大型耙吸船在黏性土質條件下的施工

何新偉，杜志軒

(中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290)

隨著國內外疏浚工程施工項目所涉及的航道疏浚水深增加，施工土質情況越發復雜。尤其是面對黏土疏浚工程項目時，如何解決耙吸船高效挖掘硬質黏土的問題，成為一個以疏浚為主業的公司迫切需要解決的問題，也是進一步拓寬耙吸船適用領域的關鍵方向。

目前國內外多家疏浚龍頭企業及科研單位已對耙吸船黏土施工進行了深入研究，包括耙吸船增加水下泥泵、耙頭改造、耙頭高壓沖水、船舶施工工藝等方面，且取得了多項成果，如耙吸船增加水下泵技術分析、耙頭沖水系統優化、軟格柵改造、施工工藝的優化等[1-6]。本文以連云港工程為基點，結合六號錨地錨位單位工程疏浚施工經驗，介紹本工程大型耙吸船在黏性土質條件下通過引進水下泵設備、增強高壓沖水、改造耙頭以及采用“泥沙墊艙+黏土裝艙”新型施工工藝等方法的施工效果，為其他類似工況條件下的施工提供參考。

1 工程概況

本工程主要施工內容為六號錨地錨位的疏浚(包括30萬噸級散貨船錨位、30萬噸級油船錨位)、推薦航線的疏浚以及徐圩航道X7+015～X12+515段的掃淺工程。見圖1。

其中六號錨地施工區位于外航道外段E點南側，面積25.4 km2,錨地北邊線距航道軸線1.6 km，自然水深21.9～27.2 m。六號錨地內布置30萬噸級散貨船錨位以及30萬噸級油船錨位各1個，錨位尺寸均為1.3 km×1.3 km，設計底高程分別為-28.7和-28.1 m，設計邊坡1:5。散貨船錨位主要疏浚土質為淤泥混砂，30萬噸級油船錨位主要疏浚土質為黏土。

圖1 工程施工總平面

2 施工難點

1)工程自2018年11月開工，合同重要工期節點為2019年3月，基建工程量大，施工時間短，節點壓力重。

2)工程涉及耙吸船黏土施工。其中，六號錨地油船錨位施工區主要為黏土土質，標貫系數大(部分區域標貫系數N超過20)，根據以往施工經驗，耙吸船黏土施工過程中經常出現悶耙、堵耙以及泥艙疏浚土板結等問題，對施工效率、施工進度影響較大。施工區相關土質資料見表1、圖2。

表1 土質分級疏浚工程量

圖2 油船錨位土質情況

3 施工設備及施工工藝調整

3.1 施工設備

隨著疏浚深度增加，船舶對泥泵真空度的要求提高，而艙內泵受安裝位置的限制，其所能提供的真空度有限。尤其在本工程黏性土質開挖條件下，疏浚土沿耙管搬運至泥艙過程中易出現黏土粘接現象。這種情況下，耙吸船對泥泵功率和泥泵真空度要求更高，傳統艙內泵難以達到施工要求[7]。而采用水下泵設備的施工船舶在相同挖深的情況下，可減少泵吸高度和沿程水頭損失，有效提高疏浚濃度和施工效率。

耙頭泥漿濃度公式為：

(1)

式中：ρ為泥漿密度(kg/m3)；P0為大氣壓力(Pa)；PNPSHr為泥泵必需氣蝕余量(Pa)；ρw為海水密度(kg/m3)；g為重力加速度(m/s2)；H為挖深(m)；Hs為耙頭吸口面至泥泵中心面的水平高差(m)；v為泥泵進口處平均流速(m/s)；λ為沿程損失系數；L為吸管長度(m)；D為吸管直徑(m)；ξ為局部損失系數。

在相同挖深的情況下，相比艙內泵，采用水下泵設計的施工船舶，其耙頭吸口面至泥泵中心面的水平高差Hs減小，吸管長度L減小，沿程壓力損失減小，泥漿密度ρ明顯增加，進而增加船舶過泵產量，減少裝艙時間，提高船舶疏浚效率。艙內泵、水下泵運轉見圖3。

注：Pb1為耙頭處壓力。

為保證投入的施工船舶能夠滿足本工程黏土施工的需要，在開工初期立即調遣“浚洋1”輪進場施工，作為當前亞洲最先進的耙吸挖泥船，“浚洋1”輪左、右耙均裝備有先進的水下泵設備，能夠提供的泥泵功率和泥泵真空度遠遠超出正常黏土施工的需要。

2019年3月，六號錨地后期掃淺施工階段，“浚洋1”輪右耙水下泵受船舶設備狀態影響無法正常工作，采用IHC公司設計“浚洋1”輪時提供的備選方案，將右水下泵拆除，通過管路改換，連接右耙艙內泵。分析左耙水下泵、右耙艙內泵對部分硬質淺點施工效果，發現水下泵運轉效果確實優于艙內泵。

