長江上游航道疏浚裝置及作業(yè)方案探討

余彬彬 鄭唐文

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

0 引 言

長江黃金水道在我國實(shí)施西部開發(fā)、中部崛起和東部率先的區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略中具有重要地位，隨著航道維護(hù)等級提高，上游航道維護(hù)要求愈發(fā)嚴(yán)格[1]。其中，宜賓合江門至重慶江津河段為典型的山區(qū)航道情況，航道彎、淺、窄且急，河床主要由夾砂卵石和板結(jié)卵石構(gòu)成[2]，卵石最大粒徑達(dá)40 cm，常常出現(xiàn)于卵石淺灘[3]。由于航道通航繁忙，施工船舶定位受岸邊土質(zhì)以及通航船舶影響，因此經(jīng)常在夜間禁航施工，施工效率低且安全性不高[4]。王煒等[5]開發(fā)建造了自航鋼耙抓斗挖泥船用于上游航道疏浚維護(hù)，但疏浚維護(hù)效果并不明顯，鋼樁難以固定。弓寶江等[6]通過對耙吸挖泥船夾雜塊石土質(zhì)施工研究，提出了增設(shè)鋼絲繩格柵，對泥泵葉片根部進(jìn)行局部切割等方式提高耙吸挖泥船對塊石的疏浚效率。不過，對于上游水流湍急且水域狹窄的航道，耙吸挖泥船作業(yè)操作難度較大,適應(yīng)性不高。王緒橋[7]對多種水陸兩用挖掘機(jī)的疏浚特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出1 套操作行走要點(diǎn)。TAKAHIRO[8]結(jié)合日本航道疏?，F(xiàn)狀提出1 種多功能反鏟挖泥船，可實(shí)現(xiàn)水下高精度挖掘作業(yè)，但對于上游航道環(huán)境操作難度較大。KIRITON 等[9]提出1 種大型挖掘機(jī)用于堤岸疏浚，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜地面，但僅適用于離岸較近距離的疏浚，對于航道中心疏浚尚存在一定局限性。結(jié)合上述現(xiàn)狀以及以往的文獻(xiàn)研究，本文設(shè)計(jì)1 種適合上游作業(yè)條件的自行走疏浚裝置，并配套設(shè)計(jì)了1 種施工疏浚方案。

1 上游作業(yè)條件及施工現(xiàn)狀

長江上游宜賓至重慶河道逾300 km，航道等級為Ⅲ級，航道尺度（航深×航寬×彎曲半徑）為2.9 m×50 m×560 m。河道淺灘多，單灘工程量小、開挖層薄，疏浚厚度約0.3～1 m，河道特征為彎、窄、淺、險(xiǎn)。河道水流速度3～5 m/s，需要作業(yè)區(qū)水深為3～8 m，最大可達(dá)10 m。作業(yè)區(qū)土質(zhì)主要為 3 類：第一類為礫石、卵石、塊石，塊石最大粒徑達(dá) 40 cm；第二類為大面積板結(jié)礫石、卵石；第三類為大面積巖石,強(qiáng)度為30～50 MPa。

目前主要的施工方式為以硬臂式多功能抓斗挖泥船（如抓揚(yáng)17）為主進(jìn)行航道維護(hù)，以渝工石202 自航開體泥駁、渝工拖1001 為輔助船舶，配備交通帶纜艇、工作艇[10]，如圖1所示。

圖1 目前上游航道疏浚方式

航道疏浚示意圖見圖2。抓斗挖泥船定位在航道中，采用“四纜法”進(jìn)行施工固定，兩根主纜分別錨固在航道兩側(cè)的岸上，同時(shí)左右各配1 個(gè)邊纜用于移船定位施工。駁船掛靠在挖泥船旁，通過挖泥船進(jìn)行固定，待裝滿渣石后，空載駁船與滿載駁船進(jìn)行輪換。

圖2 航道疏浚示意圖

在施工過程中，航道內(nèi)側(cè)兩條錨鏈會(huì)阻礙主航道船舶通行，需要提前設(shè)置招呼站。當(dāng)航道其他船舶通行時(shí)，招呼站發(fā)出消息，左右兩側(cè)的錨鏈將挖泥船橫移至航道外側(cè)，同時(shí)航道內(nèi)側(cè)的錨鏈進(jìn)行下放，待錨鏈下沉至來往船舶吃水深度以下后，其他船舶才能正常航行通過；隨后，挖泥船通過錨鏈繼續(xù)橫移至施工位置進(jìn)行作業(yè)。由于其他船舶通航需要多次橫移施工船舶且需下放錨鏈，導(dǎo)致施工效率較低，存在錨鏈下沉未至吃水深度的隱患，往往需要夜間禁航施工。

