長江上游航道疏浚裝置及作業方案探討

余彬彬 鄭唐文

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引 言

長江黃金水道在我國實施西部開發、中部崛起和東部率先的區域發展戰略中具有重要地位，隨著航道維護等級提高，上游航道維護要求愈發嚴格[1]。其中，宜賓合江門至重慶江津河段為典型的山區航道情況，航道彎、淺、窄且急，河床主要由夾砂卵石和板結卵石構成[2]，卵石最大粒徑達40 cm，常常出現于卵石淺灘[3]。由于航道通航繁忙，施工船舶定位受岸邊土質以及通航船舶影響，因此經常在夜間禁航施工，施工效率低且安全性不高[4]。王煒等[5]開發建造了自航鋼耙抓斗挖泥船用于上游航道疏浚維護，但疏浚維護效果并不明顯，鋼樁難以固定。弓寶江等[6]通過對耙吸挖泥船夾雜塊石土質施工研究，提出了增設鋼絲繩格柵，對泥泵葉片根部進行局部切割等方式提高耙吸挖泥船對塊石的疏浚效率。不過，對于上游水流湍急且水域狹窄的航道，耙吸挖泥船作業操作難度較大,適應性不高。王緒橋[7]對多種水陸兩用挖掘機的疏浚特點進行分析，提出1 套操作行走要點。TAKAHIRO[8]結合日本航道疏浚現狀提出1 種多功能反鏟挖泥船，可實現水下高精度挖掘作業，但對于上游航道環境操作難度較大。KIRITON 等[9]提出1 種大型挖掘機用于堤岸疏浚，能夠適應各種復雜地面，但僅適用于離岸較近距離的疏浚，對于航道中心疏浚尚存在一定局限性。結合上述現狀以及以往的文獻研究，本文設計1 種適合上游作業條件的自行走疏浚裝置，并配套設計了1 種施工疏浚方案。

1 上游作業條件及施工現狀

長江上游宜賓至重慶河道逾300 km，航道等級為Ⅲ級，航道尺度（航深×航寬×彎曲半徑）為2.9 m×50 m×560 m。河道淺灘多，單灘工程量小、開挖層薄，疏浚厚度約0.3～1 m，河道特征為彎、窄、淺、險。河道水流速度3～5 m/s，需要作業區水深為3～8 m，最大可達10 m。作業區土質主要為 3 類：第一類為礫石、卵石、塊石，塊石最大粒徑達 40 cm；第二類為大面積板結礫石、卵石；第三類為大面積巖石,強度為30～50 MPa。

目前主要的施工方式為以硬臂式多功能抓斗挖泥船（如抓揚17）為主進行航道維護，以渝工石202 自航開體泥駁、渝工拖1001 為輔助船舶，配備交通帶纜艇、工作艇[10]，如圖1所示。

圖1 目前上游航道疏浚方式

航道疏浚示意圖見圖2。抓斗挖泥船定位在航道中，采用“四纜法”進行施工固定，兩根主纜分別錨固在航道兩側的岸上，同時左右各配1 個邊纜用于移船定位施工。駁船掛靠在挖泥船旁，通過挖泥船進行固定，待裝滿渣石后，空載駁船與滿載駁船進行輪換。

圖2 航道疏浚示意圖

在施工過程中，航道內側兩條錨鏈會阻礙主航道船舶通行，需要提前設置招呼站。當航道其他船舶通行時，招呼站發出消息，左右兩側的錨鏈將挖泥船橫移至航道外側，同時航道內側的錨鏈進行下放，待錨鏈下沉至來往船舶吃水深度以下后，其他船舶才能正常航行通過；隨后，挖泥船通過錨鏈繼續橫移至施工位置進行作業。由于其他船舶通航需要多次橫移施工船舶且需下放錨鏈，導致施工效率較低，存在錨鏈下沉未至吃水深度的隱患，往往需要夜間禁航施工。

上游航道疏浚維護的主要特點可總結為：

（1）疏浚區域較長，兩岸錨鏈長度過大；

（2）水流速度大并且流態紊亂，定位及施工困難；

（3）通航與施工矛盾沖突，夜間禁航施工存在安全隱患；

（4）枯水期水面下降明顯，施工區域水深較淺，故難以施工；

（5）配備船隊及人員較多，成本較大。

2 自行走疏浚裝置

根據上游航道目前存在的疏浚施工難點，本文針對設計了一種合適上游航道疏浚維護的自行走疏浚裝備。該裝備如圖3所示，主要包括履帶行走裝置、升降裝置、司機室、挖掘臂架和抓斗等裝置，能夠保證在碎石及巖石等崎嶇河段平穩行走。

