長江口疏浚工程中的疏浚土拋泥工藝優(yōu)化措施

秦鑫，周永康

（長江南京航道工程局，江蘇 南京 215000）

長江口深水航道治理階段，用自航耙吸船進行航道疏浚作業(yè)，向北槽的貯泥坑、拋泥區(qū)等部位拋泥，借助吹泥管線將拋至貯泥坑的疏浚土吹填至橫沙淺灘和橫沙東灘。在整個作業(yè)過程中，疏浚土拋泥屬于重點內(nèi)容，合理的工藝方式可提高疏浚棄土的利用率，并緩解由于疏浚土流失而造成的航道回淤。

1 長江口航道疏浚土的突出特征

（1）時空分布特征。長江口12.5m 深水航道年正常維護疏浚量約6000 萬m3，南港及圓圓沙段（W0～W2）和北槽中下段（W3～W4）屬于疏浚土的主要分布區(qū)域，具有洪季大、枯季小的特點?？傮w上，長江口深水航道年維護疏浚土產(chǎn)生量較為可觀，若合理利用此部分資源，將滿足周邊吹填造地及其它場景的用沙需求，充分提高資源的利用水平，見圖1。

圖1 長江口航道平面布置

（2）粒度特征。W0～W2航段疏浚土以粉砂和細砂居多，粒徑較粗；W3～W4航段以粉砂居多，粒徑較細；相比之下，口外段（W4～W5）的疏浚土更細，中值粒徑普遍低于0.02mm?？梢?，疏浚土主要呈粉土類，由于此類土料的砂質(zhì)較佳，具有寶貴的利用價值，屬于彌足珍貴的泥沙資源，可配套科學的吹填技術(shù)，將該部分疏浚土用于圍墾工程吹填作業(yè)。

（3）化學特性。疏浚土分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類，分別對應的是清潔疏浚物、沾污疏浚物、污染疏浚物。通過疏浚土取樣檢測，長江口航道疏浚物中所有化學組分含量都不超過化學評價限值的下限，屬于Ⅰ類清潔疏浚物。

2 項目概況

在長江口深水航道治理疏浚工程中，原拋吹作業(yè)是全潮時段向貯泥坑、拋泥區(qū)傾倒疏浚土。三期疏浚工程中，充分考慮到資源利用效益最大化的原則，通過貯泥坑處理的疏浚土得到有效的應用，資源利用水平提高。

地理位置方面，長江口深水航道所處區(qū)域為潮汐河口，漲落潮流屬于重要的影響因素，其中以北槽貯泥坑尤為特殊，傾倒疏浚土易受漲落潮流影響而發(fā)生大范圍的流失，此部分疏浚土再次回至航道，隨著時間的推移，顯現(xiàn)出航道回淤現(xiàn)象且愈發(fā)加劇，疏浚廢方增多。根據(jù)現(xiàn)場情況，各貯泥坑的使用并非完全應用拋吹分離工藝，在三期工程施工過程中還聯(lián)合應用到包含單拋單吹、四坑三運轉(zhuǎn)等多種方法，因此在對拋泥的流失率做定量分析時僅考慮原始資料顯然缺乏足夠的可行性，結(jié)果可能失真，但可以明確的是，各貯泥坑拋泥有明顯的流失現(xiàn)象。

3 航道疏浚方案

本標段工程的航道疏浚主要使用大型自航耙吸式挖泥船進行疏浚挖泥施工。具體施工順序、施工方法和施工工藝分述如下：

3.1 施工順序

開工后將根據(jù)航道水深測圖，先挖淺段，逐次加深，待各段水深基本相近后再逐步加深，以利保證全槽均勻挖泥。疏浚土傾倒拋泥區(qū)或者貯泥坑需要根據(jù)吹填進展、貯泥坑容量監(jiān)測情況進行動態(tài)調(diào)整，耙吸船根據(jù)監(jiān)理指令在允許使用的貯泥坑或拋泥區(qū)進行拋泥。