上游航道疏浚維護(hù)的主要特點(diǎn)可總結(jié)為：

（1）疏浚區(qū)域較長，兩岸錨鏈長度過大；

（2）水流速度大并且流態(tài)紊亂，定位及施工困難；

（3）通航與施工矛盾沖突，夜間禁航施工存在安全隱患；

（4）枯水期水面下降明顯，施工區(qū)域水深較淺，故難以施工；

（5）配備船隊(duì)及人員較多，成本較大。

2 自行走疏浚裝置

根據(jù)上游航道目前存在的疏浚施工難點(diǎn)，本文針對設(shè)計(jì)了一種合適上游航道疏浚維護(hù)的自行走疏浚裝備。該裝備如圖3所示，主要包括履帶行走裝置、升降裝置、司機(jī)室、挖掘臂架和抓斗等裝置，能夠保證在碎石及巖石等崎嶇河段平穩(wěn)行走。

圖3 自行走疏浚裝置示意圖

履帶行走裝置頂部與升降機(jī)構(gòu)下表面焊接，回轉(zhuǎn)立柱焊接固定在升降機(jī)構(gòu)上表面，司機(jī)室、臂架、抓斗和動(dòng)力裝置設(shè)置于回轉(zhuǎn)立柱上方，能夠跟隨回轉(zhuǎn)軸承進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，挖掘臂架通過液壓油缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)卵石的挖掘與裝卸作業(yè)。升降裝置主要由4 個(gè)支撐油缸和2 個(gè)升降油缸構(gòu)成，當(dāng)6 個(gè)油缸都處于收縮狀態(tài)，此時(shí)該裝置位于極限收縮狀態(tài)，可對水深小于3 m 的區(qū)域進(jìn)行施工作業(yè)。當(dāng)升降油缸開始伸展，會(huì)帶動(dòng)支撐油缸一起伸展，達(dá)到最大狀態(tài)時(shí)，該裝置處于極限延伸狀態(tài)，可對水深小于 6 m 的區(qū)域進(jìn)行施工作業(yè)。

該裝置主要性能參數(shù)見表1。

表1 自行走疏浚裝置主要性能參數(shù)

其中3 個(gè)主要的機(jī)構(gòu)挖掘裝置、升降裝置和履帶行走裝置將根據(jù)上游實(shí)際情況分別開發(fā)設(shè)計(jì)。

2.1 挖掘裝置

目前對于山區(qū)卵石航道整治方式主要是機(jī)械式，可供設(shè)備主要有鋼索抓斗挖掘裝置、液壓反鏟挖掘裝置和液壓硬臂抓斗挖掘裝置[11]，其優(yōu)缺點(diǎn)各不相同。鋼索抓斗挖掘裝置通過鋼絲繩收放進(jìn)行挖深調(diào)整，能夠適應(yīng)不同挖深和狹窄場所的挖掘疏浚。但由于靠抓斗自重進(jìn)行下降，而抓斗往往較重，故對整個(gè)挖掘裝置的起重能力要求較高；同時(shí)在急流航段施工時(shí)（特別是水流速度超過3 m/s），鋼索入水后容易產(chǎn)生漂移現(xiàn)象，挖掘精度和效率較低。液壓反鏟挖掘裝置挖掘能力較大，能夠克服較大的挖掘阻力，挖掘效率較高；但對于整機(jī)穩(wěn)定性要求較高，同時(shí)挖掘深度受臂架結(jié)構(gòu)限制。液壓硬臂抓斗挖掘裝置與液壓反鏟挖掘裝置結(jié)構(gòu)類似，但抓斗不同，因此挖掘效率及挖掘土質(zhì)能力較弱，但對挖掘的穩(wěn)定性要求較低。

該自行走裝置為單斗作業(yè)模式，可以根據(jù)不同的工作需求，配置更換不同類型的抓斗，更便于適應(yīng)挖掘土質(zhì)。對于上游作業(yè)需求，主要是挖掘N值大于40 的卵石以及板結(jié)巖石，因此選用挖掘能力更強(qiáng)的反鏟較為合適。其中挖掘裝置中較關(guān)鍵的參數(shù)是生產(chǎn)率和挖掘起升質(zhì)量，一個(gè)是權(quán)衡疏浚裝置的基本疏浚性能，另一個(gè)是決定該裝置疏浚過程中的傾覆安全性能。

生產(chǎn)效率與施工速度成正比，斗容對其影響較大，該裝置生產(chǎn)率如式（1）所示：

式中：F1為裝置的生產(chǎn)效率，m3/h；K1為斗容系數(shù)，斗內(nèi)實(shí)際抓取的土方量與斗容的比值，根據(jù)上游卵石土質(zhì)取0.7；V為斗容，m3，該裝置抓斗容積為3 m3；n為每小時(shí)挖掘的次數(shù)，根據(jù)抓斗實(shí)際挖掘效率取40 次/h；K2為松動(dòng)系數(shù)，河床土質(zhì)經(jīng)攪動(dòng)挖掘后與原體積的比值，卵石土質(zhì)變化不大，一般取1.1。

