長江口12.5 m深水航道運行期維護疏浚效率分析

趙浩程

(中港疏浚有限公司，上海 200136)

長江口12.5 m深水航道向上延伸段(33 km)水深較好[1]，滿足通航要求，疏浚維護量少，剩余92.2 km航道劃分為D3.0～D3.6共7個區段，III-A～III-I、IIN-A～ⅡN-H、IIW-A～IIW-B、A～Z(含G1和G2)共46個單元段，其中D3.3區段包含G2～M單元段共12.886 km，D3.4區段包含N～U單元段共16 km。耙吸挖泥船維護疏浚施工采用裝艙溢流法施工，同時嚴格定深挖泥，控制挖槽平整度，長江口12.5 m深水航道D3.0～D3.6區段邊緣水域和中部水域挖深嚴格控制在12.8 m以內。疏浚土質主要有4種：粉細砂、淤泥、淤泥質粉質粘土和淤泥質粘土，施工工況為四級。

圖1 長江口12.5 m深水航道維護平面示意圖Fig.1 Schematic diagram of Changjiang Estuary 12.5 m deep water channel maintenance plan

1 研究區概況

維護疏浚泥土處理分為外拋拋泥區和通過貯泥坑吹泥上灘兩種方式：(1)外拋拋泥區，由耙吸挖泥船疏浚滿艙后，駛往設定的拋泥區傾倒疏浚棄土，一次處理完畢，本項目設有4個拋泥區為：航道上口為1#拋泥區，航道下口為3#和4#拋泥區(暫時未啟動)、北槽下航道東南側的2#拋泥區(為減少拋泥對航道回淤的影響目前未使用)；(2)通過貯泥坑吹泥上灘，由耙吸挖泥船把疏浚土先拋入貯泥坑，再由吹泥機具(絞吸挖泥船)通過吹泥管線等設施輸送棄土上灘或吹填成陸，疏浚棄土由拋吹二次處理完畢[2]。曾可用于長江口疏浚土處理的貯泥坑共6座：1#坑、2#坑、C1-1#坑、3#坑、4#坑、5#坑。拋泥區和貯泥坑位置詳見圖1。

2 維護疏浚效率原因分析

2.1 低濃度排放

放耙著底初期通常可能泵吸上一些清水和低濃度泥漿，宜將其排出舷外，待泥漿進入正常濃度，再轉換裝入泥艙，以提高艙內裝載初濃度。為了增加裝艙土方量，滿艙后都應持續一段時間環保溢流。受泥面土質變化、大角度流壓、頻繁調頭擰耙等因素影響，挖泥濃度可能會大幅度波動，甚至出現裝清水現象，為增大泥艙內裝艙濃度，及時使用低濃度排放裝置可最大限度地提高耙吸挖泥船的裝艙效率[3]。

表1 2015～2018年重點回淤區段對比表Tab.1 Comparison of key return silting segments (2015～2018)

2.2 重點施工區段回淤量時間和空間分布集中

長江口12.5 m深水航道回淤量巨大且在時間和空間上分布不均。時間上，每年7～11月的回淤量遠大于其他月份；而空間上，航道回淤主要集中于D3.3～D3.4交界處(H～O段)附近14～16 km范圍內[4]。對2015～2018年的7～10月(每年12～5月為枯季，6～11月為洪季)深水航道每次測圖重點回淤區段長度進行統計分析[5]，重點回淤區段也呈現逐年縮短趨勢，高峰、密集的回淤段給施工船舶的安排帶來一定的難度，洪季將安排6～8艘大型耙吸船在集中回淤區段施工，耙吸船在較短距離施工區段內頻繁掉頭導致淺點過耙次數降低、挖泥航速降低，耙吸船單船裝艙量下降，從而直接影響維護疏浚效率[6]。詳見表1、圖2。

圖3 2011～2016年長江口12.5 m深水航道通航量柱狀圖Fig.3 Bar chart of navigable volume of Changjiang Estuary 12.5 m deep-water channel (2011～2016)

2.3 高密度通航環境影響

自2011年長江口12.5 m深水航道投入運行以來，每年度的大型船舶通航量逐年遞增，2011～2016年的年通航量已由4.8萬艘/a上升至7.2萬艘/a[7]，近年來逐漸開始利用邊坡通航后，船舶通航密度再次增大，目前日平均通航量已近200艘/d[7]，密集的進出口船舶將直接使船舶讓槽時間增加，時間利用率降低，從而導致維護疏浚效率降低，詳見圖3。

2.4 高壓沖水壓力

目前，新型耙頭都設置了高壓沖水設備，以現代“切削”理論為指導，設計了挖掘型主動耙頭[8]，即耙罩可以在遙控(自動或手動)條件下主動調節耙罩的對地角度，使其獲得合理的高壓沖水角和合理的耙罩對地夾角，從而形成最佳的夾角組合，減少疏浚功率，提高泥漿濃度，提高疏浚效率。

2.5 貯泥坑使用

長江口12.5 m深水航道維護疏浚泥土處理分為外拋拋泥區和通過貯泥坑吹泥上灘兩種方式。曾可用于長江口疏浚土處理有4個拋泥區和6座貯泥坑。由于貯泥坑離航道內主要回淤區段的距離較拋泥區的相對更近，并且貯泥坑的疏浚土將通過吹泥上灘的方式轉運至橫沙島陸域，將大幅減少貯泥坑內疏浚土二次回淤航槽的風險[9]。

3 疏浚效率計算方法及效率因素分析

3.1 計算方法

計算公式參考水利水電工程施工技術全書(第二卷)，首先利用公式(1)和(2)比較分析耙吸挖泥船運轉時間小時疏浚效率的各種因素。

(1)

