超大型耙吸船深遠海取砂吹填施工工藝

吳永彬，馮晨，楊正軍

（1．中交天航港灣建設工程有限公司，天津 300456；2．中交天津航道局有限公司技術中心，天津市疏浚工程技術企業(yè)重點實驗室，天津 300450）

0 引言

隨著國際疏浚市場發(fā)展以及各國吹填造地需求的不斷增長，耙吸船深遠海取砂吹填作業(yè)是未來疏浚業(yè)重要的發(fā)展趨勢，且存在廣闊的市場前景[1]。馬來西亞檳城吹填造地工程為典型的遠海、深水取砂吹填工程，取砂深度超55 m，運距達70 n mile，耙吸船僅依靠艙內泵施工挖深超通常不超過45 m。

借此工程通過理論分析與現(xiàn)場試驗，研究耙吸船水下泵深水取砂主要技術要點、超長耙臂操作、挖掘工藝參數等；研究不同裝艙模式下中粗砂的裝艙性能；研究施工方案比選化軟件等[2]。

1 最優(yōu)取砂區(qū)定位

取砂工程砂源區(qū)通常在前期通過相關勘查資料已經確定[2]，但難以通過前期勘查資料準確判斷砂土性質發(fā)生變化的分界線，導致遠海取砂效率降低，因此探查最優(yōu)砂源位置是提高取砂效率的重要一環(huán)，為此提出了實船砂源探測施工方法。

1.1 分析施工區(qū)前期鉆孔資料，確定試挖區(qū)域

對前期勘查資料進行分析，選取鉆孔相對集中，砂源信息滿足施工要求的區(qū)域，初步確定為試挖區(qū)，并對試挖區(qū)進行分塊。見圖1。

1.2 設定試挖施工參數，進行實船采樣

由于砂、黏土、淤泥等土質特性差異性較大，采用同樣的施工工藝，不同土質的產量計顯示出的密度存在明顯的差異性；同時現(xiàn)場試驗表明，由于采砂區(qū)淤泥承載力過低，即使在高波浪補償器壓力設置下，依然處于非頂出狀態(tài)，需要人為控制耙頭入泥深度，否則將會出現(xiàn)悶耙現(xiàn)象，開挖砂質土、黏土時則不存在此現(xiàn)象，因此結合施工時密度值、波補是否頂出可間接判斷土質的類型。實船探測作業(yè)，控制取砂航速約為1．1 kn，進行取樣土質和取砂密度數據分析，得出試挖區(qū)現(xiàn)場取樣與密度、波補關系，見表1。

圖1 初步判斷的實船試挖位置圖Fig.1 The actual ship's trial excavation location map of preliminary determination

表1 現(xiàn)場取樣與密度、波補記錄表Table 1 Field sampling and density and wave filling record

1.3 整理試挖數據，得出參數土質關系

試挖作業(yè)期間，采用多人配合、分工協(xié)作的方式，對進艙土質情況、取砂密度進行不間斷采樣；判定不同土質對應的施工參數，如密度、波浪補償器頂出狀態(tài)等，見表2。

1.4 大面積探挖，確定最優(yōu)砂源區(qū)范圍

進行區(qū)域內，多線路穿插式探挖，將船舶試挖數據導入自主設計的挖泥船分段參數統(tǒng)計程序，統(tǒng)計出不同區(qū)域不同土質的取砂密度變化情況，總結歸納出土質發(fā)生變化的里程位置，在其中篩選出砂土松散區(qū)域和含泥量較少區(qū)域，對施工段和挖掘航線進行合理分配，制定出針對性的施工方案。

表2 土質與施工參數對應關系表Table 2 Corresponding relation between soil quality and construction parameters

2 水下泵應用

考慮泥泵吸入真空的限制，結合水下泵與艙內泵的必須氣蝕余量[3-4]，形成水下泵與艙內泵不同挖深與產量的對比曲線（見圖2）。從圖中可以看出，在挖深達到一定深度時，水下泵的產量與艙內泵產量相同，隨著挖深的加大水下泵的產量將大于艙內泵的產量，且隨著挖深的增加，兩者的產量差距越來越大。

圖2 水下泵與艙內泵產量對比曲線Fig.2 Comparison curve of output of underwater pump and cabin pump

3 施工方案比選軟件

船舶載運途中存在淺區(qū)，在一定程度上會影響船舶的裝載量或整體生產效率，當運距越遠，則該影響越明顯。依托該工程為進一步提高船舶針對此種工況的適應性及生產率，研究了施工方案比選軟件。

3.1 排水量與裝載土方量間的模型關系

通過排水量減去空船自重確定船舶裝載量，結合土質的原狀土密度，艙容計算的初裝載土方量。采用減載施工時艙容取溢流筒降至最低時的艙容。候潮施工時，選取95%有效裝載能力。

3.2 挖泥時間與裝載土方量的模型

通過實際試挖統(tǒng)計平均過泵效率，總結過泵量與土方量的關系，確定溢流損失或有效裝艙量。計算減載施工時，通過設定的下耙時間點，推算船舶抵達航道時的潮位，確定最大允許裝載吃水對應土方量，并逐步增加挖泥期間，循環(huán)計算直至挖泥時間與裝載土方量匹配，確定施工方案對應的最佳挖泥時間、周期生產率等參數。

3.3 施工方案比選軟件的應用

通過試挖情況的分析發(fā)現(xiàn)，由于潮位、挖泥時間、裝載量、船舶吃水的動態(tài)變化，難以通過人工推算針對每一船進行分析計算，因此分析確定各參數間的邏輯關系，聯(lián)系相應數學模型，編制施工方案比選軟件，通過計算機動態(tài)推演分析比選兩種方案的周期生產率，確定最佳方案以及相應的施工參數，并在軟件界面上輸出，指導船舶施工。

