航道疏浚工程中的關鍵施工技術

鄭齊宏

(中交上海航道局有限公司中港疏浚有限公司,上海)

前言

在全球經濟持續發展進程中，航運事業進入高峰期，為貨物運輸流通、經濟發展提供了充足動力。航道疏浚工程是航運事業的發展基石，耙吸式挖泥船在航道疏浚工程中被大量運用，承擔著極其重要的歷史使命。愈發復雜的航道疏浚作業情況，要求耙吸式挖泥船操作手持續優化作業方法。因此，探討航道疏浚工程中耙吸式挖泥施工內容具有非常突出的現實意義。

1 灌河口航道疏浚工程

灌河口5 萬噸級航道整治工程航道疏浚工程（以下簡稱灌河口工程）位于江蘇省鹽城市北部、連云港市南端的灌河口，與長江口相距450 km，與連云港相距40 km。灌河口工程由通絡馬湖發源，為蘇北最大入海潮汐河流，干流全長174.5 km，水深7 m～11 m，流域面積在8 000 km2左右。從疏浚地質來看，工程河床地質為粉土夾雜粉質黏土、粉砂，平均濃度為1.25 t/m3，極易磨損靶齒、疏浚管路。

灌河口工程作業端水域無遮擋物，主要受風浪干擾，如六級以上大風、臺風、寒潮（每年11 月到次年3月）等。每年4 月～6 月為最佳疏浚操作時期，全年可作業天數占全部天數的75%±5%左右。

2 灌河口航道疏浚工程中的關鍵施工技術流程

灌河口工程主要施工技術為耙吸船、絞吸船聯合拋吹方法，主要作業流程見圖1。

圖1 灌河口工程主要施工技術流程

由圖1 可知，灌河口工程主要施工技術為耙吸船挖泥、運泥、拋泥后聯合絞吸船拋吹[1]。首先，作業者需要驅動耙吸船、絞吸船分別進入疏浚點、臨時轉運點（具備拋坑條件），再驅動耙吸船挖泥、拋泥，最終聯合耙吸船、絞吸船在陸上納泥區（已布設標高桿）吹填。整個過程由3 艘耙吸船輪流作業，交替循環[2]。

2.1 耙吸船挖泥技術

在耙吸船挖泥技術應用前，作業者需要將耙吸式挖泥船停放在待疏浚位置，調低耙吸式挖泥船行進速度，向下放出耙頭。放下耙頭后，借助靶齒開展機械切削，在機械切削的同時，沖刷高壓水，促使灌河口工程疏浚土液化。

灌河口工程疏浚土液化后，作業者可以控制耙吸式挖泥船泥泵吸取液化疏浚物并排入耙吸式挖泥船泥艙，循環作業，直到耙吸式挖泥船艙滿載（或達到經濟裝載量），將耙吸式挖泥船行駛到指定臨時裝卸地點，經吹填（或拋泥、艏噴、回填）等模式完成泥漿卸載。疏浚過程中，耙吸式挖泥船各部分之間的關系見圖2。圖2 中，ωdss為柴油機轉速；Tp為當前泥泵扭矩；Tsh為螺旋槳扭矩；φ 為舵角；ws為螺旋槳轉速；pi為吸入泥漿密度；av為補水窗；Qi為耙頭吸入流量；mt為耙吸式挖泥船艙呃逆泥漿混合物總質量；vt為齒輪箱減速；ho為泥泵管線混合物深度；hz為疏浚深度；wp為泥泵轉速；hd為耙吸式挖泥船吃水；vsh為耙吸式挖泥船航速。由圖2 可知，疏浚期間，耙吸式挖泥船疏浚系統中動力模型、船舶運動模型、泥泵-管線模型、耙頭挖掘模型、泥漿沉積模型相互作用，作業者應根據各部分之間關系合理調整參數，確保耙吸式挖泥操作順利進行[3]。

