射流疏浚施工的測量檢測技術(shù)

（上海達(dá)華測繪有限公司，上海 200136）

射流疏浚施工的測量檢測技術(shù)

焦永強

（上海達(dá)華測繪有限公司，上海 200136）

射流疏浚是利用一定水壓的射流裝置對一些特殊作業(yè)區(qū)進(jìn)行疏浚，具有節(jié)能、高效、經(jīng)濟的特點。對射流疏浚施工效果的檢測技術(shù)比較復(fù)雜，結(jié)合“新海鯨”輪疏浚船在長江口深水航道進(jìn)行射流疏浚施工的實例，對射流疏浚施工測量方法、檢測工藝進(jìn)行了比較系統(tǒng)的探討，可為同類項目施工檢測提供參考。

射流疏浚；異重流；測量

0 引言

疏浚作業(yè)是一項工藝復(fù)雜、投入費用較高的施工技術(shù)，為提高疏浚作業(yè)的效率，降低疏浚成本，針對不同地質(zhì)的疏浚區(qū)、不同的疏浚目的需要使用不同的疏浚設(shè)備及不同的施工工藝。與傳統(tǒng)的耙吸式、絞吸式、抓斗式疏浚作業(yè)相比，射流疏浚船舶要小許多，所需要的疏浚配套設(shè)備及人員少，因而具有較高的移動性、靈活性和經(jīng)濟性。

作為一種新的疏浚技術(shù)，在疏浚施工的過程檢測方面與傳統(tǒng)的測深檢測有著較大的差異，如何對其進(jìn)行實時、準(zhǔn)確的過程檢測是一項難度相對較高的水上測量工作。我們針對“新海鯨”輪疏浚船在長江口深水航道進(jìn)行射流疏浚施工的試驗性項目，利用多種測量技術(shù)對疏浚施工效果進(jìn)行了檢測，取得了較好的檢測效果，為射流疏浚的測量檢測積累了經(jīng)驗，為同類項目的有效實施提供了參考。

1 射流疏浚工藝原理與檢測技術(shù)

1.1 射流疏浚工藝原理

荷蘭HAM公司在20世紀(jì)80年代末期研制成功第一艘射流疏浚船，目前，世界上活躍著22艘射流疏浚船，從高壓射流泵柴油機功率為1 200 kW的“Massmond”號到功率為75 kW的最小的“Baldur”號，以及在兩者之間大小不一的各種射流疏浚船，其施工作業(yè)深度介于26 m到幾乎為0 m之間。

射流疏浚是一種比較新穎的水動力疏浚技術(shù)，通過設(shè)置在疏浚船上的專用射流裝置將水體注入疏浚地層中形成攪動層，將疏浚地層的固定沉積層變?yōu)椤爱愔亓鳌保渴杩^(qū)的水流作用將疏浚土帶出疏浚區(qū)，達(dá)到疏浚的目的。

在法國的加萊港（Calais），利用射流疏浚進(jìn)行維護(hù)性疏浚施工，其靈活性及經(jīng)濟性受到了有效的肯定；在印度孟買，射流疏浚被證明是整平海底的一種最有效技術(shù)；2008年5月—11月間，中交上海航道局有限公司在長江口深水航道二期治理工程疏浚施工中通過在“新海鯨”輪疏浚船上加裝的高壓射流裝置進(jìn)行了射流疏浚的試驗性作業(yè)，對航道的淤積層的疏浚效果明顯。

1.2 射流疏浚的測量檢測技術(shù)

射流疏浚施工與傳統(tǒng)的疏浚方式有較大的不同，傳統(tǒng)的檢測是事后的檢測，主要是采用單波束或多波束水深測量的方式來實現(xiàn)，浚后通過測量水深變化值來計算疏浚工作量，對疏浚過程不進(jìn)行實時的干預(yù)指導(dǎo)。