3.2 施工方法

本工程自航耙吸式挖泥船采用裝艙溢流法施工，以盡可能使泥艙的裝載量達到最佳，考慮施工安全與環(huán)保的要求，嚴格限制溢流時間，本工程溢流時間控制在10min 左右，施工過程中如果業(yè)主有特別要求，將服從業(yè)主的安排。另外，考慮到潮流流速影響，為便于上線操作和施工安全，選用逆流施工法。

3.3 施工工藝

為了保證施工區(qū)同步浚深，提高工程質(zhì)量，工程施工中采取分段、分帶施工。施工操作工藝流程如下：進槽上線一挖泥一起耙調(diào)頭－運泥航行一拋泥一抽艙一返航。根據(jù)航道施工區(qū)的挖槽長度、工程量、可用拋泥區(qū)或貯泥坑及擬投入船舶的施工性能進行分段，實際施工中，將根據(jù)施工進度和航道回淤分布，以及業(yè)主和監(jiān)理工程師的要求按里程再次進行分段。為避免出現(xiàn)橫坎，根據(jù)本段施工區(qū)的挖槽長度及擬投入船舶的施工性能，段與段分界線上下兩側(cè)各增加50m 的重疊段。

為控制挖槽平整度，將挖槽分成寬度基本相同的帶狀施工區(qū)。分帶配合分段，對挖槽實施三維控制，這樣不僅有力提高施工效率，也有利于航行安全。每帶寬度按40～50m 不等劃分，為了防止帶與帶之間形成隆埂，帶與帶之間將重疊5～10m。工程施工過程中，加強施工測量，及時調(diào)整施工帶寬，以挖除帶與帶之間的埂子，提高挖槽平整度。為控制挖深，各船舶安裝遙報儀，實施接收潮位數(shù)據(jù)，對下耙深度進行修正，減少廢方。

3.4 單船作業(yè)效率分析

考慮到本工程不同施工區(qū)域和各拋泥區(qū)之間運距不同，平均運距從5～36km 不等，根據(jù)提供的分項工程量清單，平均運距超過20km 的工程量僅占總工程量的11%，加權(quán)平均運距是15.6km，小于典型運距20km，采用主力船施工能力的典型運距20km 作為分析單船作業(yè)效率的基礎。如果在該運距下施工船舶生產(chǎn)能力能夠滿足工程要求，則可充分滿足不同運距交叉作業(yè)情況下的施工強度。以萬方耙吸船長鯨2 為例，按照綜合運距20km，考慮75%時間利用率，月均施工能力約78 萬方。

4 施工技術(shù)措施

4.1 施工定位

所有施工船舶設備將配備定位精度優(yōu)于3m 的DGPS，統(tǒng)一接收交通運輸部設立在浙江大戢山島上DGPS 信標發(fā)射臺發(fā)射的DGPS 信標信號，確保施工與測量的定位精度。

4.2 掃淺施工

工程后期進入掃淺階段，先進行全槽定深下耙，采用排線法施工，對所有施工區(qū)域進行掃淺。自航粑吸挖泥船再適當?shù)刈摺癝”形施工，或定點清除施工，可掃除大部分淺點。最后根據(jù)測圖，將剩下的淺點坐標輸入計算機軟件，采用“進倒車”掃淺直至掃除施工區(qū)域內(nèi)的全部淺點，達到竣工驗收標準。

4.3 清除臺風驟淤

根據(jù)臺風驟淤強度及分布情況采取以下措施：增加施工船舶，增加裝艙溢流時間。臺風正面影響長江口水域易造成的驟淤，以浮泥為主。在這種情況下，根據(jù)結(jié)合潮流流向，合理布置挖線，臨時增加船機力量，延長溢流時間，利用潮流實現(xiàn)驅(qū)趕浮泥的目的，避免驟淤浮泥落槽造成工程量增加。

4.4 標段交接處的施工

為了避免造成各標段結(jié)合部位出現(xiàn)淺埂，并保證各標段之間搭接長度內(nèi)的水深滿足同步增深的要求，在進行本標段疏浚開挖過程中，疏浚范圍將在本標段兩端各延長100m，施工方案如下：在對各施工船舶進行施工技術(shù)交底時，強調(diào)本工程疏浚施工范圍需向兩端各延長100m；將本標段兩端延長100m 的范圍輸入電腦，在施工過程中予以開挖；在開挖過程中，根據(jù)施工進度情況，適當安排測量隊對該區(qū)域進行浚中檢測，掌握施工質(zhì)量情況，及時將有關(guān)數(shù)據(jù)交給在該區(qū)域施工的挖泥船，有效指導船舶施工。

