關于提高耙吸船儲砂坑利用率的分析研究

谷祥瑞，張曉峰，李佳陽

（中港疏浚有限公司，上海 200126）

0 引言

耙吸挖泥船通過裝艙溢流法施工工藝取砂，進入指定的開挖區內，將耙管放至水平狀態后啟動泵機，待泥泵轉速正常后將耙頭下放至砂面層再打開進艙閘閥裝艙，當泥艙裝滿后仍繼續泵吸泥漿進艙，使泥艙上層低濃度的渾水從溢流口上層溢出。根據不同土質控制溢流時間，盡可能使泥艙的裝載量達到最大，然后停泵起耙，滿載航行至拋砂區拋砂。卸砂方式通過液壓控制可以開啟艙底大泥門，艙內的泥砂在自身重力作用下會流出泥艙逐漸沉積至水底，同時應用高壓沖水進行艙內沖洗，使淤積的泥砂盡可能全部拋凈[1]。采用此種拋砂方式，在水深條件滿足的條件下，應盡可能保證泥艙的船位與拋砂坑位置相對應，拋砂位置準確，充分利用儲砂坑坑容。

本文以廈門新機場保護帶施工便道工程中新海龍9號儲砂坑內拋砂施工為例，詳細介紹了耙吸船拋砂施工中通過調整9號儲砂坑中拋砂坑尺寸提高施工質量的方法。

1 工程概況

廈門新機場陸域形成工程的砂料主要采用距離吹填造陸區約30 n mile的東碇島外海砂源，主要通過耙吸船進行取砂拋坑作業，再由絞吸挖泥船吹填至陸域指定區域。其中廈門新機場保護帶施工便道工程主要服務于保護帶施工，確保保護帶施工時所需材料的運輸。臨時施工便道所需海砂則通過耙吸挖泥船新海龍在東碇島取砂區取砂，然后重載航行至7號、8號、9號儲砂坑內開啟大泥門拋砂進行備砂[2]。

2 儲砂坑工藝試驗

因本工程特殊原因，絞吸挖泥船暫時無法進行施工作業，而耙吸挖泥船需加快施工進度，為后續其他工程按時開工提供條件。在儲砂坑總坑容一定的前提下，最大程度地利用空間，充分提高儲砂坑的坑容利用率顯得尤為重要。

2.1 試驗段選取

根據要求新海龍輪首先于9號儲砂坑進行拋砂作業，9號儲砂坑長度500 m，寬度400 m，上半區按照前階段工程施工經驗將9號儲砂坑劃分為長度100 m，寬度30 m的拋砂坑用于船舶定位拋砂，并以編號9-1至9-32拋砂坑命名，下半區根據堆積模型確定拋砂坑劃分尺寸，見圖1。

圖1 9號儲砂坑上下半區劃分圖（m）Fig.1 Partition map of upper and lower half area of No.9 sand storage pit（m）

通過對9號儲砂坑進行上下半區劃分，測定及對比耙吸船在2個半區不同尺寸拋砂坑內拋砂作業的施工質量，確定合適的拋砂坑尺寸，為后續7號、8號儲砂坑劃分提供依據，保證現有坑容條件下為廈門新機場保護帶施工便道備砂充裕。

2.2 拋砂堆積機理模型確定

1）水下成型坡度

耙吸船新海龍東碇島取砂區取砂后，在泥艙內選取砂樣進行土工檢測，分析海砂顆粒級配。根據JTS 147—2017《水運工程地基設計規范》中第4.2.3-2條規定，顆粒組成符合粗砂要求[3-4]。對新海龍東碇島取砂砂樣進行水下成型坡度試驗，將取砂樣置于靜止水面以下自由塌落，然后量取水下成型坡度約為1頤2。

2）耙吸挖泥船泥艙尺寸參數

通過圖紙確定新海龍泥艙尺寸為長57 m，寬20 m，根據現場測量新海龍泥艙底部大泥門處收窄，實際大泥門收窄處對應拋砂范圍長度52 m，寬度19.5 m。

3）海浪潮流參數

廈門海域的潮流為規則半日潮流，潮流的旋轉率都很小，屬于往復流。潮流的流速流向因地而異，流速直接和潮差及地形有關，流向受地形制約。漲潮流流速一般小于落潮流速，最大漲潮流流速出現在廈鼓水道，為1.30 m/s，最大落潮流流速出現在西海域主航道附近，超過1.50 m/s，流速一般從表層向底層遞減。

波浪多為混合浪，其浪向基本上與風向一致，海區出現的大浪多數是產生于臺風期間的臺風浪。對應海域的常浪向為NE，頻率34.1%；次常浪向為NNE，頻率21.8%，海區年平均波高為0.3 m，平均周期4.7 s，觀測期間最大波高為2.4 m；1 a中除夏季常浪向和次常浪向為SSW、S向外，其余3個季節的常浪向和次常浪向均為NE、NNE向。

4）拋砂坑平均航行水深

耙吸挖泥船自航至拋砂區拋砂，拋砂區應有足夠的水深、水域面積容泥量。對于存在潮汐作用的拋砂區，必須區分潮位漲落變化，掌握實際可以拋泥的水深和時間，并應將涌浪對開泥門狀態下的安全水深加以綜合考慮。平穩水面下拋泥點的最小水深可按下式計算：