射流疏浚則不同，射流疏浚的目標(biāo)是將疏浚地層變成“異重流”或浮泥狀態(tài)，通過水流作用將疏浚土帶出疏浚區(qū)達(dá)到疏浚增深的目的。如果疏浚過程中沒有明顯的“異重流”或浮泥產(chǎn)生，就無法將疏浚土帶出疏浚區(qū)，達(dá)不到預(yù)期的目的。因此，在射流疏浚過程中，疏浚船要根據(jù)現(xiàn)場的實時測量結(jié)果，對射流壓力、射流裝置下放高度、疏浚船速進(jìn)行調(diào)整，最大限度地提高射流疏浚效果。測量工作對疏浚的指導(dǎo)作用比較明顯，過程測量非常重要。對一些水流變化相對復(fù)雜的河海交匯區(qū)域，為了進(jìn)一步提高疏浚效率，需要充分掌握疏浚區(qū)的流速、流向變化情況，常采用走航式ADCP對施工區(qū)進(jìn)行流速流向的測量，根據(jù)流速流向數(shù)據(jù)調(diào)整射流疏浚施工的作業(yè)路線。

其檢測工作主要包括兩個方面：疏浚過程檢測及浚后檢測。

1.2.1 疏浚過程檢測

射流疏浚施工過程的檢測是檢測施工中“異重流”或浮泥的形成效果，包括：“異重流”或浮泥的斷面檢測、密度檢測及形成消亡狀態(tài)的檢測。

1）水深斷面檢測

在射流疏浚施工的同時，利用專業(yè)測量船對施工作業(yè)斷面進(jìn)行斷面檢測，測量根據(jù)斷面圖像及相關(guān)水深判斷疏浚區(qū)“異重流”及浮泥形成的狀態(tài)，為射流疏浚船作業(yè)過程中的相關(guān)控制提供參考依據(jù)，提高疏浚施工效率。

由于射流疏浚所形成的“異重流”或浮泥層密度遠(yuǎn)大于水體密度，為提高檢測精度，需要利用具有高低頻測深能力的雙頻測深儀進(jìn)行水深斷面的測量，如：MKIII、MP35及320M等，對一些存在浮泥的疏浚區(qū)，采用低頻為12 kHz測深儀進(jìn)行測深，通過其較強低頻的穿透能力，可直觀地分析判斷“異重流”或浮泥的形成狀態(tài)。

在疏浚施工中，測量檢測工作將隨施工區(qū)水流情況進(jìn)行跟蹤測量，有針對性地跟蹤“異重流”或浮泥隨水流的運動軌跡及消散過程，從而達(dá)到指導(dǎo)射流疏浚的作用。

2）密度測量

利用DensiTune音叉振動密度計（標(biāo)稱精度：±1%）及相應(yīng)的處理軟件對產(chǎn)生“異重流”或浮泥的水體進(jìn)行密度的實時測量，可依此監(jiān)測射流疏浚作業(yè)的效果。從而有效指導(dǎo)疏浚作業(yè)工作，適當(dāng)調(diào)整射流疏浚作業(yè)參數(shù)，提高疏浚效果。

3）流速流向測量

在一些河海交匯區(qū)域，由于水體的流速流向變化比較復(fù)雜，如何控制好疏浚過程中“異重流”或浮泥的流向，是確保疏浚效率的關(guān)鍵。因此，在疏浚施工中，我們需要利用ADCP沿疏浚區(qū)周圍進(jìn)行走航式流速流向測量，疏浚船根據(jù)流速流向結(jié)果選擇最佳的施工區(qū)段進(jìn)行疏浚施工，從而確保含有大量疏浚土的“異重流”或浮泥隨著水流作用快速流出疏浚作業(yè)區(qū)，以提高射流疏浚的效率；對于一些兩側(cè)相對封閉的航道來說，通過ADCP的上下流封閉測流并結(jié)合密度斷面的測量，可以比較略地計算輸出的沙土量。

由于疏浚作業(yè)區(qū)水體相對比較渾濁，宜采用工作頻率相對較低的ADCP進(jìn)行測量，如300 kHz或150 kHz，不宜選用工作頻率600 kHz及以上頻率的ADCP進(jìn)行流速流向測量，為了提高流向的測量精度，需要外接GPS羅經(jīng)。

1.2.2 浚后的水深檢測

疏浚施工的效果是否達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，最終需要通過準(zhǔn)確的水深測量來進(jìn)行檢測。傳統(tǒng)的疏浚施工，浚后檢測既可以采用單波束水深測量的方式，也可采用多波束測量的方式進(jìn)行測量，射流疏浚因一次性疏浚深度相對較小，為提高檢測精度，多采用多波束全覆蓋的測量方式進(jìn)行。