因此該裝置挖掘效率為：

挖掘裝置起重量主要由兩部分組成：一部分為抓斗本身的質(zhì)量，另一部分為抓取的卵石及水的總重。起重3 m3抓斗自重為8 t，抓取重量W為：

式中：W為抓取總重量，t；ρ為抓取卵石及水的平均密度，由斗容系數(shù)0.7 計(jì)算得出，t/m3；ρ1為卵石密度，t/m3；ρ2為水的密度，t/m3。

因此，該裝置起重量為：

2.2 升降裝置

升降裝置一般分為液壓驅(qū)動(dòng)和齒輪齒條驅(qū)動(dòng)，齒輪齒條升降驅(qū)動(dòng)一般用于大型重載起升狀況，安裝復(fù)雜成本較高，液壓升降驅(qū)動(dòng)安裝較為簡便且成本較低。本裝置由于在航道內(nèi)工作，體積較小且較輕，因此采用液壓升降驅(qū)動(dòng)裝置較為合適。

傳統(tǒng)的液壓升降裝置如圖4所示。

圖4 液壓滑槽式升降裝置

在升降裝置上升下降過程中，由于剛性連桿機(jī)構(gòu)本身的局限性，一端的絞點(diǎn)必須產(chǎn)生滑移，從而導(dǎo)致力矩會(huì)發(fā)生較大變化，這對于在上游航道施工的裝置極為不利。

為了解決力矩變化的問題，本文對滑槽式升降裝置進(jìn)行了改造，如圖5所示。將上下升降平面的絞點(diǎn)固定不動(dòng)，中間的支撐連桿用可升降變化的支撐油缸替代，從而保證升降過程中4 個(gè)絞點(diǎn)相對水平位置不發(fā)生變化，以滿足更高的穩(wěn)定性需求。

圖5 升降裝置示意圖

該裝置由6 個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸控制，如下頁圖6所示。中間2 個(gè)為升降油缸，上端部分別和連接桿固接，四周為支撐油缸，內(nèi)部2 個(gè)支撐油缸與連接桿鉸接。升降過程中，中間的升降油缸作為主驅(qū)動(dòng)，推動(dòng)連接桿，從而帶動(dòng)支撐油缸進(jìn)行隨動(dòng)，使升降裝置上下支撐面平動(dòng)；當(dāng)升降到工作高度之后，升降油缸和支撐油缸維持壓力，保證升降系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

圖6 升降裝置結(jié)構(gòu)圖

2.3 履帶行走裝置

行走裝置包括輪胎行走裝置、機(jī)械臂行走裝置和履帶行走裝置。包括輪胎行走裝置結(jié)構(gòu)較輕且行走相對平穩(wěn)，但對土質(zhì)要求較高，對于松散土質(zhì)容易發(fā)生打滑漂移現(xiàn)象；機(jī)械臂行走裝置對于復(fù)雜地形狀況適應(yīng)性較好，但移動(dòng)速度較低，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；履帶行走裝置結(jié)構(gòu)組成相對簡單但較重，對于復(fù)雜地形適應(yīng)性良好且能適應(yīng)不同土質(zhì)行走。

河床底部主要由卵石夾砂和板結(jié)卵石構(gòu)成，強(qiáng)度較大但易產(chǎn)生塌陷，因此選擇接觸面積較大的履帶式行走裝置。該裝置在行走過程中對崎嶇地形適應(yīng)性好，同時(shí)不易陷入卵石。

履帶由于卵石土質(zhì)打滑不嚴(yán)重，行駛速度可以超過1 m/s，但行駛在水中時(shí)，由于水流速度較大且流速較高，故行駛速度不宜超過1.5 m/s，同時(shí)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控滑轉(zhuǎn)率i。

式中：i為滑轉(zhuǎn)率；v為履帶實(shí)際行駛速度，m/s；vt為由驅(qū)動(dòng)輪角速度ω和節(jié)圓半徑r確定的理論速度，m/s；vj為履帶相對于地面的滑轉(zhuǎn)速度，m/s。

當(dāng)行駛過程中滑轉(zhuǎn)率超過10%時(shí)，履帶行走裝置應(yīng)自行降速控制，避免滑轉(zhuǎn)率進(jìn)一步提高后發(fā)生打滑陷入等情況。

