西非內河航道入海口施工及維護期疏浚與回淤分析

孫小康，劉傳磊

(煙臺仲伯企業管理咨詢有限公司，山東 煙臺 264000)

0 引 言

本文以西非某國內河鐵礦碼頭項目為例展開研究。該項目受限于技術條件及投資控制，為了快速取得礦產資源的發運條件，某投資企業選擇在已有通航條件優良的河道中采用“小噸位駁船轉運+海上過駁”的方式出運鐵、鋁礦石，僅需在河道中建設小規模泊位(一般為8 000～13 000 t)，在減少投資的同時達到最大裝運效率。為了配合這種生產工藝，首先需要突破河口區域常見的“攔門沙”、航道回淤等一系列疏浚難題。本位結合海外施工設備稀缺、船型可選擇性少的特點，選擇最優方案，提高施工效率，減少投資，滿足生產運力要求。

1 工程概況

1.1 工程整體情況

本工程建設規模為：4個1.2萬DWT礦石駁船裝船泊位，礦石設計吞吐量為7 000萬t/a。航道全長約31.9 km，劃分為內外航道，設計底標高分別為-8.7 m、-9.4 m。其中外航道全長27.8 km，擬按滿足礦石駁船全天候通航進港的要求進行建設，設計底標高為-9.4 m；內航道全長4.3 km。港池、航道及碼頭前停泊水域疏浚工程量約1 884.42萬m3，其中，施工期回淤量為200.63萬m3，疏浚土均外拋至外海拋泥區中。

1.2 候選船型及規格

候選船型及規格見表1。

表1 船型及規格表

2 現狀水文氣象條件

2.1 攔門沙

根據項目水文觀測及測量報告，該內河河道入海口處存在攔門沙一道，如圖1所示。內河航道水深超過9 m，外航道浚前水深3.5～5 m。

圖1 入海口攔門沙示意

2.2 此區域流速流向

根據此區域的水文觀測結果，得到如下具有代表性的底層潮流流向圖，如圖2所示。

圖2 區域典型底層潮流流向圖

最大流速出現在攔門沙內河側L2觀測點位，表層最大流速為265.2 m/s，方向84°；中層最大流速為233.6 m/s，方向80°；底層最大流速為176.7 m/s，方向81°。

攔門沙外海側L3觀測點位，表層最大流速為183.0 m/s，方向72°；中層最大流速為166.5 m/s，方向78°；底層最大流速為121.0 m/s，方向76°。

攔門沙內外側存在流速差，平均流向存在夾角。

2.3 區域懸沙含量

該區域某觀測時段平均含沙量，攔門沙內河側L2觀測點位，表層含沙量在漲潮時為33.6 mg/L，落潮時為139.8 mg/L；中層含沙量在漲潮時為91.7 mg/L，落潮時為278.6 mg/L；底層含沙量在漲潮時為180.2 mg/L，落潮時為389.0 mg/L。

攔門沙內河側L3觀測點位，表層含沙量在漲潮時為322.0 mg/L，落潮時為373.1 mg/L；中層含沙量在漲潮時為553.7 mg/L，落潮時為552.8 mg/L；底層含沙量在漲潮時為733.9 mg/L，落潮時為976.2 mg/L。