2 應(yīng)用實例

在長江口深水航道二期治理工程疏浚施工中，主要采用大型耙吸式疏浚船進(jìn)行航道的疏浚，比較適合于大方量的疏浚施工，其疏浚施工的成本也相對較高。

隨著長江上游洪水季節(jié)的到來，夾雜著泥沙的上游來水奔涌到長江入海口，從而使長江口深水航道內(nèi)存在一定的浮泥淤泥現(xiàn)象，由于淤積的厚度不是很厚，泥層的密度相對較小、采用傳統(tǒng)的耙吸式疏浚作業(yè)方式不經(jīng)濟，施工速度也相對較慢。為提高疏浚作業(yè)效率，降低疏浚成本，通過對“新海鯨”輪疏浚船增加射流裝置（如圖1所示）將自航式耙吸船改為射流疏浚船，采用射流疏浚的方式對易淤積航道段進(jìn)行了射流疏浚施工試驗，收到了較好的作業(yè)效果。

圖1 高壓射流裝置實物圖Fig.1 The picture of high-pressure jet device

圖2中里程3+000~7+000 km的區(qū)域為此次射流疏浚施工的試驗區(qū)；在該區(qū)域，當(dāng)長江上游洪水期來到時，航道內(nèi)存在一定的淤積，疏浚后存在一定的反復(fù)。

圖2 射流疏浚作業(yè)區(qū)位置圖Fig.2 Operation area site of water injection dredging

在進(jìn)行射流疏浚的試驗前后，我們不僅進(jìn)行了必要的多波束水深測量、單波束雙頻斷面跟蹤監(jiān)測及“異重流”或浮泥層的密度測量工作，同時還對試驗區(qū)進(jìn)行了淺剖測量、ADCP測流、淤積層取樣而及浮泥測量等輔助測量手段，為最終的疏浚施工效果檢驗提供了重要的依據(jù)。

其中，地質(zhì)取樣、淺剖測量主要為射流疏浚時的初時水壓及射流裝置入水深度提供初始參考，以利于射流疏浚效果的顯現(xiàn)；通過ADCP測流指導(dǎo)疏浚船在不同潮水期在不同區(qū)域按不同順序進(jìn)行施工。這三者對射流疏浚的過程檢測不是非常重要，最重要的是采用單波束雙頻測深面檢測、密度測量及多波束測量等3種方式，圖3、圖4是射流疏浚施工過程中的密度檢測結(jié)果和單波束雙頻測深斷面檢測的成果。

圖3 “異重流”密度測量結(jié)果Fig.3 Measuring result of density flow

圖4 單波束斷面檢測圖Fig.4 Cross-section detection of single beam

從圖3中可以看出：射流疏浚時，形成的“異重流”或泥沙懸浮物的密度在1.15 g/L左右，隨水流的作用確實可以帶走一些疏浚土；從圖4可以看出：射流作業(yè)在形成“異重流”或泥沙懸浮物的同時，航道的加深跡象明顯。

圖5為射流疏浚前和疏浚后的多波束測量的水深差值圖， 從圖中可以看出：

1）1次射流疏浚后水深可加深0.3~0.7 m；如進(jìn)行多次射流疏浚，其疏浚效果將更加明顯；

2）射流疏浚施工后的航道平整度非常好，沒有明顯的高低起伏現(xiàn)象，對于航道的疏浚平整度有要求的疏浚項目將發(fā)揮較大的優(yōu)勢。

圖5 疏浚前后水深比對差值圖Fig.5 Comparison of water depth before and after dredging

3 結(jié)語

射流疏浚作為一種相對比較新穎的疏浚方式，因其自身的特點，在一些疏浚平整度要求較高、地質(zhì)特殊、浮泥現(xiàn)象明顯的區(qū)域，利用射流疏浚工藝進(jìn)行疏浚施工往往能達(dá)到事半功倍的效果。

根據(jù)射流疏浚在長江口深水航道應(yīng)用的實例可以看出：單波束雙頻測深、密度計斷面測量、多波束全覆蓋水深測量等方式是射流疏浚施工中重要的測量檢測方法；通過水深及密度斷面測量，能夠?qū)崟r檢測射流疏浚施工的效果，為疏浚船射流裝置的下放高度、水壓大小、疏浚速度等參數(shù)的設(shè)置提供可供參考的依據(jù)，有利于疏浚作業(yè)的高效進(jìn)行；通過多波束全覆蓋水深測量方式進(jìn)行浚前與浚后的測量，可以比較準(zhǔn)確地計算出射流疏浚的工作量，是計量疏浚效果的最有效的檢測手段。

[1]注水疏浚[J].王麗華，林風(fēng)，譯.科技情報，2013（2）：18-25. Water injection dredging[J].WANG Li-hua，LIN Feng，translated. Scientific and Technical Information，2013（2）：18-25.