圖3 自行走疏浚裝置示意圖

履帶行走裝置頂部與升降機構下表面焊接，回轉立柱焊接固定在升降機構上表面，司機室、臂架、抓斗和動力裝置設置于回轉立柱上方，能夠跟隨回轉軸承進行回轉運動，挖掘臂架通過液壓油缸進行驅動，實現卵石的挖掘與裝卸作業。升降裝置主要由4 個支撐油缸和2 個升降油缸構成，當6 個油缸都處于收縮狀態，此時該裝置位于極限收縮狀態，可對水深小于3 m 的區域進行施工作業。當升降油缸開始伸展，會帶動支撐油缸一起伸展，達到最大狀態時，該裝置處于極限延伸狀態，可對水深小于 6 m 的區域進行施工作業。

該裝置主要性能參數見表1。

表1 自行走疏浚裝置主要性能參數

其中3 個主要的機構挖掘裝置、升降裝置和履帶行走裝置將根據上游實際情況分別開發設計。

2.1 挖掘裝置

目前對于山區卵石航道整治方式主要是機械式，可供設備主要有鋼索抓斗挖掘裝置、液壓反鏟挖掘裝置和液壓硬臂抓斗挖掘裝置[11]，其優缺點各不相同。鋼索抓斗挖掘裝置通過鋼絲繩收放進行挖深調整，能夠適應不同挖深和狹窄場所的挖掘疏浚。但由于靠抓斗自重進行下降，而抓斗往往較重，故對整個挖掘裝置的起重能力要求較高；同時在急流航段施工時（特別是水流速度超過3 m/s），鋼索入水后容易產生漂移現象，挖掘精度和效率較低。液壓反鏟挖掘裝置挖掘能力較大，能夠克服較大的挖掘阻力，挖掘效率較高；但對于整機穩定性要求較高，同時挖掘深度受臂架結構限制。液壓硬臂抓斗挖掘裝置與液壓反鏟挖掘裝置結構類似，但抓斗不同，因此挖掘效率及挖掘土質能力較弱，但對挖掘的穩定性要求較低。

該自行走裝置為單斗作業模式，可以根據不同的工作需求，配置更換不同類型的抓斗，更便于適應挖掘土質。對于上游作業需求，主要是挖掘N值大于40 的卵石以及板結巖石，因此選用挖掘能力更強的反鏟較為合適。其中挖掘裝置中較關鍵的參數是生產率和挖掘起升質量，一個是權衡疏浚裝置的基本疏浚性能，另一個是決定該裝置疏浚過程中的傾覆安全性能。

生產效率與施工速度成正比，斗容對其影響較大，該裝置生產率如式（1）所示：

式中：F1為裝置的生產效率，m3/h；K1為斗容系數，斗內實際抓取的土方量與斗容的比值，根據上游卵石土質取0.7；V為斗容，m3，該裝置抓斗容積為3 m3；n為每小時挖掘的次數，根據抓斗實際挖掘效率取40 次/h；K2為松動系數，河床土質經攪動挖掘后與原體積的比值，卵石土質變化不大，一般取1.1。

因此該裝置挖掘效率為：

挖掘裝置起重量主要由兩部分組成：一部分為抓斗本身的質量，另一部分為抓取的卵石及水的總重。起重3 m3抓斗自重為8 t，抓取重量W為：

式中：W為抓取總重量，t；ρ為抓取卵石及水的平均密度，由斗容系數0.7 計算得出，t/m3；ρ1為卵石密度，t/m3；ρ2為水的密度，t/m3。

因此，該裝置起重量為：

2.2 升降裝置

升降裝置一般分為液壓驅動和齒輪齒條驅動，齒輪齒條升降驅動一般用于大型重載起升狀況，安裝復雜成本較高，液壓升降驅動安裝較為簡便且成本較低。本裝置由于在航道內工作，體積較小且較輕，因此采用液壓升降驅動裝置較為合適。

傳統的液壓升降裝置如圖4所示。

圖4 液壓滑槽式升降裝置

在升降裝置上升下降過程中，由于剛性連桿機構本身的局限性，一端的絞點必須產生滑移，從而導致力矩會發生較大變化，這對于在上游航道施工的裝置極為不利。

為了解決力矩變化的問題，本文對滑槽式升降裝置進行了改造，如圖5所示。將上下升降平面的絞點固定不動，中間的支撐連桿用可升降變化的支撐油缸替代，從而保證升降過程中4 個絞點相對水平位置不發生變化，以滿足更高的穩定性需求。

圖5 升降裝置示意圖

該裝置由6 個驅動油缸控制，如下頁圖6所示。中間2 個為升降油缸，上端部分別和連接桿固接，四周為支撐油缸，內部2 個支撐油缸與連接桿鉸接。升降過程中，中間的升降油缸作為主驅動，推動連接桿，從而帶動支撐油缸進行隨動，使升降裝置上下支撐面平動；當升降到工作高度之后，升降油缸和支撐油缸維持壓力，保證升降系統工作的穩定性。

