“水王”挖泥船在淺水河湖疏浚工程中的應用

(1.長沙理工大學,湖南 長沙 410114；2.湖南興禹建設有限公司，湖南 常德 415000)

1 工程概況

湖南省常德市位于湖南省北部、洞庭湖西側、武陵山下，史稱“川黔咽喉，云貴門戶”，是湘北鄂南的重要城市。穿紫河全長17.30km，是常德市的一條環城母親河。此河的主要功能是：接納部分漸水、柳葉湖水及江北城區的降水，經南錯閘排入沅水。在歷史上，它曾起到防汛、灌溉、水運和人飲的重要作用。近年來，城區西移北擴，防洪排水體系變化，污水的管理系統不完善，導致水系變差，部分河段封閉堵死，嚴重影響人們日常生活和市容市貌，不利于城市建設和旅游發展。

穿紫河疏浚工程包括：河道清淤、航道疏挖，淤泥固化處理并運至指定的棄土場。清淤河道總長約8.40km，清淤、疏挖并處理淤泥總量37.94萬m3。

2 疏挖設備比選

第一類設備：長臂反鏟挖掘機、浮船反鏟挖掘機或濕地挖掘機。該類設備輕便、開挖作用力大，能開挖硬質土體，甚至塊石，但效率低，清淤作業時需要運輸工具配合，水域作業安全風險大。

第二類設備：傳統絞吸式挖泥船。該類挖泥船通過絞刀或鏈斗等設施抓起淤泥，再通過泥漿泵連接管道，將淤泥輸送至填泥區。由于淤泥含水較多，管道輸送阻力小、效率高。但對于中小河流，或城鄉河湖等內陸水域，由于水域太淺、太窄，挖泥船不便操作，城市垃圾(塑料袋，瓶子等)很容易造成泥泵的堵塞，纜繩也會對過往船只造成干擾。

第三類設備：先進的兩棲式多功能環保挖泥船，如“水王”(Watermaster)系列挖泥船(簡稱水王挖泥船)。水王挖泥船可自航，能在水中自行航行較遠的距離，直至作業地點。水王挖泥船獨特的切刀系統可將含有城市垃圾的淤泥、物料直接絞碎后排至岸上的沉降池，無需多臺設備進行多次處置。除疏浚外，還可進行打樁、耙子作業等。

經分析，在本工程中，選用水王挖泥船進行挖掘清淤，技術上可行，經濟上相對較優，能適應內陸水域，且可避免不安全風險，最終選用第三類設備。

3 水王挖泥船

水王挖泥船專門為淺水疏浚作業設計制造。它是挖掘機與絞吸挖泥船的獨特組合，可以從陸地至6m水深范圍內安全而低成本地從事各種疏浚、打樁及耙子作業(設備見圖1)。

圖1 水王挖泥船

3.1 工作原理

利用安裝在絞刀橋梁前端的絞刀的旋轉運動實現挖掘破土。旋轉的絞刀將河底泥連續不斷地絞松，并進行泥水混合。混合后的泥水在大氣壓的作用下，經吸口吸入泥泵加壓后通過排泥管輸送到吹填區。施工過程分為挖掘、吸入和泥漿輸送。挖掘能力與絞刀型式及結構、絞刀功率、絞刀轉速、橫移速度、切削厚度有關；吸入能力與吸口大小、吸口阻力、泥泵性能等因素有關。輸送能力與泵機轉速、泥泵效率、泥泵性能、輸入功率、管路特性有關。

3.2 作業特點

與采用傳統挖泥設備作業不同，水王挖泥船具有挖、吸、送一體化完成、連續作業的特點(詳見圖2～圖3)。

圖2 水王挖泥船施工

圖3 傳統設備施工

3.3 作業方式

3.3.1 絞吸疏浚作業

水王挖泥船絞刀泵是進行絞吸疏浚作業的工作裝置，它可將淤泥通過排泥管直接排到岸邊的棄泥區(或脫水裝置)，或用噴管直接噴至岸邊。液壓驅動的潛水泥泵(泥泵吸口距離絞刀頭僅 60cm)，保證了較高的泥漿濃度，極大改善吸入性能，還可有效地防止污泥的擴散(二次污染)，減少污泥脫水的工作量。“水王”絞刀泵作業時最大排距約為 1500m。與之匹配的接力泵站，每臺可延長排距約 1000m。

