贛江豐城龍頭山樞紐以下航段航道整治工程水下疏浚清礁施工工藝研究

劉立平，黃建宇，喻龍，楊波，賀朝雙

（江西省贛西航道事務(wù)中心，江西 宜春 336000）

贛江龍頭山樞紐以下龍頭山灘至龍務(wù)洲灘航道里程約20km，位于贛江中下游，航道現(xiàn)狀等級為Ⅲ-（3）。河段周圍有豐城曲江碼頭、新越瀝青碼頭等多個專用碼頭，是宜春市連接南昌、吉安等市的水路運輸重要通道，也是打通贛江全線三級通航的重要節(jié)點。近年來受上游樞紐調(diào)節(jié)影響，上游來流量減小，航道水情極不穩(wěn)定，尤其在一些復(fù)雜和敏感航段，無序采砂頻繁，致使河床大幅下切，枯水期水位下降，航道通航條件持續(xù)惡化，成為目前影響贛江三級通航的主要礙航瓶頸。

當(dāng)前，江西省水運已迎來發(fā)展的新機(jī)遇，水運貨運需求持續(xù)增加，而枯水期多為冬季，煤炭、化工等能源運輸保障要求進(jìn)一步提高。為確?？菟幌纶M江干線航道暢通，重點保障電煤、礦石等重要民生物資運輸安全，特別是保障上游豐城電廠電煤、樟樹宏宇能源、江西晶昊鹽化有限公司石灰石、煤炭等運輸需要，急需通過采取航道整治等工程措施來解決工程河段枯水期礙航問題。

1 航道現(xiàn)狀

工程河段起于龍頭山樞紐下引航道出口，止于龍務(wù)洲尾，全長約20km，現(xiàn)狀為天然航道。歷史上該河段曾進(jìn)行了多次航道整治，包括贛江(樟樹～南昌) Ⅲ級航道整治工程、磨盤灘河段應(yīng)急搶通工程、龍務(wù)洲河段應(yīng)急搶通工程等。工程河道內(nèi)洲灘發(fā)育，分布有多個淺灘，自上而下為龍頭山灘、磨盤灘、小港口灘、大港口灘、龍洲頭灘、羅漢石灘、龍洲尾灘等。河寬變幅較大，枯水河寬在300m～1500m 之間。龍頭山樞紐壩下受龍頭山村左岸山體突咀的影響，河道縮窄明顯，河寬僅350m 左右；最大河寬為龍洲尾灘尾部，該段原左岸邊灘由于采砂影響幾乎消失，河道大幅展寬至1500m。

工程河段現(xiàn)狀維護(hù)等級為Ⅲ-（3）級航道，維護(hù)尺度為2.2×60 ×480m(航深×航寬×彎曲半徑)，通航1000 噸級船舶。近年受上游樞紐建設(shè)運營、河段內(nèi)人為采砂等因素影響，河床大幅下切，造成河段內(nèi)枯水位持續(xù)下降，同時由于河段中小港口灘、龍務(wù)洲灘局部河床覆蓋層泥沙基本沖刷殆盡導(dǎo)致基巖裸露，航道條件進(jìn)一步惡化，枯水期水深趨淺，且河床高低不平，危及船舶航行安全，急需采用航道整治措施，暢通航道，降低通航風(fēng)險。

2 工程方案布置

本段航道按內(nèi)河Ⅲ-（3）級標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，航道設(shè)計水深原則上按航道現(xiàn)狀維護(hù)水深確定，即2.2m，但由于工程河段工程區(qū)多數(shù)為硬質(zhì)河床，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》，另取硬質(zhì)河床富余水深0.1m，即工程河段航道設(shè)計水深為2.3m。本次航線規(guī)劃遵循“充分依托現(xiàn)有航道走向，盡量利用深泓”的原則，采用2022 年4 月的航道測圖對航道進(jìn)行規(guī)劃，規(guī)劃航道寬度60m，彎曲半徑不小于480m。