2.4 底層土質

根據區域地勘采樣，該區域土質分為如下幾類：

(1)粉質黏土：棕紅～灰白色，軟塑，切面稍光，無光澤，干強度中等，韌性中等，含少量砂。此類土層分布區域較大，分層厚，為4～5 m。

(2)淤泥質粉質黏土，灰黑色，流塑，切面稍光，干強度低，韌性低，有腐味，夾雜少量砂。部分區域分層厚度可達8 m。

(3)粉砂：淺灰色，稍密，飽和，主要以長石、石英為主，級配差，磨圓度好。此類圖層分布不均，多介于粉質黏土與粗砂之間。分層厚度小于1 m。

(4)粗砂：黃褐色，中密，飽和，主要由長石、石英組成，含云母，級配較好，磨圓度差。

該區域大范圍為粉質、淤泥質黏土，且分層較厚，分布不均，疏浚條件復雜。典型鉆心取樣如圖3所示。

圖3 鉆心取樣圖

2.5 潮汐

該區域為規則半日潮，潮位特征值見表1。

表1 潮位特征值

2.6 氣候氣象

該區域屬于熱帶型氣候，沿海地區為熱帶季風氣候，內地為熱帶草原氣候。一年之中分為雨季和旱季兩個季節，5至10月份為雨季，降水量約占全年的90%，11月份至次年4月份為旱季，干旱少雨；大部分地區降水量充沛，年降水量介于1 300～4 500 mm，并自東北部向西南大西洋沿岸遞增。降水多集中在夜間，雨季初期和結束前為強雷電多發期。

注：①該表為天文潮特征；②受徑流和氣象等因素影響，水位存在-0.475 4～0.457 1 m。

工程區域的常風向主要分布在W～SW向。旱季的強風向為W向。海向風(W向)/陸向風(E～NE向)在雨季強烈顯著，但在雨季陸風比重明顯下降。

3 影響疏浚作業效率及成本因素

3.1 地理位置

該項目位于西非海岸，距離我國約11 000公里。人均收入較低，為世界上最不發達的國家之一。帶來的困難就是物資稀缺，機械設備完全依賴進口。當地無船只養護設備及各種配件。多數零部件及養護材料需從國內采購，由于船期較長，約45 d，有關鍵緊急物資需求時不能即時補給，存在潛在影響效率因素。

3.2 氣候條件

結合上述海域自然條件特征，影響工程水域作業天數因素為風、降水和波浪。

工程區域6—10月份為雨季，我們從周邊工程實際作業中了解到受降水影響最大的是7—10月份，影響天數約37 d；6月份以及其他月份降水影響合計約8 d。當地風不大，盡管存在風颮現象，但歷時較短。

內河水域波浪很小，可以忽略。外海海域以涌浪為主，波周期較大。對8 000～12 000噸級駁船影響天數暫估為25 d。

3.3 工法工藝

基于成本考慮，國內調遣船只費用極高，而西非區域施工船只數量、種類均較少，且大多比較老舊。可供調配的只有18 m3挖泥船1一條，已經服役超35年，運行維護困難；2 000 m3耙吸式挖泥船1條，噸位較小不滿足工程需求。因此，均不做考慮。

疏浚施工前期，為了緩解后期壓力，施工單位采用海上過駁平臺臨時改裝作為抓斗式挖泥船使用，采用單錨定位，在航道范圍內進行粗抓。采用甲板駁運輸淤泥，到拋泥區后由其他過駁平臺卸泥。后續增加進場1條改裝的抓斗式挖泥船，采用四錨定位，在單錨抓斗式挖泥船之后復抓。由于作業系統不匹配，此類挖泥船具有如下特點：抓斗強度不高，損壞較快，需經常維修維護；機械結構限制不能正確獲得水下抓斗深度，導致浚深無法精確控制；移錨船只采用3000HP拖輪加裝起重設備，類似輔助船只較多，人員及運行成本較高。

3.4 測量觀測條件

基于人員、設備成本考慮，航道測量采用RTK設備進行定位，配合雙頻單波束測深儀對水深進行無驗潮測量，從而獲得水下地形點。由于設備限制，即使按照測量規范規定的間隔掃測，仍不能正確反映航道疏浚細節狀況，無法監控航道施工期回淤。

3.5 回淤

港航施工過程中挖出的淤泥會在水流作用下產生回淤。回淤分為三類：

3.5.1 懸沙回淤

攔門沙區域海水中含沙量大，且內外側觀測差較大，懸沙流動性強，黏聚力低，遇到流速降低及對流情況時形成回淤。此項目規劃航道拐點位于攔門沙區域，為不利影響因素，航道形成后，上游懸沙直接入槽，在拐點處極易重新淤積，增加后期維護壓力。