5 疏浚土的擴散路徑分析

5.1 落潮階段的泥沙輸移路徑分析

在拋泥期間組織開展泥沙輸移路徑觀測分析。首次拋泥時間發(fā)生在落潮期，觀測結(jié)果顯示，S1、S3 斷面未觀測到泥沙擴散而導致的泥沙濃度升高現(xiàn)象，具體與兩處斷面位于拋泥點落潮流的反方向有關(guān)；S4 斷面的觀測結(jié)果顯示泥沙有擴散的跡象，流速為0.2～0.3m/s 時，泥沙擴散持續(xù)時間達到30min，擴散范圍約為350m，隨著流速的增加，達到0.7～1.0m/s 時觀測結(jié)果顯示此時無泥沙擴散的情況。

根據(jù)此變化特征可以得知，拋泥量和流速兩項參數(shù)會對拋泥后泥沙的擴散時間和范圍造成顯著的影響，隨著流速的減小，拋泥擴散的持續(xù)時間延長、范圍擴大。而在水流速度＜0.3m/s 時，泥沙雖然有擴散的跡象但其速度放緩。疏浚土的主要流動路徑為沉降至坑內(nèi)，僅存在少量向外流失的泥沙。經(jīng)過前述分析后，建議在流速小于0.3～0.5m/s 的時段組織拋泥作業(yè)，此時拋泥疏浚土向貯泥坑外的流失量相對較小。

5.2 漲潮階段的泥沙輸移路徑分析

第2～5 次拋泥作業(yè)發(fā)生于漲潮期，觀測結(jié)果顯示，S1 斷面（拋泥點漲潮下游方向）和S2、S3、S4 斷面（分布在拋泥點下游側(cè)）均未出現(xiàn)泥沙峰值，拋泥后的泥沙順水流向西偏北的方向擴散，此路徑?jīng)Q定了其并不會到達S1 斷面，而此結(jié)果也與前述有關(guān)于#3 貯泥坑附近水體流動的分析結(jié)論相契合。

基于前述分析可知：#3 貯泥坑拋泥時，存在部分泥沙向坑外輸移的運動特點，具體的輸移方向與漲落潮流方向相同?？梢?，若采取貯泥坑拋泥的施工工藝，將有較為明顯的疏浚土流失問題，而隨著拋泥時刻的不同，對應的疏浚土輸移路徑和落淤位置也存在差異，需要充分考慮到各貯泥坑不同拋泥時段的具體特點，采取針對性的控制措施。而在各區(qū)域中，以#3 貯泥坑較為特殊，考慮到疏浚土大幅度流失的情況，需要加強對此部分的控制。

5.3 貯泥坑流失疏浚土回槽率研究

在分析貯泥坑流失疏浚土對航道回淤狀況的影響時，常規(guī)的二維泥沙數(shù)模方法缺乏可行性，針對此特點，考慮到定床輸沙物理模型試驗的方法，并在此環(huán)節(jié)注重對泥沙回槽率的模擬，分別施放洪季和枯階徑流，確定各貯泥坑的洪枯季拋泥的回槽率，以便圍繞此數(shù)據(jù)展開分析。具體結(jié)果，如表1 所示。

表1 各貯泥坑航道回槽率 %

6 工藝優(yōu)化措施及應用效果分析

6.1 工藝優(yōu)化措施

（1）#3 貯泥坑的分布位置在N4～N5 丁壩壩頭連線以南，對比水域流速可以發(fā)現(xiàn)，該值明顯超過壩田區(qū)。在4 處貯泥坑中，以#3 坑的流失率最大，為盡可能減小該處流失疏浚土對航道通航秩序的干擾，考慮將其移動至N4～N5 丁壩壩頭連線以北的方法，根據(jù)數(shù)模和物模研究結(jié)果可以得知，在采取該移動措施后，漲落潮流速呈減小的變化趨勢，有利于穩(wěn)定疏浚土的位置，其流失率降低幅度超過15%。