在規(guī)劃航道范圍內(nèi)設(shè)計水位下水深不足2.3m 的區(qū)域為疏浚區(qū)，按照此標(biāo)準(zhǔn)，本次共布置13 條挖槽，棄土區(qū)運輸通道1 條，疏浚和清礁工程總量為16.96 萬m3，其中疏浚工程量13.34 萬m3，清礁工程量3.62 萬m3。工程方案布置如下圖表所示：

圖1 小港口灘挖槽布置圖

圖2 龍務(wù)洲灘挖槽布置圖

表1 工程方案布置表

3 工程地質(zhì)概況

在工程施工之前對河床地質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)勘探，根據(jù)《贛江新干樞紐－南昌航道整治工程巖土工程勘察報告（工可階段）》，小港口灘至龍務(wù)洲灘段航道區(qū)域工程地質(zhì)情況主要如下：

3.1 巖土層分布與特征

本層勘察揭露地層有第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al），下伏基巖主要為下第三系新余群（Exn）地層，現(xiàn)自上而下分述如下：

3.1.1 第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4al)

砂①：黃褐色、灰褐色，飽和，松散狀，主要為粗砂、礫砂，局部為中粗砂，主要成分為石英砂，含礫、卵石10%～35%，礫、卵石直徑20～50mm 不等，其中卵礫磨圓度較好。該層被鉆孔全部揭穿，層頂高程6.20～11.4m，層底高程3.80～8.90m，層厚0.10～3.80m，平均厚度1.21m。

圓礫②：黃褐色、麻灰色，飽和，松散～稍密狀，主要成分為硅質(zhì)巖、石英巖、花崗巖、砂巖，卵礫石含量大于50%，卵礫徑2～ 10cm 不等，其中卵礫磨圓度較好，分選性較差，充填中粗砂。該層被鉆孔全部揭穿，層頂高程6.90～9.20m，層底高程3.20～8.80m，層厚0.40～3.80m，平均厚度0.93m。

3.1.2 下第三系新余群(Exn)

中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖③：紫紅色、棕紅色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)，巖芯呈短柱狀，碎塊狀、少量呈柱狀。該巖石遇水易軟化，失水易開裂，屬軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為V 級，鉆探中未發(fā)現(xiàn)洞穴、臨空面及軟弱夾層。該層廣泛分布，層頂高程3.2～10.0m，本次勘察揭露厚度0.2～4.3m，揭露平均厚度2.71m。

3.2 物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計

根據(jù)室內(nèi)土工試驗資料分析，將巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度實驗成果統(tǒng)計值列于下表。

表2 巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度實驗成果統(tǒng)計表

3.3 巖土工程分析與評價

根據(jù)場地巖土層的結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)特征，勘察場地各疏浚巖土的分級及可挖性定性評價見下表。

表3 各疏浚巖土分級及可挖性定性評價表

4 施工工藝的選擇

根據(jù)航道工程地質(zhì)情況可以看出，本次工程河段內(nèi)存在砂、圓礫、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等多種不同性質(zhì)的土層，工程地質(zhì)復(fù)雜，針對不同工程地質(zhì)采用不同施工方法相結(jié)合才能取得良好的施工效果。本次工程河段河床主要分布以圓礫和砂石等軟質(zhì)河床為主，在局部河床底部存在基巖和礁石等硬質(zhì)河床，對于圓礫和砂石可采用疏浚施工予以清除，對于水下巖基等硬質(zhì)河床可采用清礁施工，對于部分覆蓋層較厚的硬質(zhì)河床，可采用疏浚加清礁的施工工藝，先將上部覆蓋層進(jìn)行疏浚清除，再對底部硬質(zhì)河床進(jìn)行清礁施工。