由于水下環(huán)境沒有陸面平整，且挖掘后容易出現(xiàn)坑洼狀況，履帶行走裝置需要具備一定的爬坡和越障能力，對比岸上爬坡能力一般為35%，在航道內(nèi)工作考慮升降裝置導(dǎo)致重心上移，設(shè)計(jì)爬坡能力為15%，爬坡時(shí)行駛速度為額定行駛速度的70%，越障溝寬可按公式（4）進(jìn)行計(jì)算。一般溝寬L小于履帶觸底長度的1/3，該裝置能跨越的最大坑徑不超過2.5 m。

式中：L為溝寬，m；s為履帶行走裝置前后輪心之間的距離，m；rq履帶行走裝置前輪半徑，m；rh為履帶行走裝置后輪半徑，m。

上游航道水域較為狹窄，且疏浚作業(yè)過程中裝置需要進(jìn)行掉頭作業(yè)，轉(zhuǎn)彎特性是衡量履帶行走裝置機(jī)動(dòng)性的重要指標(biāo)。由于轉(zhuǎn)彎半徑過小會(huì)導(dǎo)致卵石滑移履帶下陷，過大會(huì)阻礙航道正常船舶通行，一般轉(zhuǎn)彎半徑為履帶長度的1/2～2/3。

3 上游航道疏浚方案

考慮到上游作業(yè)條件以及限制，結(jié)合該自行走疏浚裝置體積較小，在工作過程中可以多臺(tái)協(xié)同作業(yè)，因此上游疏浚方案由5 臺(tái)裝置同時(shí)作業(yè)，并配備2 艘開體駁船進(jìn)行輔助運(yùn)輸，如下頁圖7所示。

圖7 疏浚方案示意圖

3.1 作業(yè)方式

該作業(yè)方式主要有航道內(nèi)施工和航道外施工2種方式。施工過程中，較平緩的灘點(diǎn)內(nèi)自行走疏浚裝置在岸上緩緩駛?cè)牒降乐?，并跟隨水深變化調(diào)節(jié)升降高度，較陡峭的灘點(diǎn)內(nèi)自行走疏浚裝置通過駁船及起重設(shè)備吊放入航道內(nèi)。其中3 臺(tái)自行走疏浚裝置駛?cè)牒降纼?nèi)部，2 臺(tái)自行走裝置駛?cè)牒降劳鈧?cè)，同時(shí)配備的自航開體駁船在航道外側(cè)通過岸上錨鏈 固定。航道中間的3 臺(tái)自行走疏浚裝置在航道內(nèi)開始疏浚作業(yè)，由航道中心開始疏浚挖掘，并將挖掘的卵石運(yùn)送到航道外側(cè)，航道外側(cè)的2 臺(tái)疏浚裝置將運(yùn)送到外側(cè)的卵石再裝填作業(yè)，待裝滿1 個(gè)駁船后，滿載駁船自航至卸載點(diǎn)卸載卵石，另1 艘空載駁船駛?cè)肜^續(xù)裝填卵石，保證施工過程中連續(xù)高效。當(dāng)航道內(nèi)側(cè)駛?cè)肫渌ê酱皶r(shí)，航道內(nèi)側(cè)的3 臺(tái)疏浚裝置駛?cè)牒降劳鈧?cè)進(jìn)行讓道，保證航道正常通行安全。對于低淺水區(qū)域則可無需自航駁船，疏浚裝置直接將疏浚卵石運(yùn)送至岸邊道路上 運(yùn)輸。

3.2 方案優(yōu)勢

在人員配置上，該方案采用16 名駕駛?cè)藛T進(jìn)行輪換作業(yè)，人員相對目前上游方案40～50 人精簡60%以上。在船舶配備上，僅需配備5 臺(tái)裝置2 500 萬元和2 艘駁船2 400 萬元，較傳統(tǒng)方式節(jié)省了拖輪、工作艇及交通艇的費(fèi)用（約2 000 萬元），成本節(jié)省30%。在工作時(shí)間上，由于無需禁航施工，白天作業(yè)安全性和效率有所保障，同時(shí)枯水期能夠正常工作，提高每年工作窗口期50%。在生產(chǎn)效率上，目前傳統(tǒng)疏浚方式為每小時(shí)200 m3卵石，而該套方案能達(dá)到每小時(shí)240 m3卵石，有效提高了20%的產(chǎn)量。在作業(yè)水域上，對于淺水及狹窄水域該裝置較為靈活，相較傳統(tǒng)抓斗挖泥船能夠更加方便進(jìn)行作業(yè)。

4 結(jié) 論

（1）本文研發(fā)的自行走疏浚裝置及方案能夠適應(yīng)長江上游航道施工環(huán)境，可作為解決上游航道施工問題的新方法；

（2）相較傳統(tǒng)的上游疏浚方案，本裝置在船舶及人員成本、工作時(shí)間、工作效率等方面都有所 提升；

（3）對于挖泥船不能駛?cè)氲臏\水及狹窄區(qū)域，該自行走裝置能夠靈活駛?cè)胱鳂I(yè)。