（2）#1、#2 貯泥坑的拋泥時間規(guī)劃在漲潮期，在此優(yōu)化措施下，貯泥坑的流失率降低幅度超過10%，疏浚土流失的問題得到有效的控制。

（3）#4 貯泥坑的拋泥時間則規(guī)劃在高平潮和落潮期兩個時期，即便此時仍有一定量的流失疏浚土，但可經(jīng)由北槽下段北邊灘向下輸移，此流動路徑合理，不會對航道的回淤造成不利影響。

6.2 工藝優(yōu)化的應用效果分析

（1）拋泥的流失率降低。根據(jù)前述提及的優(yōu)化措施，分別優(yōu)化各貯泥坑的拋泥時段，再對比分析優(yōu)化前后的貯泥坑流失率，以便直觀評估優(yōu)化措施的應用效果。具體情況，如表2 所示。

表2 工藝優(yōu)化前后各貯泥坑流失率

分析發(fā)現(xiàn)，各貯泥坑于指定時間段完成拋泥作業(yè)后，流失率普遍呈降低的變化趨勢，其中#1 坑、#2 坑、#3 坑在采取優(yōu)化措施后降低幅度分別約為29%、30%、30%，但#4 坑的流失率在優(yōu)化后反而有增加的情況。

針對該結(jié)果，著重對#4 貯泥坑流失率增加的情況展開分析，探明導致該現(xiàn)象的原因，再綜合考慮北槽歷次固定斷面的資料，根據(jù)掌握的信息進行數(shù)、物模研究，認為：#4 坑的拋泥時間發(fā)生在落潮階段，流失的疏浚土沿北槽下段北邊灘向下輸移，此流動跡象不會對航道及邊灘的回淤狀態(tài)造成影響，在未采取優(yōu)化措施時，全潮時段#4 坑拋泥的平均流失率約為70%，而在采取優(yōu)化措施后，拋泥作業(yè)僅發(fā)生在高平潮和落潮兩個時段，相較于拋泥前，流失率必然與優(yōu)化前保持一致乃至有增加的跡象。通過對回槽率指標的分析可知，貯泥坑區(qū)分漲落潮時期進行針對性的拋泥后，顯現(xiàn)出流失的疏浚棄土顯著降低的變化趨勢，部分流失的疏浚棄土回至航槽的數(shù)量也相對減少，總體來看，在采取前述提及的優(yōu)化措施后，能夠有效緩解疏浚拋泥流失所引發(fā)的各類問題，采取的工藝優(yōu)化措施具有可行性。

7 結(jié)論

經(jīng)本文的分析后，做如下總結(jié)：

（1）綜合應用到現(xiàn)場資料分析、現(xiàn)場監(jiān)測等方法，借助物理模型分析認為：在全潮時段用貯泥坑傾倒疏浚土時，貯泥坑拋泥后的流失現(xiàn)象較為明顯，同時此部分流失的疏浚土還呈現(xiàn)出回至航道的流動狀況，受此影響，嚴重影響航道的正常通航。

（2）針對工程現(xiàn)狀探尋優(yōu)化措施，將貯泥坑位置移動至漲落潮流速最低的部位、嚴格控制貯泥坑拋泥時段等，通過多項優(yōu)化措施的落實，有利于降低貯泥坑拋泥的流失率，同時在一定程度上抑制航道回淤泥沙的來源，對于航道的正常通航較為友好。

（3）拋吹結(jié)合的疏浚工藝雖然可取得一定的應用效果，但并非最佳工藝，因此需要持續(xù)探索優(yōu)化措施，最大限度降低貯泥坑泥沙的流失率，充分發(fā)揮出疏浚土的利用價值，力爭實現(xiàn)資源利用效率最大化的目標。可以探索艏吹工藝，在保障深水航道施工效率的基礎上，最大程度實現(xiàn)疏浚土綜合利用。