航道疏浚工程中硬黏土施工設計及實踐

曹承愷

【摘 要】 針對在航道疏浚工程施工過程中硬黏土的開挖難度問題，結合某航道疏浚的實際情況，分析硬黏土開挖對設備和工藝的具體要求，提出改進建議：增加耙頭破土能力，適當調節波浪補償器的壓力；采用特殊拋泥方式，節省拋泥時間，提高拋泥效率；減少耙齒數量，合理設計格柵的大小可以減少耙齒堵塞。

【關鍵詞】 航道疏浚；硬黏土；高壓沖水；耙頭；切削力

黏土又稱可塑性土，其黏度及硬度可通過塑性指數、塑限、液限、密度等參數來表示。黏土一般由硅酸鹽礦物在地球表面風化后形成。一般在原地風化、顆粒較大而成分接近于原來石塊的，稱為原生黏土或一次黏土；而黏土繼續風化而變幼，再經流水及風力的遷移，并在下游形成一層厚厚的黏土，稱之為次生黏土或二次黏土。硬質黏土主要由高嶺石及硬水鋁石、伊利石、葉臘石等礦物組成，Al2O3含量（熟料）為30%～50%，耐火度達～℃，耐火性及高溫下的熱穩定性均較好。硬質黏土質地堅硬，呈致密塊狀、鮞狀，較易風化，不具有可塑性。

對航道疏浚工程來說，黏土是較難開挖的一類土質，其難度主要表現在破土能力弱、拋泥黏滯、耙頭容易堵塞等現象，對疏浚船舶施工設備及工藝有著較高的要求，需要在施工中給予充分的重視，并不斷地探索。

本文從增加破土能力、拋泥效率和減少耙頭堵塞等3個方面進行設計及研究，以期提高開挖硬黏土施工效率。

1 硬黏土施工工藝及實踐

1.1 增加耙頭破土能力

耙頭的破土能力主要與其切削力有關，而切削力的大小與比能有關。比能，是指切削1 m3土所需要的能量，可表示為

由式（2）可以看出，耙頭所需要的切削力與比能、切削深度及耙頭寬度有關。比能因不同的土質而有所不同，耙頭寬度因受船舶尺寸的影響而固定不變，因此，耙頭獲得的切削力與切削深度成線性關系。要想獲得較高的切削力來提高產量，就應盡量提高耙頭的破土深度，而耙頭的破土深度主要取決于耙頭的重量、耙齒的類型，以及高壓沖水的壓力和角度。耙吸船通常使用的是威龍耙頭，耙頭質量為25 t，實踐證明這一質量對于該施工區域的黏土有較好的破土能力。

威龍耙頭安裝了兩排耙齒，以加大刀耙頭的破土深度；在每個耙齒上設計一個孔型的水平高壓沖水出水口，在耐磨塊上再加一排螺栓型高壓沖水，用以提高水流對土壤的切削力。在第一層耙齒根部靠后一點的位置安裝了一排螺栓型的垂直高壓沖水，在耙頭活動罩上加上一排螺栓型的水平高壓沖水，以減少黏土堵塞在耙頭內（見圖1）。

通過航道施工過程分析，根據工程土質，當高壓沖水的壓力達到0.8 MPa時，耙頭有較好的破土效果。實踐證明，適當調節波浪補償器的壓力，使耙頭與地面達到較好的貼合，破土能力的效果會更好。

1.2 提高拋泥效率

在硬黏土開挖過程中，拋泥的時間長短及質量直接影響到施工的效率。耙吸船使用的是錐形泥門，泥門直徑為3.5 m，泥門油缸最大行程為，且泥門靠船體兩側分布，中間為三角艙，疏浚土從泥門側面拋出船底。實踐證明，這種泥門形式不適合黏土的拋瀉，大量黏土堆積在泥門斜面及三角艙斜面上，尤其是三角艙壁上。雖然三角艙頂部配有高壓沖水，但效果并不明顯，主要是由于噴嘴的角度單一，存在大量死角，只有被水沖到的地方才會形成一條深溝，而沖不到的地方，黏土堆積嚴重；因此，在設計三角艙壁時，側面應安裝2～4個橫向的高壓沖水噴嘴，加大沖刷面積，減小黏土在三角艙上的堆積。此外，在拋泥的工藝上也可加以一定的改進。正常的拋泥方式是將所有泥門打開進行拋泥，但在施工過程中發現，這種做法導致泥艙后半部分的4組泥門堆積大量黏土。

經過分析，在泥艙拋泥時，前半部分的8組泥門主要以沙為主，含有少量小塊黏土，土質較為疏松，較容易拋出，后半部分的4組泥門主要為硬性黏土。針對這一情況，耙吸船需要采用針對該工程的特殊拋泥方式：先打開后半部分的4組泥門，并全部打開高壓沖水，利用艙內水的壓力將這4組泥門打通；待打通后再開其他8組泥門，再配以高壓沖水將前面的沙沖掉。此種拋泥方式大大節省了拋泥時間，使挖泥效率得到了顯著的提高。根據施工過程的統計，使用此種拋泥方式，每船次能夠節省拋泥時間30 min。

1.3 減少耙頭堵塞

在硬黏土開挖過程中，耙頭堵塞一直是困擾施工的問題之一。目前，解決這一問題的有效辦法就是在耙頭內安裝高壓沖水，對耙頭內的黏土進行沖刷，但由于耙吸船使用的耙頭高壓沖水噴嘴過多，沖刷作用并不明顯，因此起耙后有大量黏土堵塞在耙頭空腔中。

根據工程實踐，在硬黏土開挖過程中，耙齒數量過多會加劇耙頭的堵塞程度，因此，船舶對耙齒的數量及高壓沖水的安裝位置進行了改造。經過一段時間的觀察及反復試驗發現，每隔3個耙齒保留1個高壓沖水裝置時耙頭堵塞最少。數據記錄表明，在硬黏土開挖過程中，減少耙齒的數量并不會影響施工的效率，原因在于隨著耙頭堵塞的減少，硬黏土的濃度明顯提高。

通過施工可以發現，耙頭格柵的大小對耙頭的堵塞也存在一定的影響。格柵過大，會使過大的雜物通過格柵進入泥泵，從而對泥泵和疏浚管路造成一定程度的破壞，合理設計格柵的大小也是減少耙頭堵塞的良好方法。以耙頭格柵大小為300 mm €？300 mm的耙吸船為例，通過實際施工發現，大部分黏土堵塞在300 mm ×300 mm的小格內（見圖2）。適當增加小格的寬度，將部分格柵變成300 mm ×400 mm，而最底層的大格尺寸仍保持300 mm × mm（見圖3），可以避免過大的雜物進入耙頭。改裝后發現堵塞現象有所好轉。

目前，耙吸船采用的減少耙頭堵塞方法為泥沙沖擊法。由于施工區域邊坡外為中沙，該種沙對耙頭內黏土的沖刷作用要遠大于水流的沖刷作用，因此，無論是在施工過程中調頭還是起耙時，應先進行2～3 min耙頭槽外挖沙作業再停泵，此時耙頭內的黏土基本被沖洗干凈，可再放耙或上架。耙頭內不被堵塞，提高了黏土的流量及濃度，從而提高施工效率。

2 結 語

隨著航道疏浚公司的日益發展，硬黏土開挖工程將越來越多。如何以科學理論為指導，并結合實際經驗，提出一套行之有效的疏浚設備設計改造方法，是疏浚業需要解決的問題。航道疏浚公司可以根據實際情況建造一些專門適合黏土開挖的耙頭，做到專船專用，提高施工效率。