3.2 耙頭改造更換

耙吸船通過可以下放的耙臂管和耙頭挖掘水下疏浚土，再通過泥泵抽吸作用，將疏浚土運送到泥艙內。在耙吸船黏性土質疏浚施工中，黏土顆粒的凝聚特性會增強疏浚土對耙齒和流道的附著力，在耙頭低流速回流區淤積沉淀，易形成堵耙、結塊等現象，嚴重影響生產效率[8]。為解決上述問題，通過優化耙頭流道結構、增大格柵開口尺寸、調整耙齒的安裝角度、改造單排耙頭耙齒分布等優化措施，研發主動式改造型黏土耙頭。

通過研究施工過程中耙頭流速、濃度、真空度穩定性以及現場效果，發現耙頭更換后耙頭附著黏土明顯減少，悶耙、堵耙現象基本消除，證明改進型耙頭施工效果較好，改進型耙頭施工作業效果見圖4。

圖4 主動式改造型耙頭施工作業效果

3.3 提高高壓沖水壓力

目前耙吸船耙頭均配備高壓沖水系統輔助施工，其中高壓沖水挖泥系統通過噴嘴噴射出的高壓射流沖刷、液化水底泥沙，提高疏浚土的含水量，進而使疏浚物膨脹松散，以此提高挖掘效果[9]。在對黏性土質施工時，其高壓沖水壓力大小更是直接影響耙齒噴頭、防堵噴頭以及耐磨塊上預切割高壓沖水噴頭的輔助切削效果。

“浚洋1”完成左高壓沖水系統的更換修復后，輪艙內沖水壓力和耙頭沖水壓力均得到顯著提升，“浚洋1”輪油船錨位施工期間耙頭濃度由1.1～1.3 t/m3提升至1.15～1.35 t/m3，耙頭流速由4.9～5.5 m/s提升至5.0～6.0 m/s，船舶過泵產量提高約10%，施工效率提升明顯?！翱Ｑ?”輪艙內沖水作業效果見圖5。

圖5 “浚洋1”輪艙內沖水作業效果

3.4 改進施工工藝

由于黏土土質具有聯結強度大、土質密度高的特點[10]，因此滿載情況下，船舶泥艙下層疏浚土易受泥艙疏浚土重力影響，導致疏浚土在裝艙單元入口發生板結固化(尤其是泥泵管道排出端下方的裝艙單元)，致使拋泥難度增加、拋泥時間延長、整體施工能效降低。

為解決上述問題，對船舶施工工藝進行調整優化，先后采用了3種措施：

1)船舶在油船錨地和散貨船錨地輪流施工。待油船錨地施工后，通過散貨船錨地施工期間泥漿對于泥艙剩余黏土的沖刷浸泡，減少黏土在船舶泥艙的滯留，從而降低下一船油船錨地施工后的拋泥難度。

2)縮短拋泥時間。質量較大、密度較高的疏浚物集中于2#、4#、5#泥門柱附近，導致拋泥過程中上述拋泥單元拋泥困難、拋泥時間增加，若拋泥過程中不開啟上述泥門，而通過泥泵沖水將此單元疏浚土沖刷，可縮短拋泥時間。

3)采用“泥沙墊艙+黏土裝艙”的施工工藝?！翱Ｑ?”輪在散貨船錨位施工0.5 h，待泥艙中裝載部分淤泥及少量砂土后，再前往油船錨位施工，以淤泥、沙土作為后期裝載黏土與船舶泥艙間的潤滑劑，減少油船錨位黏土的板結固化，降低船舶拋泥難度。

通過對比發現，采用3種工藝調整后，“浚洋1”輪拋泥時間均有一定幅度的縮短，但相較于第1、2種工藝調整效果，第3種調整效果最好，拋泥時間最短。相關數據統計見表2。

通過對船舶施工數據統計分析發現，施工工藝最終調整后，“浚洋1”輪拋泥時間及泥艙疏浚土殘留量降低明顯，平均拋泥時間由52 min縮短至30 min，單船施工周期降低9.4%，船舶施工效率提升明顯。

表2 “浚洋1”輪施工工藝調整前后施工周期對比 min

4 成果檢驗

通過采取耙頭改造更換、提高高壓沖水壓力、改進施工工藝措施，“浚洋1”輪施工效率提升明顯，通過對施工數據的統計分析，“浚洋1”輪在單船裝載量基本不變的情況下，船舶施工周期縮短0.43 h，施工效率為3 229.7 m3/h，較措施實行前提升12.44%。船舶施工參數變化見表3。

表3 船舶施工參數對比

5 結語

1)水下泵可以明顯提高泥泵真空度，提高施工過程中耙頭泥漿濃度。

2)提高高壓沖水壓力和采用改造后的黏土耙頭可以減少悶耙、堵耙現象，提高耙頭泥漿濃度和泥漿流速。

3)“泥沙墊艙+黏土裝艙”的施工工藝以淤泥及少量沙土作為疏浚黏土與泥艙間的潤滑劑，減少黏土在船舶泥艙的滯留板結，縮短船舶拋泥時間。

4)經現場施工試驗，耙吸船黏土施工措施效果良好，達到了預期目標，為類似工況條件下的船機設備安排選取及施工措施的制定優化提供了經驗。