[2]注水疏浚的理論與實踐[J].陳蓉，譯.水路運輸，1989（1）：47-58. Theory and practice of water injection dredging[J].CHEN Rong，translated.Waterway Transport，1989（1）：47-58.

[3]周冠倫，榮天富.航道工程手冊[M].北京：人民交通出版社，2004：1 479-1 482. ZHOU Guan-lun，RONG Tian-fu.Waterway engineering manual [M].Beijing：China Communications Press，2004：1 479-1 482.

[4]張瑞瑾.河流泥沙動力學(xué)[M].武漢：中國水利水電出版社，1989：211-224. ZHANG Rui-jin.River sediment dynamics[M].Wuhan：China Water Power Press，1989：211-224.

中交天津港灣工程研究院有限公司喜獲國家科技進(jìn)步一等獎

2014年1月10日上午，莊嚴(yán)的人民大會堂里燈火璀璨、春意融融，國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會在這里隆重召開。由我院參加完成的“離岸深水港建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與工程應(yīng)用”項目獲得2013年度國家科技進(jìn)步一等獎，標(biāo)志著我院的科技研發(fā)工作再出碩果。

該項目為《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要2006—2020》優(yōu)先主題和交通運輸部《公路水路交通“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃》重大專項，是交通運輸部最大的水運建設(shè)技術(shù)開發(fā)類項目。項目歷經(jīng)10年研究，在離岸深水港安全高效總體規(guī)劃與運營、海工新型結(jié)構(gòu)設(shè)計與新材料、外海快速環(huán)保施工成套裝備與工藝、新的土體極限分析理論與計算方法和水下原位自動化監(jiān)測等4個方面取得突破。在國際上率先形成了系統(tǒng)完備的離岸深水港建設(shè)核心技術(shù)，解決了外海惡劣自然條件下建設(shè)大型離岸深水港口的世界性難題，使中國具備了在外海建設(shè)港口和陸域基地的實力，對我國擴大海洋權(quán)益維護(hù)范圍，提高海洋資源開發(fā)水平意義重大。該項目成果已在世界最大的礦石碼頭，海軍某工程及卡塔爾多哈新港等20余項國內(nèi)外重大工程中應(yīng)用，并納入13部國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，且出版了英文版，顯著提升了我國海事工程的國際影響力。

我院結(jié)合該項目，開發(fā)了水下原位自動化監(jiān)測技術(shù)，創(chuàng)立了新的土體廣義極限平衡理論，并開發(fā)相應(yīng)的地基計算軟件。其中土體廣義極限平衡理論及相應(yīng)的計算軟件為該項目的三大原始性創(chuàng)新成果之一。

國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎是為了表彰在我國科學(xué)技術(shù)事業(yè)發(fā)展中作出杰出貢獻(xiàn)的科技工作者和組織，是國家對科技工作者研究成果的最高肯定。該項目是我院長期堅持科技興企戰(zhàn)略，全面提升科技創(chuàng)新能力取得的豐碩成果，彰顯了我院在大型工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)方面取得的突破性進(jìn)展，標(biāo)志著我院的科技研發(fā)能力和水平邁上了新臺階。

（中交天津港灣工程研究院有限公司 曹永華 供稿）

Measurement detection technology of water injection dredging construction

JIAO Yong-qiang
（Shanghai DaHua Surveying&Mapping Co.，Ltd.，Shanghai 200136，China）

Water injection dredging dredges for some special areas by using a certain hydraulic flushing device，it has the characteristics of energy saving，high efficient and economic.The measurement technology for the effect of water injection dredging construction is complex，combined with the“Xinhaijing”dredger construction examples of flood in the Yangtze estuary deepwater channel dredging，this paper discusses the construction method of measurement and detection techniques，provides a reference for the construction and detection of similar projects.

water injection dredging；density flow；surveying

U616.2

：A

：1003-3688（2014）03-0057-04

10.7640/zggwjs201403011

2013-10-10

焦永強（1970— ），男，陜西漢中人，技術(shù)部主任，高級工程師，測量工程專業(yè)。E-mail：jiaoyq01@126.com