圖2 耙吸式挖泥船各部分之間的關系

2.2 絞吸船拋吹技術

絞吸船拋吹技術是灌河口工程常用技術，本質上是將疏浚泥砂運輸到待回填區，完成疏浚泥土吹填造陸。絞吸船拋吹主要采用安裝于橋架端部的絞刀頭將挖掘的污染底泥、水混合成泥漿，再經排泥管完成底泥排送，絞吸船排距需要達到1.5 km，最大挖掘寬度需要達到24 m，最大挖掘深度需要達到10 m。絞吸船拋吹技術實施期間，需要以鋼樁圓心為位置劃定依據，經船體兩側橫移錨擺動挖泥。同時，依據遠處挖掘近處吹填的原則，單一絞吸船與單一耙吸船對應作業，挖泥關口位置設置泄水遠端，一次性完成泥泵管道泥漿輸送與挖泥，滿足不同土質疏浚作業要求。

在絞吸船操作期間，作業者應借助絞吸船自帶GPS（全球衛星定位系統）實時、精準確定水位，并配合船上挖深感應器、絞刀深度指示器、流量計，進行挖泥深度的精準控制。整個操作過程貫徹分階段、分層次、分條段的原則，相鄰2 條挖泥重疊寬度大于等于1 m，一次最大挖泥厚度小于等于0.2 m，先疏挖灌河口工程上層被污染底泥，再疏挖灌河口工程下層底泥[4]。考慮到灌河口工程疏浚區存在雜質較多，作業者應密切關注水深、絞吸船吃水量，一旦水深（或絞吸船吃水量）變化幅度超出0.1 m，立即調整絞刀下放深度，并關注絞吸船配套設備狀態，避免設備破損。

3 灌河口航道疏浚工程中的關鍵施工技術質量控制要點

3.1 選擇最佳裝艙溢流時間

從航道疏浚工程耙吸式挖泥操作過程來看，泥艙內泥漿被泥泵吸入過程速率受泥砂形狀與密度、泥漿流速與流態、泥砂介質與運動粘度等幾個方面因素干擾而無法完全沉積，并從溢流桶內溢流而出，溢流損失計算公式如下

式中，W 為溢流損失；P裝艙為裝艙產量（m3/s）；P溢流為溢流產量（m3/s）；Tout為溢流濃度；Tin為裝艙濃度；Qout為溢流流量（m3/s）；Qin為裝艙流量（m3/s）。從疏浚過程來看，裝艙溢流見圖3。

圖3 裝艙溢流

圖3 中，ab 階段為裝艙階段，在這一階段泥艙內進入泥漿，土方量急劇增加，無溢流損失；bc 階段土方量隨時間延長而不斷減少，溢流損失開始出現并持續增加；cd 段土方不再增長，溢流損失與疏浚混合物裝艙量相等。表明溢流損失控制最佳節點為bc 段，作業者應根據航道疏浚混合物土質調整裝艙時間，避免裝艙時間過長而出現溢流增加問題。裝艙時間與實際裝艙容量、裝載土方量具有一定關系[5]。其中實際裝載土方量為泥漿設計凈裝載量與泥艙內沉淀泥砂平均密度的比，根據灌河口工程上層土質為淤泥土，中間層為粘土，下層為細粉砂的特點，可以選擇的泥艙內沉淀泥砂平均密度見表1。

表1 灌河口工程泥艙內沉淀泥砂平均密度

根據表1，選定灌河口工程泥艙內沉淀泥砂（為中間層粘土）平均密度為1.75 t/m3，設定水密度為1.025 t/m3，計算船載土方量為1 221～1 346 m3，航行與拋泥時間為30～35 min，裝艙與溢流時間為67～84 min。在這個基礎上，計算裝艙土方量、實際使用艙容比值，以一次疏浚挖泥操作循環時間為橫軸，以裝艙量為縱軸，得出裝艙溢流時間與裝艙量之間的關系見圖4。