本次工程河段共14 條挖槽，應(yīng)根據(jù)工程河段的土質(zhì)和施工條件，選擇最適宜的施工工藝，以保證疏浚工程的質(zhì)量、施工效率和節(jié)省投資。對于由圓礫砂石覆蓋的小港口灘挖槽2、挖槽7、挖槽9，龍務(wù)洲頭灘挖槽1，挖槽2、挖槽3，龍務(wù)洲尾灘挖槽2 共7 條挖槽采用疏浚施工；對于上部覆蓋層較厚的底部硬質(zhì)河床小港口灘挖槽1、挖槽3、挖槽4、挖槽5、挖槽6、挖槽8 共6條挖槽采用疏浚加清礁相結(jié)合的方式進(jìn)行施工；對于龍務(wù)洲尾灘挖槽1 因其存在大塊孤石，疏浚難度較大，故全部采用清礁施工。

4.1 對于淤泥和細(xì)砂組成的軟質(zhì)河床施工工藝

對于龍頭山灘、龍務(wù)洲灘等由淤泥和細(xì)砂組成的軟質(zhì)河床常因其開挖性能好，便于運輸，本工程采用絞吸式挖泥船進(jìn)行疏浚施工，絞吸式挖泥船是利用裝在絞刀橋梁前端的松土裝置——絞刀，將水底泥沙不斷地絞松，同時利用泥泵從吸口、吸泥管吸進(jìn)泥漿，通過排泥管輸送到卸泥區(qū)的一種挖泥船，適用于大多數(shù)土質(zhì)，但對于硬度較高的巖石效果較差。絞吸式挖泥船的生產(chǎn)過程可以一次連續(xù)完成，因而是一種效率較高，成本較低的疏浚施工工藝。施工效率主要和泥漿運距有關(guān)，運距越長施工效率越低，當(dāng)排泥運輸管線需要穿越航道時，還需布設(shè)水上管道，對施工期通航造成影響。

圖3 絞吸式挖泥船施工示意圖

絞吸式挖泥船施工流程：放樣→開工展布→進(jìn)點定位→連接水上管線設(shè)備→觀測水位變化→確定下放深度→挖泥→自檢至達(dá)到設(shè)計標(biāo)高。

4.2 對于礫石和卵石組成的軟質(zhì)河床施工工藝

對于龍務(wù)洲尾灘這種由礫石、卵石組成的軟質(zhì)河床，絞吸式挖泥船施工效率較低，適用性較差，本工程采用抓斗式挖泥船進(jìn)行施工。抓斗式挖泥船是利用旋轉(zhuǎn)式吊機(jī)操縱抓斗的開閉和升降來抓取水下的泥土，完成挖泥疏浚作業(yè)。抓斗分為鋼臂式抓斗和鋼索式抓斗兩種類型，鋼臂抓斗是指抓斗直接與吊臂相連接，依靠吊臂上的液壓油缸完成抓斗的開閉，抓合力取決于液壓油缸能力；鋼索式抓斗則是通過鋼索連接在吊臂末端，依靠鋼索和抓斗自身重力來控制抓斗開閉，抓合力主要取決于抓斗自身重量。作業(yè)過程包括抓斗下降、抓泥、提升和卸泥4 個步驟，抓斗式挖泥船通過配備不同抓斗對塊石、圓礫、中粗砂、細(xì)沙、淤泥等土質(zhì)具有較好的開挖性能，只要配備有足夠的泥駁船可以連續(xù)施工作業(yè)，施工效率較高，但在施工中需要拋錨移位較多，對航道通航影響較大。

圖4 抓斗式挖泥船施工示意圖

抓斗式挖泥船施工流程：放樣→開工展布→確定下放深度→挖泥→自檢→觀測水位變化→重復(fù)確定下放深度→重復(fù)挖泥→自檢至達(dá)到設(shè)計標(biāo)高。

