部分區(qū)域分層厚度可達(dá)8 m。

(3)粉砂：淺灰色，稍密，飽和，主要以長石、石英為主，級配差，磨圓度好。此類圖層分布不均，多介于粉質(zhì)黏土與粗砂之間。分層厚度小于1 m。

(4)粗砂：黃褐色，中密，飽和，主要由長石、石英組成，含云母，級配較好，磨圓度差。

該區(qū)域大范圍為粉質(zhì)、淤泥質(zhì)黏土，且分層較厚，分布不均，疏浚條件復(fù)雜。典型鉆心取樣如圖3所示。

圖3 鉆心取樣圖

2.5 潮汐

該區(qū)域為規(guī)則半日潮，潮位特征值見表1。

表1 潮位特征值

2.6 氣候氣象

該區(qū)域?qū)儆跓釒蜌夂?，沿海地區(qū)為熱帶季風(fēng)氣候，內(nèi)地為熱帶草原氣候。一年之中分為雨季和旱季兩個季節(jié)，5至10月份為雨季，降水量約占全年的90%，11月份至次年4月份為旱季，干旱少雨；大部分地區(qū)降水量充沛，年降水量介于1 300～4 500 mm，并自東北部向西南大西洋沿岸遞增。降水多集中在夜間，雨季初期和結(jié)束前為強雷電多發(fā)期。

注：①該表為天文潮特征；②受徑流和氣象等因素影響，水位存在-0.475 4～0.457 1 m。

工程區(qū)域的常風(fēng)向主要分布在W～SW向。旱季的強風(fēng)向為W向。海向風(fēng)(W向)/陸向風(fēng)(E～NE向)在雨季強烈顯著，但在雨季陸風(fēng)比重明顯下降。

3 影響疏浚作業(yè)效率及成本因素

3.1 地理位置

該項目位于西非海岸，距離我國約11 000公里。人均收入較低，為世界上最不發(fā)達(dá)的國家之一。帶來的困難就是物資稀缺，機械設(shè)備完全依賴進口。當(dāng)?shù)責(zé)o船只養(yǎng)護設(shè)備及各種配件。多數(shù)零部件及養(yǎng)護材料需從國內(nèi)采購，由于船期較長，約45 d，有關(guān)鍵緊急物資需求時不能即時補給，存在潛在影響效率因素。

3.2 氣候條件

結(jié)合上述海域自然條件特征，影響工程水域作業(yè)天數(shù)因素為風(fēng)、降水和波浪。

工程區(qū)域6—10月份為雨季，我們從周邊工程實際作業(yè)中了解到受降水影響最大的是7—10月份，影響天數(shù)約37 d；6月份以及其他月份降水影響合計約8 d。當(dāng)?shù)仫L(fēng)不大，盡管存在風(fēng)颮現(xiàn)象，但歷時較短。

內(nèi)河水域波浪很小，可以忽略。外海海域以涌浪為主，波周期較大。對8 000～12 000噸級駁船影響天數(shù)暫估為25 d。

3.3 工法工藝

基于成本考慮，國內(nèi)調(diào)遣船只費用極高，而西非區(qū)域施工船只數(shù)量、種類均較少，且大多比較老舊?？晒┱{(diào)配的只有18 m3挖泥船1一條，已經(jīng)服役超35年，運行維護困難；2 000 m3耙吸式挖泥船1條，噸位較小不滿足工程需求。因此，均不做考慮。

疏浚施工前期，為了緩解后期壓力，施工單位采用海上過駁平臺臨時改裝作為抓斗式挖泥船使用，采用單錨定位，在航道范圍內(nèi)進行粗抓。采用甲板駁運輸淤泥，到拋泥區(qū)后由其他過駁平臺卸泥。后續(xù)增加進場1條改裝的抓斗式挖泥船，采用四錨定位，在單錨抓斗式挖泥船之后復(fù)抓。由于作業(yè)系統(tǒng)不匹配，此類挖泥船具有如下特點：抓斗強度不高，損壞較快，需經(jīng)常維修維護；機械結(jié)構(gòu)限制不能正確獲得水下抓斗深度，導(dǎo)致浚深無法精確控制；移錨船只采用3000HP拖輪加裝起重設(shè)備，類似輔助船只較多，人員及運行成本較高。

3.4 測量觀測條件

基于人員、設(shè)備成本考慮，航道測量采用RTK設(shè)備進行定位，配合雙頻單波束測深儀對水深進行無驗潮測量，從而獲得水下地形點。由于設(shè)備限制，即使按照測量規(guī)范規(guī)定的間隔掃測，仍不能正確反映航道疏浚細(xì)節(jié)狀況，無法監(jiān)控航道施工期回淤。

3.5 回淤

港航施工過程中挖出的淤泥會在水流作用下產(chǎn)生回淤?；赜俜譃槿悾?/p>

3.5.1 懸沙回淤

攔門沙區(qū)域海水中含沙量大，且內(nèi)外側(cè)觀測差較大，懸沙流動性強，黏聚力低，遇到流速降低及對流情況時形成回淤。此項目規(guī)劃航道拐點位于攔門沙區(qū)域，為不利影響因素，航道形成后，上游懸沙直接入槽，在拐點處極易重新淤積，增加后期維護壓力。

