淺談單、雙耙的使用對(duì)大型耙吸船粉細(xì)砂裝艙效率的影響

◎張龍 席四海 中交廣州航道局有限公司

1.工程概況

湛江港30萬噸級(jí)航道改擴(kuò)建工程是交通運(yùn)輸部和廣東省“十三五”規(guī)劃的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，本工程以湛江灣口門為分界線，分為內(nèi)航道和外航道，其中內(nèi)航道總長(zhǎng)約為16km，包括南三島西航道、石頭角航道和東頭山航道。外航道總長(zhǎng)約為47km，包括龍騰航道外段和內(nèi)段。本工程是在現(xiàn)有30萬噸級(jí)航道基礎(chǔ)上進(jìn)行拓寬、浚深和延長(zhǎng)，工程竣工之后全長(zhǎng)為64.1km，將成為華南地區(qū)唯一能夠通航40萬噸級(jí)超大型船舶的深水航道。

本項(xiàng)目為湛江港30萬噸級(jí)航道改擴(kuò)建工程I標(biāo)段，施工內(nèi)容主要包括：航道疏浚工程、航標(biāo)工程和環(huán)境監(jiān)測(cè)工程等，施工航段全長(zhǎng)36.2km，設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-23.6m～-23.9m，通航寬度為340m。

2.研究背景

在湛江港30萬噸級(jí)航道改擴(kuò)建工程的施工過程中，為配合湛江巴斯夫新型一體化基地項(xiàng)目的吹填施工，需要對(duì)疏浚物的處理方式進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于航道疏浚物的處理需要由原來的外拋改為回填至巴斯夫項(xiàng)目的吹填區(qū)。由于疏浚物處理方式的改變，需要對(duì)耙吸船的施工工況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

在新的作業(yè)要求下，疏浚物的運(yùn)輸距離和處理時(shí)間明顯增大，并且在巴斯夫吹填項(xiàng)目進(jìn)行施工作業(yè)的船舶種類多，密度大，對(duì)耙吸船的航行速度和施工周期造成了很大的影響。同時(shí)，由于巴斯夫項(xiàng)目對(duì)回填疏浚物的承載力有要求，迫切需求含砂量較高的疏浚物，只有提高耙吸船裝艙疏浚物的含砂量，才能滿足回填土方質(zhì)量要求，而運(yùn)輸、吹岸兩個(gè)施工環(huán)節(jié)可優(yōu)化的空間較小，在新的疏浚物處理方式的要求下，必須在一年的工期之內(nèi)完成長(zhǎng)達(dá)36.2km航道近1500萬m3的疏浚工程量并上岸，施工時(shí)間緊，任務(wù)重，工期壓力較大。所以迫切要求提高耙吸船的裝艙效率，提高耙吸船裝艙疏浚物的含砂量，才能滿足回填土方質(zhì)量及工程進(jìn)度要求。

3.地質(zhì)條件

根據(jù)設(shè)計(jì)地質(zhì)勘察資料，湛江港30萬噸級(jí)航道改擴(kuò)建工程I標(biāo)段范圍內(nèi)疏浚土以淤泥～淤泥質(zhì)土（1、2級(jí)土）為主，占61%；粘性土（4、5級(jí)土）和砂類土（7、8級(jí)土）次之，分別占24.3%和14.7%，詳見圖2。通過前期的疏浚施工，航道中的大部分淤泥～淤泥質(zhì)土已得到挖除，剩余土質(zhì)主要為粘性土和砂類土。

圖2 單耙、雙耙與單、雙耙混合施工土方量裝載曲線

4.耙吸船施工工況

本工程的疏浚施工采用大型耙吸船進(jìn)行，我司先后投入了“浚海1”“浚海2”“浚海5”“浚海6”等“浚海”系列耙吸船（艙容10000m3），耙吸船裝備有耙頭挖掘機(jī)具和水力吸泥裝置，施工時(shí)通過船舷兩側(cè)伸出的耙臂將耙頭下放到水下，對(duì)海底泥沙進(jìn)行耙松、挖掘，泥沙經(jīng)泥泵的抽吸作用，通過管道輸送至裝艙口進(jìn)入泥艙。

耙吸船進(jìn)行疏浚裝艙過程可以大體分為3個(gè)階段：（1）開始疏浚裝艙，直至泥漿達(dá)到溢流高度，在此階段可認(rèn)為全部的泥沙都留在泥艙內(nèi)，或懸浮或沉積。（2）在溢流狀態(tài)下繼續(xù)裝艙，開始出現(xiàn)溢流損失。此階段有一部分泥沙在重力作用下沉積，另一部分會(huì)隨溢流損失掉。沉積比例取決于裝艙流量、消能方式、泥艙結(jié)構(gòu)、溢流設(shè)施以及泥沙粒徑等因素。隨著泥沙不斷沉積，沉積面不斷抬高，過流面積減小，從而沉積面上部的流速開始增大，并引起沉積泥沙的再次沖刷，導(dǎo)致溢流損失有增大的趨勢(shì)。（3）一般而言，當(dāng)進(jìn)艙和溢流的濃度基本一致（裝艙土方量不再增加）時(shí)，停止裝艙。