4 裝艙工藝

4.1 裝艙軟件的應用

運用MIKE 3三維自由水面流的專業(yè)工程軟件包模擬耙吸船中粗砂裝艙過程，其中HD模塊模擬三維水動力，MT模塊模擬泥沙運動[5]，計算裝艙曲線，裝艙后泥沙厚度，以及不同粒徑的泥沙分布。

施工初期，通過模擬裝艙工況，計算裝艙曲線裝艙后泥沙厚度，以及不同粒徑的泥沙分布。分別設置前、后裝艙時間的5個對比工況，分析泥艙內不同組分泥沙分布情況及規(guī)定時間內的裝艙情況，選取最優(yōu)裝艙方案，見圖3、圖4。

圖3 各工況艙底泥沙厚度比較Fig.3 Comparison of bottom sediment thickness in each working condition

圖4 各工況裝艙曲線比較圖Fig.4 Comparison of loading curve of each working condition

經軟件模擬計算后，可以明顯看出在艙底泥沙厚度的比較中，當前裝艙時間所占比重增加，前進艙口附近和艙內前部泥沙堆積厚度隨之增加，艙尾泥沙厚度隨之減小，因此增加前裝艙時間比重，可有效防止艙尾泥沙過度堆積造成挖泥船船體應力集中。

同時在艙內土方量的比較中，裝艙過程中部分細顆粒懸浮泥沙會跟隨水流從出口流出，而這一過程與泥沙粒徑、水流條件和進出口位置有關，例如工況5的前裝艙時間最長，而且距離出口近，因此溢流出的泥沙較其他工況多，艙內土方量最少。總體上說，在后裝艙時間較長時，艙內土方量也相應較多。因此綜合考慮裝艙曲線與裝艙后泥沙厚度分布曲線，選擇裝艙量最佳，且艙內泥沙平整度較好的工況。

4.2 裝艙系統(tǒng)優(yōu)化

為進一步優(yōu)化裝艙平整度，減少虧艙影響，在前裝艙管增設裝艙口，增加向船艏方向的裝艙；加裝溢流筒圍堰，增加土質在溢流筒附近的流動路程，提高其船艏方向的土質沉積量。

5 吹填工藝

5.1 抽艙順序優(yōu)化

船舶在滿載吹填初期，處于最大吃水位置，即泥泵處于水面以下最低位置，具有最佳的吸入性能，而隨著吹填的進行，船舶由重載逐漸變?yōu)榭蛰d，泥泵所處位置也在由低變高，在一定程度上吸入性能較吹填初期變差，因此應在吹填初期優(yōu)先對大粒徑土質相對集中區(qū)域進行吹填作業(yè)，以充分發(fā)揮泥泵吹填的最大效率。

由軟件分析判斷粗顆粒土質在裝艙口兩側堆積擴散范圍，一般第2—第4組小泥門附近顆粒較大，如貝殼、礫石、粗砂類；越遠顆粒越小，如細砂、粉砂類。大顆粒土質吸入、輸送困難，應在船舶吃水大、泥泵吸入能力較強時吹填，即將粗細顆粒交接的區(qū)域確定最先抽艙的位置，先開該處小泥門，然后依次往大顆粒區(qū)域開泥門。

5.2 吹填操作優(yōu)化

在吹填初期，由于管線內輸送漿體的濃度增大，導致泥泵功率將隨之增大，極易造成主機超負荷的現(xiàn)象。因此抽艙泥門的開、關、開度都會對吹填生產率以及泥泵效率造成影響。為避免濃度突增，引起泥泵功率的劇烈波動，小泥門微開5%以內，逐步提高吹填濃度。

6 應用效果

應用該施工工藝研究后，大大縮短船舶深遠海取砂時間，且利用施工方案比選軟件和裝艙模擬計算軟件，選擇最佳裝艙方式，既滿足通航，又能充分發(fā)揮船舶能力，提高效率。通途輪結合實際工況及船舶本身特性，發(fā)揮了水下泵的取砂效率，保證了裝艙量的最大化，提高了中粗砂吹填的合理性。在55 m挖深下，取砂密度能夠達到1．25 t/m3左右，裝艙效率達到85%～90%，裝艙時間降低29%，吹填時間降低21%，較好的發(fā)揮了水下泵在深遠海取砂工程中的優(yōu)勢。

7 結語

超大型耙吸船深遠海取砂吹填施工工藝研究，為配備超長耙臂及水下泵的超大型耙吸船深遠海施工提供了經驗資料。

1）基于檢測裝艙重點參數的探測砂源質量的方法，結合鉆孔資料，提出了一種耙吸船深遠海尋砂的方法，提高了耙吸船深遠海取砂的精準性及取砂效率。

2）通過理論計算、實船驗證等方法，根據水下泵超長耙臂系統(tǒng)的設備性能分析，確定水下泵與超長耙臂的水下姿態(tài)，在確保船舶施工安全的前提下提升了水下泵施工效率。

3）研發(fā)了耙吸船裝艙模擬計算軟件模擬砂性土裝艙過程，結合模擬計算結果，形成了耙吸船深遠海取砂裝艙工藝，提高了裝艙率；同時形成了科學的抽艙順序及小泥門開度控制，提高了吹填效率。

4）針對深遠海作業(yè)航區(qū)水深受限的工況，形成了施工方案比選軟件，對比侯潮施工與減載施工的生產率，提高施工整體經濟性。