3.5.2 施工擾動回淤

為證實這一設(shè)想，她利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，敲除該基因編碼區(qū)，被破壞掉編碼區(qū)的ZmGRP1就無法正常表達(dá)。將經(jīng)過此處理的植株和正常植株進行比對，發(fā)現(xiàn)有一千多個基因的可變剪接受到影響。ZmGRP1就如司令官指揮千軍萬馬一般，調(diào)控著這些基因的可變剪接。

當(dāng)施工開挖低黏聚力泥沙時，周邊泥沙在水力作用下迅速將開挖區(qū)域回填，尤其是目前采用抓斗式挖泥船施工過程中，開挖面不規(guī)則，額外增加回淤量，粉質(zhì)黏土極易出現(xiàn)這種狀況。此類回淤沉積速度快，強度大，易監(jiān)測。在施工期雨季1個月的監(jiān)測中，分析確定的此類回淤量可達(dá)20%。

3.5.3 邊坡滑塌

由于底質(zhì)條件復(fù)雜，各土質(zhì)分層不均，淤泥體流動性強，受海底水流影響，容易發(fā)生邊坡滑塌，滑塌的土體流入航道形成回淤。

4 為增加疏浚施工效率及節(jié)約成本的建議

綜合分析上述工作條件及影響因素，進行如下優(yōu)化探討。

4.1 船型選型論證

前期經(jīng)過改造的抓斗式挖泥船雖然有眾多弊病，但由于無須調(diào)遣，充分利用當(dāng)?shù)匾延匈Y源，為工程整體疏浚減輕不少壓力。為了后續(xù)工作更順利進行，同時滿足后續(xù)維護性疏浚需要，增強工效，現(xiàn)需對疏浚船型進行重新選型。備選船型方案如下：

(1)絞吸式挖泥船船：適用于土層厚、大斷面施工；挖、運、拋可獨自完成，能減少泥駁等輔助船只；航道斷面成型規(guī)整，疏浚效率高，每疏浚方成本較低；調(diào)遣成本高，施工準(zhǔn)備時間長；需要起錨艇輔助作業(yè)。

(3)抓斗式挖泥船：適用于小范圍航道及港池內(nèi)作業(yè)，靈活性高；受挖泥區(qū)雜物、土質(zhì)影響小；受風(fēng)、流、涌浪影響大，工作環(huán)境限制多，效率低；輔助設(shè)備及人員配置多，油耗及成本大。

本項目疏浚工程量較大，采用單一船型進行疏浚均會受到各種不利因素制約，進度及疏浚質(zhì)量無法得到保證。

考慮前期使用抓斗式挖泥船已經(jīng)積累了相當(dāng)多的使用經(jīng)驗，而且船員與設(shè)備已經(jīng)達(dá)到一定程度的默契，且當(dāng)遇到攔門沙及近岸等不滿足其他船型作業(yè)水深時(選定船型吃水僅3.5 m，較為靈活)，需通過抓斗式挖泥船打通航路提供作業(yè)面，因此抓斗式挖泥船需繼續(xù)保留，保留1條14 m3挖泥船，配合1條3000HP拖輪改造的起錨船及3條2 000 t自航式開體泥駁進行作業(yè)，將原有2艘抓斗式挖泥船取消，屆時可減少拖輪、甲板駁等大量輔助船只。

考慮絞吸式挖泥船雖然疏浚效率高，但需要大量附屬設(shè)備及船只，包括水上及路上管線、排泥場和錨艇，開工準(zhǔn)備及撤場時間長，如遇風(fēng)浪較大天氣，回港避風(fēng)至重新啟動作業(yè)周期較長。當(dāng)?shù)赜写罅繚O民在近海捕撈，干涉面較大，處理關(guān)系需要成本，且存在阻工風(fēng)險。從經(jīng)濟性考慮，絞吸式挖泥船每萬立方米相較于耙吸式挖泥船節(jié)油約4.5 t，絞吸式挖泥船可疏浚量為1 275萬m3，可節(jié)約717萬美元，但船體及其他輔助船只、管材調(diào)遣費用較高，約需850萬美元，且調(diào)遣期間仍需要抓斗式挖泥船連續(xù)作業(yè)，綜合考慮節(jié)約費用有限，經(jīng)濟性優(yōu)勢不大。

耙吸式挖泥船調(diào)遣時可通過自航選擇經(jīng)濟航線自行抵達(dá)施工區(qū)域，且無須其他輔助船只，節(jié)約了運輸調(diào)遣費用；疏浚施工時人員配備較少，作業(yè)起停均比較靈活；可根據(jù)施工工況及工作面調(diào)整拋泥區(qū)位置，優(yōu)化拋泥線路，進一步減少施工成本。航道成形后可用于維護性疏浚，也可派遣到西非其他項目施工，進一步降低綜合成本。