圖6 升降裝置結構圖

2.3 履帶行走裝置

行走裝置包括輪胎行走裝置、機械臂行走裝置和履帶行走裝置。包括輪胎行走裝置結構較輕且行走相對平穩，但對土質要求較高，對于松散土質容易發生打滑漂移現象；機械臂行走裝置對于復雜地形狀況適應性較好，但移動速度較低，結構較為復雜；履帶行走裝置結構組成相對簡單但較重，對于復雜地形適應性良好且能適應不同土質行走。

河床底部主要由卵石夾砂和板結卵石構成，強度較大但易產生塌陷，因此選擇接觸面積較大的履帶式行走裝置。該裝置在行走過程中對崎嶇地形適應性好，同時不易陷入卵石。

履帶由于卵石土質打滑不嚴重，行駛速度可以超過1 m/s，但行駛在水中時，由于水流速度較大且流速較高，故行駛速度不宜超過1.5 m/s，同時需要實時監控滑轉率i。

式中：i為滑轉率；v為履帶實際行駛速度，m/s；vt為由驅動輪角速度ω和節圓半徑r確定的理論速度，m/s；vj為履帶相對于地面的滑轉速度，m/s。

當行駛過程中滑轉率超過10%時，履帶行走裝置應自行降速控制，避免滑轉率進一步提高后發生打滑陷入等情況。

由于水下環境沒有陸面平整，且挖掘后容易出現坑洼狀況，履帶行走裝置需要具備一定的爬坡和越障能力，對比岸上爬坡能力一般為35%，在航道內工作考慮升降裝置導致重心上移，設計爬坡能力為15%，爬坡時行駛速度為額定行駛速度的70%，越障溝寬可按公式（4）進行計算。一般溝寬L小于履帶觸底長度的1/3，該裝置能跨越的最大坑徑不超過2.5 m。

式中：L為溝寬，m；s為履帶行走裝置前后輪心之間的距離，m；rq履帶行走裝置前輪半徑，m；rh為履帶行走裝置后輪半徑，m。

上游航道水域較為狹窄，且疏浚作業過程中裝置需要進行掉頭作業，轉彎特性是衡量履帶行走裝置機動性的重要指標。由于轉彎半徑過小會導致卵石滑移履帶下陷，過大會阻礙航道正常船舶通行，一般轉彎半徑為履帶長度的1/2～2/3。

3 上游航道疏浚方案

考慮到上游作業條件以及限制，結合該自行走疏浚裝置體積較小，在工作過程中可以多臺協同作業，因此上游疏浚方案由5 臺裝置同時作業，并配備2 艘開體駁船進行輔助運輸，如下頁圖7所示。

圖7 疏浚方案示意圖

3.1 作業方式

該作業方式主要有航道內施工和航道外施工2種方式。施工過程中，較平緩的灘點內自行走疏浚裝置在岸上緩緩駛入航道中，并跟隨水深變化調節升降高度，較陡峭的灘點內自行走疏浚裝置通過駁船及起重設備吊放入航道內。其中3 臺自行走疏浚裝置駛入航道內部，2 臺自行走裝置駛入航道外側，同時配備的自航開體駁船在航道外側通過岸上錨鏈 固定。航道中間的3 臺自行走疏浚裝置在航道內開始疏浚作業，由航道中心開始疏浚挖掘，并將挖掘的卵石運送到航道外側，航道外側的2 臺疏浚裝置將運送到外側的卵石再裝填作業，待裝滿1 個駁船后，滿載駁船自航至卸載點卸載卵石，另1 艘空載駁船駛入繼續裝填卵石，保證施工過程中連續高效。當航道內側駛入其他通航船舶時，航道內側的3 臺疏浚裝置駛入航道外側進行讓道，保證航道正常通行安全。對于低淺水區域則可無需自航駁船，疏浚裝置直接將疏浚卵石運送至岸邊道路上 運輸。

3.2 方案優勢

在人員配置上，該方案采用16 名駕駛人員進行輪換作業，人員相對目前上游方案40～50 人精簡60%以上。在船舶配備上，僅需配備5 臺裝置2 500 萬元和2 艘駁船2 400 萬元，較傳統方式節省了拖輪、工作艇及交通艇的費用（約2 000 萬元），成本節省30%。在工作時間上，由于無需禁航施工，白天作業安全性和效率有所保障，同時枯水期能夠正常工作，提高每年工作窗口期50%。在生產效率上，目前傳統疏浚方式為每小時200 m3卵石，而該套方案能達到每小時240 m3卵石，有效提高了20%的產量。在作業水域上，對于淺水及狹窄水域該裝置較為靈活，相較傳統抓斗挖泥船能夠更加方便進行作業。

4 結 論

（1）本文研發的自行走疏浚裝置及方案能夠適應長江上游航道施工環境，可作為解決上游航道施工問題的新方法；

（2）相較傳統的上游疏浚方案，本裝置在船舶及人員成本、工作時間、工作效率等方面都有所 提升；

（3）對于挖泥船不能駛入的淺水及狹窄區域，該自行走裝置能夠靈活駛入作業。