圖4 灌河口工程裝艙溢流時間與裝艙量之間的關系

圖4 中，AB 表示一次操作循環總時長；OCD 表示裝艙土方量；OB 為最佳裝艙溢流時間；BD、OB 比值為操作小時生產率。根據圖3，作業者可以計算最佳裝艙溢流時間。代入灌河口工程已有數值，在船載土方量為1 246 m3時，最佳裝艙溢流時間為61 min。

3.2 優化泥漿泵運轉速度

考慮到泥艙內進入泥砂流動速度對裝艙溢流的影響，作業者可以將泥漿進入泥艙速度假定為泥漿由裝艙口流出速度，結合泥泵轉動速度與泥漿流動速度正相關關系，從圖3 中裝艙初始階段ab 階段著手，借助全自動疏浚軟件內的泥泵尋優功能，在最大產量模式或最優經濟性模式下實時調整泥泵運轉速度，促使泥泵運轉速度與真空、流量等疏浚挖泥參數相適應，增加泥漿沉淀效果[6]。在最大產量模式下，為最大程度發揮泥泵抽吸能力，作業者可以啟動PID（比例-積分-微分）模糊算法，尋找特定土質下恰當的泥泵最高運轉速度，依據當前真空值尋找最佳泥泵運轉速度；在最優經濟性模式下，作業者可以采用梯度下降法，以泥漿運行高效區間為前提，自主尋優（過程見圖5），探明油耗（燃油流量計測量數值）較低的最佳泥泵運轉速度，并借助泥漿濃度計、流量計進行產量測量，確保灌河口工程挖泥環節經濟性能最優。

圖5 SPC 尋優流程

由圖5 可知，在SPC（Statistical Process Control，統計工序控制）尋優過程中，作業者可以提前控制耙吸船唇角度，選擇SPC 運行模式，判定當前泥漿泵運轉速度是否為零，若當前泥漿泵運轉速度為零，則SPC 控制泥漿泵到初始泵速，反之則從當前泥漿泵運轉速度開始尋優[7]。進而讀取傳感器讀數，判定泥泵是否出現氣蝕，若出現氣蝕，則降低泥漿泵運轉速度，反之則選擇最大產量模式或最優經濟性模式，輸出泵蘇，執行動作，再次讀取傳感器讀數，循環開展，確保泥漿泵運轉速度處于最優區間。

在實時調整泥漿泵運轉速度的基礎上，操作者可以面向裝艙管開口位置，增設格柵框，對進入艙內泥泵進行分流，降低進入泥艙泥漿對艙內已有疏浚物的干擾程度。

4 航道疏浚工程中的關鍵施工技術應用效果

統計灌河口工程中同一航道疏浚區段、相同潮位、同一時間段下多船次挖泥數據，得出結果見表2。

表2 灌河口工程挖泥效果

由表2 可知，灌河口工程挖泥效果較高，能耗較低，疏浚物在泥艙內沉淀效果較佳，可以滿足航道疏浚作業要求。單純考慮油耗、能耗，對操作時間段灌河口工程挖泥經濟效率與工程量進行統計，得出結果見表3。

表3 灌河口工程能耗

表3 中，2～4 月挖泥方法為手動挖泥，油耗在141.3 t～521.5 t 之間，萬方能耗在14.13 t～22.48 t之間；5 月-7 月挖泥方法為智能SPC 挖泥，油耗在258 t～479.4 t 之間，萬方能耗在11.41 t～14.33 t 之間。由表3 可知，在基于智能SPC 的耙吸船與絞吸船聯合拋吹模式下，功率浪費量較少，可以實現航道高效低耗疏浚。

5 結論

綜上所述，耙吸式挖泥船較之傳統挖泥船作業性能更加優異，可獨立智能完成挖、裝、卸等疏浚操作，且對風力條件抵抗能力較強，有助于航道疏浚作業效率提升。因此，作業者應借鑒長時間航道疏浚作業經驗，圍繞標準化作業程序，結合耙吸式挖泥船的技術特點，熟練操作耙吸式挖泥船以及配套設備，充分發揮耙吸式挖泥船在航道疏浚操作中的優勢，確保航道疏浚工程進度目標、質量目標順利達成。