綜合分析，本項目擬采用抓斗式挖泥船1條，配合耙吸式挖泥船1條進行施工作業(yè)，輔以3條2 000 t自航式泥駁，及3000HP拖輪1條，拖輪可兼做交通船只及海上應(yīng)急船只。

4.2 耙吸式挖泥船施工工藝優(yōu)化

耙吸式挖泥船施工工藝優(yōu)化重點集中在淺區(qū)施工工藝方向，即減少對抓斗式挖泥船的依賴性，當(dāng)抓斗式挖泥船將攔門沙等淺區(qū)位置航道打通后，耙吸式挖泥船可自行完成剩余疏浚任務(wù)。

(1)利用河口落潮流速快的特點，利用抽倉旁通法，迅速增加攔門沙段航道水深。抽空泥倉殘留物，最大限度地減小船舶空載吃水，疏浚混合土經(jīng)泥泵吸入后不進倉直接排出舷外，利用河道落急期間水流將淺層泥沙擴散到較深海域。此工法可快速擴大加深航道，為耙吸式挖泥船提供作業(yè)面，適合河口段清淤使用。

(2)利用抓斗式挖泥船提供拋泥航道。抓斗式挖泥船前期需幫助耙吸式挖泥船提供7 m浚深的航道，保證耙吸式挖泥船可以全天候進出拋泥區(qū)，不需要趁潮作業(yè)，以增加工效。若是工期發(fā)生回淤，耙吸式挖泥船也可以自行處理。

(3)高頻率的環(huán)境監(jiān)控。重視對風(fēng)，水流的監(jiān)控，即時調(diào)整船頭指向，改變施工方式，避免窩工或者擱淺事故的發(fā)生。

(4)航道基本成型后利用耙吸船進行收尾疏浚。航道大致成型后，必然有小范圍不平整淺點，利用耙吸式挖泥船優(yōu)勢，對基槽進行收尾疏浚，清理掉施工期各種因素的回淤，并平整槽底，保證疏浚質(zhì)量。

(5)絞吸式挖泥船方單價分析。對于絞吸船來說，在運距固定時，疏浚量越大，綜合成本越低。當(dāng)疏浚量大于50萬m3時，單價趨于穩(wěn)定。抓斗式挖泥船成本則跟抓斗大小關(guān)聯(lián)較大，抓斗越大，成本越低。所以施工過程中，盡量給絞吸式挖泥船安排更多的工作量，可以進一步降低成本。

4.3 施工期回淤監(jiān)測及控制

已知施工區(qū)域懸沙含量較大，受地理位置制約，改建港口或航道已不太現(xiàn)實，只能從航道線路上進行相應(yīng)優(yōu)化，減小航道夾角，將航道拐點移出急流沖擊區(qū)域，以避免或減少航道拐點處的回淤。

已知文獻(xiàn)及水文觀測資料表明，風(fēng)浪對航道回淤量影響較大，風(fēng)級越高，淤泥分布強度越大，回淤量越大。已知當(dāng)?shù)剌^大風(fēng)浪發(fā)生在6—10月份的雨季，屆時需加強對回淤量的監(jiān)控，及時采取應(yīng)對措施。

4.4 先進設(shè)備及船舶自動化升級

針對疏浚行業(yè)的需求，國內(nèi)專業(yè)港航單位已完成開發(fā)并投入使用多種疏浚輔助設(shè)施及自動化控制系統(tǒng)。其優(yōu)點是具有可視性，自動化程度高，失誤率低。

(1)利用GPS定位儀、運動姿態(tài)傳感器、電子羅盤、潮位儀、測深儀等電子設(shè)施，精確感知船舶位置、姿態(tài)、潮汐狀況及水深，利用測量數(shù)據(jù)制作地面數(shù)字模型(DTM)，將疏浚作業(yè)過程可視化。優(yōu)化成本，減小風(fēng)險。

(2)通過先進的自動化控制系統(tǒng)，根據(jù)土壤密實度自動調(diào)整泥泵轉(zhuǎn)速、船舶航速、耙頭對地角、沖水壓力等參數(shù)，增強耙頭生產(chǎn)率。

(3)利用單波束測深儀、多波束測深儀、側(cè)掃聲納等設(shè)備，對疏浚情況進行動態(tài)監(jiān)控。實時分析回淤裝況，隨時調(diào)整施工工藝。

通過上述措施可對疏浚質(zhì)量嚴(yán)格把控，減少超挖，控制廢方，進而達(dá)到降低成本的目的。

5 結(jié)束語

本文通過現(xiàn)有的水文、氣象、潮流等信息，結(jié)合各疏浚船型特點，進行綜合分析，確定了以抓斗式挖泥船配合耙吸式挖泥船的船型組合，并提出了一些疏浚工藝，最大限度地減少施工成本，提高施工工效及質(zhì)量，保證航道盡快滿足全天候通航及運力需要。