(2)

式中：W為耙吸挖泥船疏浚效率，m3/h；q1為泥艙裝載土方量，m3；Σt為施工循環運轉時間，h；l1為重載航行長度，km；v1為重載航速，km/h；l2為空載航行長度，km；v2為空載航速，km/h；l3為挖泥長度，km；v3為挖泥航速，km/h；t1為拋泥及拋泥時掉頭時間，h；t2為施工中掉頭及上線時間，h；t3為施工讓槽等停滯時間，h；G為泥艙中裝載的泥漿總質量，t；γw為現場水密度，t/m3；q為泥艙裝載的泥漿體積，m3；γ0為原狀土密度，t/m3。

3.2 維護疏浚效率因素分析

綜合上述各項因素分析，影響長江口12.5 m深水航道運行期階段清淤效率的主要因素有重點回淤段集中、航道通航密度大和貯泥坑使用率低。其他因素對長江口12.5 m深水航道維護疏浚效率影響較小，可通過設定相應參數加以控制[10]，相關參數控制詳見表2。

表2 其他因素相關參數控制表Tab.2 The other factors related parameter control

4 維護疏浚效率改善措施

4.1 針對“重點回淤區段集中”導致裝載量降低的改善措施

(1)安排施工能力較強、操縱性靈活的大型耙吸船在集中回淤區段進行分段施工，安排施工能力和操作性能相對較弱的中型耙吸船施工零星分散淺區；

(2)小潮汛期間根據風流條件適時采用順流施工、大潮汛期間適當增加主機功率來提高挖泥航速，使得密集淺區的過耙次數增加，提高挖泥濃度；

(3)調頭前適當降低環保溢流井、溢流門高度，放掉上層低濃度泥漿，調頭重新上線放耙施工后再恢復溢流井、溢流門高度，續裝較濃泥漿，如此反復若干次(詳見表3[11])。

表3 改善前后萬方船裝載量對比表Tab.3 Improved comparison of loading capacity of 10 000 m3 ship

4.2 針對“航道通航密度大”導致時間利用率降低的改善措施

表4 船舶每日施工計劃例表Tab.4 Daily construction schedule of ship

結合長江口12.5 m深水航道的高密度通航規律和海事部門的讓槽規定，在確保安全生產的前提充分、有效地合理利用時間，施工船舶結合施工區域、拋泥區域的限制管理時間及船舶自身性能特點等因素，合理制定并執行每日《施工計劃》，對每艘船每個航次每個施工環節的時間作出詳細計劃，在進出口船高峰期和讓槽時間段盡量安排較遠運距的航行和拋泥，以減少讓槽等待時間，同時也避免多艘船舶同時在同區段挖泥的不利情況[12]，提高了船舶的時間利用率，詳見表4。

表5 萬方船可進坑拋泥時間表Tab.5 The 10 000 m3 ship into the pit mud timetable

表6 船舶拋坑區分配表Tab.6 Distribution of ship dumping mud pits and dumping areas

表7 改善前后施工效率對比表Tab.7 Comparison of construction efficiency before and after improvement

4.3 針對“貯泥坑使用率低”導致日施工船次降低的改善措施

根據每次航道重點回淤區段情況，及時調整施工部署，再根據開關坑區情況、拋泥運距長度和潮流情況合理選擇貯泥坑，增加船舶單日施工船次。同時根據大型耙吸船重載吃水情況，增大貯泥坑通道疏浚深度，以延長大型耙吸船可進坑拋泥時間，詳見表5。

4.4 耙吸船拋坑區比例分配

每次船舶施工區段調整后，根據開關坑、區情況及運距長度測算每艘挖泥船的單船運轉周期，同步結合貯泥坑剩余坑容、可拋泥時間和海事部門的讓槽規定等因素，綜合分析后，合理分配所有船舶的拋坑區比例(詳見表6)，以提高貯泥坑使用率。

5 改善后疏浚維護效率

疏浚維護效率得到一定幅度的提高，為長江口12.5 m深水航道在集中回淤和高密度通航環境的水深維護提供了有力的保障，詳見表7。

6 結論

本文以長江口12.5 m深水航道維護疏浚工程為例，對其疏浚效率影響因素進行了分析，并提出了一些針對性的改進措施，總結有以下三點較為重要：(1)合理分配挖泥船。安排施工能力較強和操縱性靈活的挖泥船在集中回淤區段分段施工；挖泥時適當增加主機功率提高挖泥航速，使密集淺區過耙次數增加，提高挖泥濃度。施工調頭期間適當降低艙高，放掉上層低濃度泥漿，重新上線后續裝較濃泥漿，反復若干次，以達到單船維護疏浚效率提高；(2)明確時間。每艘船的航次、施工環節的時間必須明確規定，在進出口船高峰期盡量采用外拋拋泥區的方式進行拋泥作業，以減少讓槽等待時間，在提高船舶時間利用率的同時也避免了多艘船舶同時在同區段挖泥的不利情況；(3)加快貯泥坑周轉速度。盡量增加開坑數量，減少排隊進坑時間。按國內主流施工船型參考，可提高拋泥入坑率的最佳經濟深度為-8.0 m，此時在長江口區域疏浚船舶可延長拋泥作業時間至17 h/d；其次，根據現場實際情況合理分配船舶拋坑區比例，從而提高整體拋坑率，以縮短重輕載航行距離。綜上，相關改進措施實施后，長江口12.5 m深水航道的維護疏浚效率可提高15%～20%。其中，4 500 m3挖泥船可提高21%，10 000 m3及以上挖泥船可提高約14%。相關實踐探索和經驗可供類似航道疏浚工程施工參考借鑒。