式中：H為拋砂坑平均航行水深，m；HT為耙吸挖泥船的最大吃水，m，新海龍最大吃水取9.4 m；HK為富余水深，m，根據《中港疏浚有限公司浚工操作規程》[5]富余水深值表取0.3 m；HB為泥門開啟超出船底的深度，m，根據新海龍泥門尺寸取1.5 m；Hw為儲砂坑平均潮位，m，根據潮汛表取3.2 m。

通過計算新海龍拋砂坑平均航行水深H取8.0 m。

5）拋砂堆積模型確定

根據海浪潮流參數分析，結合9號儲砂坑處的流向影響分析得出，拋砂坑寬度方向受海浪影響較大，同時結合上半區9-1至9-32多次拋砂坑成型測圖分析確定，拋砂坑長度方向擴散系數取1.05，拋砂坑寬度方向擴散系數取1.45。結合新海龍實際大泥門對應拋砂范圍尺寸及對應水下成型坡度繪制拋砂堆積模型，堆積模型集中淤積范圍為長度54.5 m，寬度28.5 m。耙吸船水下成型方量按照體積法計算集中淤厚為3.05 m。按照新海龍輪拋砂坑平均航行水深8.0 m，集中淤厚3.05 m計算，9號儲砂坑成型拋砂水深約5.0 m。

2.3 通過堆積分析確定儲砂坑劃分參數

通過耙吸船拋砂堆積模型分析并結合9號儲砂坑下半區尺寸，將拋砂坑尺寸劃分為長度50 m，寬度30 m網格，并以9-33A至9-64B編號命名（圖 1）。

上半區9-1至9-32拋砂坑長度100 m，寬度30 m為前階段工程施工經驗劃分區域，下半區9-33A至9-64B拋砂坑長度50 m，寬度30 m為根據堆積模型確定試驗區。

3 施工效果分析

2019年9月15日新海龍完成9號儲砂坑備砂作業，9月16日對9號儲砂坑進行全范圍測圖分析，通過成型斷面、拋砂平整度、成型拋砂水深及坑容利用率4個方面比較上半區9-1至9-32拋砂坑與下半區9-33A至9-64B拋砂坑的施工效果[6]。

1）成型斷面分析

為及時掌握耙吸船拋砂成型斷面，每次拋砂完成后及時進行單波束水深測量，測量前按照拋坑的縱向進行設計斷面線，斷面線兩端各超出儲泥坑80 m，斷面間距為10 m，測量時嚴格按照設計的斷面進行測量。

測量完成后通過HYPACK 2009水深處理軟件進行內頁處理，并根據實測數據繪制出水下地形斷面。上半區成型斷面圖為采用100 m伊30 m拋坑施工時的典型斷面，見圖2；下半區成型斷面圖為采用50 m伊30 m拋坑施工時典型斷面[7]，見圖3。通過比較不難發現采用50 m伊30 m拋坑施工后拋砂成型斷面曲線更加平緩，壟溝得到有效消除，施工效果明顯。

圖2 上半區成型斷面圖Fig.2 Sectional drawing of upper half molding

圖3 下半區成型斷面圖Fig.3 Sectional drawing of lower half molding

2）拋砂平整度分析

標準差s為普遍采用的平整度評價指標，在一定步長內，對所測得的一系列高程值應用一般統計學方法計算得到標準差s來表征平整度。

根據9號儲砂坑9月16日全范圍測圖數據，通過平整度標準差計算公式分別求得上半區9-1至9-32拋砂坑平整度s1=1.137，下半區9-33A至9-64B拋砂坑平整度s2=0.793。下半區較上半區拋砂坑平整度性能有所提高。

3）成型拋砂水深分析

根據新海龍拋砂區最小平均航行水深8.0 m，集中淤厚3.05 m計算，9號儲砂坑成型拋砂水深約5.0 m。對9號儲砂坑9月16日全范圍測圖分析，以5.0 m成型拋砂水深為基準，分別計算上下半區拋砂坑達到5.0 m成型拋砂水深百分比。計算得出上半區拋砂坑5.0 m成型拋砂水深占測圖百分比為72.7%，下半區拋砂坑5.0 m成型拋砂水深占測圖百分比為94.3%。5.0 m成型拋砂水深下半區拋砂坑較上半區拋砂坑提升29.7%。

4）坑容利用率分析

根據7月14日9號儲砂坑工前水深測圖計算，按照5.0 m成型拋砂水深分別計算上下半區拋砂坑工前測圖坑容大小，其中上半區9-1至9-32拋砂坑工前測圖坑容為769 156 m3，下半區9-33A至9-64B拋砂坑工前測圖坑容為746 920 m3。9月16日完成9號儲砂坑備砂施工，根據測圖計算上半區、下半區拋砂坑工后實際成型方量，其中上半區9-1至9-32拋砂坑工后實際成型方量為631 962 m3，坑容利用率為82.2%，下半區9-33A至9-64B拋砂坑工后實際成型方量為725 040 m3，坑容利用率為97.1%，下半區較上半區拋砂坑坑容利用率提升18.1%。

4 結語

東碇島取運砂項目的有序實施是保證廈門新機場保護帶施工便道工程順利推進的先決條件，提高耙吸船拋坑利用率對工程質量、進度及成本管控具有重要意義。通過合理調整拋砂坑尺寸，進一步優化拋砂平整度，提升5.0 m成型拋砂水深百分比，有效提高儲砂坑坑容利用率，對后續7號儲砂坑、8號儲砂坑相應的工程實施具有指導性意義，保證現有坑容條件下為廈門新機場保護帶施工便道備砂充裕，為國內類似工程提供借鑒思路。