圖1 單耙、雙耙施工土方量裝載量曲線

5.耙吸船粉細(xì)砂裝艙效率分析

為了判斷沉淀后的裝艙效果及土質(zhì)情況，船舶完成裝艙并航行至拋泥區(qū)后，通知操耙手不直接打開泥門，而是先將溢流口降至50%，把泥艙表層的清水排出，經(jīng)觀察無泥沙顯露，可以判斷沉淀后的泥沙厚度并不厚。然后，僅開啟1和9號(hào)泥門（分別位于船艏、船艉），不開艙內(nèi)高壓沖水，目的是將泥水排出，保留泥艙中部的泥沙。待艙內(nèi)泥水排出后，發(fā)現(xiàn)泥艙內(nèi)主要為淤泥，僅存在少量砂，裝艙砂量較低，無法體現(xiàn)船舶正常挖砂效率。可能是由于該段含砂區(qū)域長(zhǎng)期未施工，表層為淤泥覆蓋層（雖然補(bǔ)充勘探資料顯示表層為砂），由于開挖深度不夠，未挖到下層的砂。于是，安排“浚海1”先對(duì)含砂區(qū)域表層的浮泥進(jìn)行開挖。

在清除了表層淤泥，具備下部砂層開挖條件后，對(duì)“浚海1”針對(duì)粉細(xì)砂的施工情況的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如下：“浚海1”于2020年6月19日-6月25日對(duì)含砂區(qū)段K29+600～K32+600航段進(jìn)行施工，累計(jì)施工18船次，土質(zhì)主要為粉細(xì)砂，平均每船次挖泥時(shí)間約為3h，周期時(shí)間約為8.5h，裝艙量約為4000m3，施工效率偏低。根據(jù)上述分析，判斷“粉細(xì)砂裝艙量低”是大型耙吸船開挖粉細(xì)砂工效低的主要原因。

6.耙吸式挖泥船單耙或雙耙施工對(duì)比分析

6.1 單耙、雙耙單獨(dú)施工

在同施工的大型耙吸船“浚海6”進(jìn)行粉細(xì)砂疏浚期間，偶然發(fā)現(xiàn)某船次因右耙泥泵故障，采用單左耙施工，經(jīng)過數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該船次裝艙量比雙耙施工相對(duì)有所提高。根據(jù)大型耙吸船進(jìn)艙原理分析，認(rèn)為單、雙耙施工會(huì)直接影響裝艙口管道流量，從而影響裝艙沉淀及溢流效果。于是決定在相同施工區(qū)域，采取單耙、雙耙施工試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，經(jīng)數(shù)據(jù)分析對(duì)比，得出下圖2，分析下圖可知：施工前195min雙耙施工比單耙裝艙量高，施工225min后，單耙裝艙量超過雙耙裝艙量，施工完畢時(shí)單耙裝艙量比雙耙裝艙量高約300m3，裝艙量明顯提高。

6.2 單、雙耙混合施工

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，單、雙耙的使用對(duì)粉細(xì)砂裝艙量影響較大，分析可能是由于施工后期雙耙施工裝艙口管道流量較大，致使泥沙進(jìn)艙后流速過大，泥沙無法有效沉淀，同時(shí)底部沉積層升高，底部泥沙易被沖刷而起，使泥沙從溢流口流出，造成裝艙量流失。針對(duì)這一問題，為提高粉細(xì)砂的裝艙效率，提出單、雙耙混合施工的施工工藝措施，即前期采取雙耙施工，保證施工前期的裝艙效率，待土方量裝載曲線變緩后，開始使用單耙施工，降低裝艙口管道流量，從而降低泥沙進(jìn)艙流速及對(duì)底部沉積層的沖刷，減少泥沙從溢流口溢出，進(jìn)而提高裝艙效率。

通過對(duì)“浚海6”試驗(yàn)前七天雙耙施工與試驗(yàn)后七天單、雙耙混合施工的施工數(shù)據(jù)記錄、統(tǒng)計(jì)與分析，繪制圖7，通過統(tǒng)計(jì)得出雙耙施工土方量裝載量平均值為5115m3；單、雙耙混合施工的船舶土方裝載量平均值為5485m3。根據(jù)圖7可以看出，采取單、雙耙混合施工的施工工藝后，裝載量到達(dá)5115m3的時(shí)間比雙耙施工提前了約15min，相比較雙耙施工裝載量提高了370m3，同時(shí)比單耙施工裝載量也有所提高。

7.結(jié)論

通過自航耙吸挖泥船在湛江港30萬噸級(jí)航道改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用，采取現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和數(shù)據(jù)分析的方法可以發(fā)現(xiàn)，在相同施工時(shí)間下，單、雙耙混合施工比雙耙施工，對(duì)粉細(xì)砂的裝載量提高了7%；相比單耙施工，前期施工裝載時(shí)間相對(duì)縮短，施工效率有所提高。由此可見，采取單、雙耙混合施工能有效的提高自航耙吸挖泥船對(duì)粉細(xì)砂的裝艙效率。