3.5.2 施工擾動回淤

為證實這一設想，她利用CRISPR/Cas9基因編輯技術，敲除該基因編碼區，被破壞掉編碼區的ZmGRP1就無法正常表達。將經過此處理的植株和正常植株進行比對，發現有一千多個基因的可變剪接受到影響。ZmGRP1就如司令官指揮千軍萬馬一般，調控著這些基因的可變剪接。

當施工開挖低黏聚力泥沙時，周邊泥沙在水力作用下迅速將開挖區域回填，尤其是目前采用抓斗式挖泥船施工過程中，開挖面不規則，額外增加回淤量，粉質黏土極易出現這種狀況。此類回淤沉積速度快，強度大，易監測。在施工期雨季1個月的監測中，分析確定的此類回淤量可達20%。

3.5.3 邊坡滑塌

由于底質條件復雜，各土質分層不均，淤泥體流動性強，受海底水流影響，容易發生邊坡滑塌，滑塌的土體流入航道形成回淤。

4 為增加疏浚施工效率及節約成本的建議

綜合分析上述工作條件及影響因素，進行如下優化探討。

4.1 船型選型論證

前期經過改造的抓斗式挖泥船雖然有眾多弊病，但由于無須調遣，充分利用當地已有資源，為工程整體疏浚減輕不少壓力。為了后續工作更順利進行，同時滿足后續維護性疏浚需要，增強工效，現需對疏浚船型進行重新選型。備選船型方案如下：

(1)絞吸式挖泥船船：適用于土層厚、大斷面施工；挖、運、拋可獨自完成，能減少泥駁等輔助船只；航道斷面成型規整，疏浚效率高，每疏浚方成本較低；調遣成本高，施工準備時間長；需要起錨艇輔助作業。

(3)抓斗式挖泥船：適用于小范圍航道及港池內作業，靈活性高；受挖泥區雜物、土質影響小；受風、流、涌浪影響大，工作環境限制多，效率低；輔助設備及人員配置多，油耗及成本大。

本項目疏浚工程量較大，采用單一船型進行疏浚均會受到各種不利因素制約，進度及疏浚質量無法得到保證。

考慮前期使用抓斗式挖泥船已經積累了相當多的使用經驗，而且船員與設備已經達到一定程度的默契，且當遇到攔門沙及近岸等不滿足其他船型作業水深時(選定船型吃水僅3.5 m，較為靈活)，需通過抓斗式挖泥船打通航路提供作業面，因此抓斗式挖泥船需繼續保留，保留1條14 m3挖泥船，配合1條3000HP拖輪改造的起錨船及3條2 000 t自航式開體泥駁進行作業，將原有2艘抓斗式挖泥船取消，屆時可減少拖輪、甲板駁等大量輔助船只。

考慮絞吸式挖泥船雖然疏浚效率高，但需要大量附屬設備及船只，包括水上及路上管線、排泥場和錨艇，開工準備及撤場時間長，如遇風浪較大天氣，回港避風至重新啟動作業周期較長。當地有大量漁民在近海捕撈，干涉面較大，處理關系需要成本，且存在阻工風險。從經濟性考慮，絞吸式挖泥船每萬立方米相較于耙吸式挖泥船節油約4.5 t，絞吸式挖泥船可疏浚量為1 275萬m3，可節約717萬美元，但船體及其他輔助船只、管材調遣費用較高，約需850萬美元，且調遣期間仍需要抓斗式挖泥船連續作業，綜合考慮節約費用有限，經濟性優勢不大。

耙吸式挖泥船調遣時可通過自航選擇經濟航線自行抵達施工區域，且無須其他輔助船只，節約了運輸調遣費用；疏浚施工時人員配備較少，作業起停均比較靈活；可根據施工工況及工作面調整拋泥區位置，優化拋泥線路，進一步減少施工成本。航道成形后可用于維護性疏浚，也可派遣到西非其他項目施工，進一步降低綜合成本。