4.3 對于巖石強(qiáng)度高、開挖難度大的硬質(zhì)河床施工工藝

在小港口灘、羅漢石灘局部河床底部存在基巖，因其強(qiáng)度高，開挖性差，采用疏浚施工難以有效進(jìn)行。因此對于巖石、礁石等水下硬質(zhì)河床常采用清礁工藝進(jìn)行施工，并且由于巖層開挖深度較厚，巖石強(qiáng)度較高，本次施工采用炸藥爆破進(jìn)行清礁施工。水下鉆孔爆破是應(yīng)用較為廣泛的水下清礁施工工藝，主要利用炸藥將水下礁石進(jìn)行爆破破碎，施工便捷高效，工藝較為成熟，但對周圍安全環(huán)境影響較大。水下爆破采用Φ100 型巖芯鉆水下鉆孔，選用硝化甘油炸藥安裝在孔內(nèi)對水下巖石進(jìn)行爆破，爆破碎渣采用4m3抓斗式挖泥船進(jìn)行清理。

圖5 4m3 抓斗式挖泥船施工示意圖

水下爆破施工流程：鉆機(jī)船定位→鉆孔→爆破→撤離并警戒→起爆→爆后檢查→清礁→棄渣→進(jìn)入下一個循環(huán)→自檢→掃床。

4.4 對于巖石強(qiáng)度低、開挖深度小的硬質(zhì)河床施工工藝

對于磨盤灘局部河床開挖深度小，巖石強(qiáng)度低，用炸藥爆破對水下污染較大，不經(jīng)濟(jì)環(huán)保，且施工技術(shù)難度大，本次工程采用水下鉆機(jī)鑿擊破巖的方式進(jìn)行清礁施工。水下鉆機(jī)鑿擊破巖是先將礁石區(qū)表層淤泥粘土等覆蓋清除，然后采用鉆機(jī)將巖石鉆孔降低強(qiáng)度將其破碎，然后采用抓斗船清理破碎巖渣。該方法安全性好，對周圍環(huán)境影響小，對于施工深度較淺強(qiáng)度較低的硬質(zhì)河床適應(yīng)性較好，施工效率高，適用于橋區(qū)和取水口等對周圍環(huán)境及安全保護(hù)要求較高的特殊水域。

圖6 抓斗船清理巖碴示意圖

水下鉆機(jī)鑿擊破巖施工流程：施工準(zhǔn)備→清除礁石區(qū)域表層覆蓋層→鉆鑿鉆孔弱化巖石整體強(qiáng)度→抓斗船清理破碎巖碴→重復(fù)鉆機(jī)破巖→抓斗船清理破碎巖碴到設(shè)計標(biāo)高。

4.5 施工技術(shù)要求

（1）施工時應(yīng)設(shè)置好水尺，隨時掌握水位變化情況，并做記錄，每天應(yīng)根據(jù)水位漲落情況經(jīng)常調(diào)整下放深度。

（2）清礁區(qū)底部的平整度應(yīng)符合規(guī)范要求，不能高低起伏，清礁范圍內(nèi)嚴(yán)禁存在淺點。

（3）進(jìn)出口應(yīng)拓寬呈喇叭狀，拐彎處適當(dāng)拓寬。

（4）施工過程中為防止偏移要做好測量檢查工作，并掌握回淤情況，防止漏挖。

（5）清礁水域在完成施工后必須通過硬式掃床檢驗。

（6）棄土及巖渣不得隨意拋棄，必須拋卸到指定的地點。

（7）工程質(zhì)量應(yīng)滿足《水運工程質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)》(JTS257-2008，2015 年修訂版)。

5 工程成效

小港口灘至龍務(wù)洲灘整治工程自2022 年7 月開始施工，11 月底基本完工。12 月10 日全段單波束掃測驗收通過，12 月15 日硬式掃床驗收合格。在施工過程中施工組織及質(zhì)量控制嚴(yán)格，安全保障措施到位，施工工藝選擇合理，施工效率大幅提升，較原定工期提前一個月完成施工，大幅節(jié)約了工程投資，順利地完成了此次航道整治工程，水流條件得到明顯改善，航道水深較整治前大幅提升，維護(hù)了航道通航尺度，保障了贛江航道暢通，整治工程效果超過預(yù)期。