綜合分析，本項目擬采用抓斗式挖泥船1條，配合耙吸式挖泥船1條進行施工作業，輔以3條2 000 t自航式泥駁，及3000HP拖輪1條，拖輪可兼做交通船只及海上應急船只。

4.2 耙吸式挖泥船施工工藝優化

耙吸式挖泥船施工工藝優化重點集中在淺區施工工藝方向，即減少對抓斗式挖泥船的依賴性，當抓斗式挖泥船將攔門沙等淺區位置航道打通后，耙吸式挖泥船可自行完成剩余疏浚任務。

(1)利用河口落潮流速快的特點，利用抽倉旁通法，迅速增加攔門沙段航道水深。抽空泥倉殘留物，最大限度地減小船舶空載吃水，疏浚混合土經泥泵吸入后不進倉直接排出舷外，利用河道落急期間水流將淺層泥沙擴散到較深海域。此工法可快速擴大加深航道，為耙吸式挖泥船提供作業面，適合河口段清淤使用。

(2)利用抓斗式挖泥船提供拋泥航道。抓斗式挖泥船前期需幫助耙吸式挖泥船提供7 m浚深的航道，保證耙吸式挖泥船可以全天候進出拋泥區，不需要趁潮作業，以增加工效。若是工期發生回淤，耙吸式挖泥船也可以自行處理。

(3)高頻率的環境監控。重視對風，水流的監控，即時調整船頭指向，改變施工方式，避免窩工或者擱淺事故的發生。

(4)航道基本成型后利用耙吸船進行收尾疏浚。航道大致成型后，必然有小范圍不平整淺點，利用耙吸式挖泥船優勢，對基槽進行收尾疏浚，清理掉施工期各種因素的回淤，并平整槽底，保證疏浚質量。

(5)絞吸式挖泥船方單價分析。對于絞吸船來說，在運距固定時，疏浚量越大，綜合成本越低。當疏浚量大于50萬m3時，單價趨于穩定。抓斗式挖泥船成本則跟抓斗大小關聯較大，抓斗越大，成本越低。所以施工過程中，盡量給絞吸式挖泥船安排更多的工作量，可以進一步降低成本。

4.3 施工期回淤監測及控制

已知施工區域懸沙含量較大，受地理位置制約，改建港口或航道已不太現實，只能從航道線路上進行相應優化，減小航道夾角，將航道拐點移出急流沖擊區域，以避免或減少航道拐點處的回淤。

已知文獻及水文觀測資料表明，風浪對航道回淤量影響較大，風級越高，淤泥分布強度越大，回淤量越大。已知當地較大風浪發生在6—10月份的雨季，屆時需加強對回淤量的監控，及時采取應對措施。

4.4 先進設備及船舶自動化升級

針對疏浚行業的需求，國內專業港航單位已完成開發并投入使用多種疏浚輔助設施及自動化控制系統。其優點是具有可視性，自動化程度高，失誤率低。

(1)利用GPS定位儀、運動姿態傳感器、電子羅盤、潮位儀、測深儀等電子設施，精確感知船舶位置、姿態、潮汐狀況及水深，利用測量數據制作地面數字模型(DTM)，將疏浚作業過程可視化。優化成本，減小風險。

(2)通過先進的自動化控制系統，根據土壤密實度自動調整泥泵轉速、船舶航速、耙頭對地角、沖水壓力等參數，增強耙頭生產率。

(3)利用單波束測深儀、多波束測深儀、側掃聲納等設備，對疏浚情況進行動態監控。實時分析回淤裝況，隨時調整施工工藝。

通過上述措施可對疏浚質量嚴格把控，減少超挖，控制廢方，進而達到降低成本的目的。

5 結束語

本文通過現有的水文、氣象、潮流等信息，結合各疏浚船型特點，進行綜合分析，確定了以抓斗式挖泥船配合耙吸式挖泥船的船型組合，并提出了一些疏浚工藝，最大限度地減少施工成本，提高施工工效及質量，保證航道盡快滿足全天候通航及運力需要。