3.3.2 反鏟疏浚作業及環保抓斗疏浚作業

反鏟作業可以挖泥上岸，也可直接裝駁船。水王挖泥船上部安裝的橡膠封板液壓抓斗是環保疏浚常用的工作裝置之一，可以有效地防止有毒有害淤泥的二次污染。

3.3.3 耙子作業

耙子是極具實用效能的施工工具。它可以高效地清除水生植物(如水葫蘆)，在絞吸施工前清除生活垃圾和水草。

3.3.4 打樁作業

現代城市河湖水環境治理工程中，不僅要清除河底的淤泥和雜物，而且要打樁護岸。水王挖泥船裝有Movax SP30 型液壓震動打樁頭，可以用來在堅硬的土壤上打鋼板樁、鋼管樁和木樁。由于其采取側拾式夾樁方式，其所能打樁的長度大大提高。

4 施工工藝

4.1 進點定位

第一，根據圖紙和GPS定位系統確定的位置進點下樁。第二，到位下樁，樁尖離泥面超出3m時，要在淺水區域先下一次鋼樁，提升一定高度，掌握液壓柱塞下放到底時，樁尖離泥面3m以內，若土質硬則要在2m以內。第三，確保下鋼樁時的船速在0.30節以內。

4.2 拋設橫移錨

根據風流確定拋錨順序，先拋上風、上流錨。將絞刀移動到挖條邊線上，下放絞刀定住船身。操控錨桿，與船體中心線前夾角成45°左右時，即行拋錨。拋錨后收緊橫移纜，確認錨爪抓住泥后，將絞刀提出泥面。利用風流或錨艇將船移至挖條另一側邊線，拋另一邊錨。

4.3 接通水上管線及設備檢查

連接水上管線。根據風流布設水上管線錨，使管線順暢。主要對外圍設備檢查、鋼樁及臺車系統檢查及駕駛臺設備檢查，確保施工前各設備正常運作，同時,可以排除潛在的隱患。

4.4 排工序

第一，合排工序。開始挖泥之前，各部設備已開啟并具備工作狀態，下放橋架使水下泵浸入水中，合上泥泵離合器，開始吹水的操作。

第二，脫排工序。因工作需要，使泥泵離合器脫開的操作。

4.5 挖泥操作流程

水王挖泥船挖泥時，通過橫移挖泥、邊線換向、倒樁、移錨四個工序往復循環，進行挖泥作業。

5 施工方法

5.1 分條開挖

環保挖泥船在各施工區塊內作業時，以扇形橫挖法為原理分條開挖，即挖泥船將定位樁打設在湖底泥層中，實現對船體中心定位，并通過定位樁臺車液壓軸臂的伸縮，實現定位樁臺車在船尾滑道內相對船體的位移，使船體在反作用力下短線推進，并依靠挖泥船前端左右絞車收放錨纜，使船身以船尾定位樁為中心，船長為半徑，絞刀頭左右扇形移動，實現挖泥船扇形橫挖法作業。根據挖泥船橫擺有效寬度，設計分條寬度35m，條幅間搭接1～2m，避免漏挖和相鄰區塊塌方殘留。

5.2 低擾動清淤

根據環保清淤要求，利用水王挖泥船優越的環保機械性能和自動化程度，采用低擾動清淤法施工。低擾動清淤法施工的主要特點是密封開挖、薄層開挖和開挖系統實施速度限制，可最大程度保證清淤率，降低浮淤擴散機率，避免二次污染超出限制范圍。

密封開挖：采用專用環保絞刀開挖，環保絞刀是當前環保清淤領域最先進的環保清淤裝置。環保絞刀裝配有導泥擋板、絞刀密封罩、絞刀水平調節器等裝置，無論清淤深度如何變化，通過絞刀水平調節器，使絞刀始終保持水平狀態，清淤時絞刀外罩底邊平貼湖底，絞刀密封罩將絞刀擾動范圍控制在密封罩內，確保環保絞刀挖掘范圍內的淤泥被泥泵充分吸入。與常規的敞開式絞刀相比，有效防止了因絞刀擾動使底泥顆粒向罩外水體擴散，避免了施工過程中因挖掘造成二次污染。

薄層開挖：環保絞刀頭因絞刀密封罩的作用，開挖厚度必須控制在50cm以下，開挖厚度是建立在額定轉速、泵吸濃度、絞刀凈深協調平衡的基礎上，避免出現泥量過大產生逃淤，泥量過小生產效率太低的情況。根據本工程淤泥厚度情況，施工時一般分1～2層開挖(具體視實際施工調整)，薄層開挖法可保證水下淤泥被充分吸取，同時也有利于提高開挖精度。

限速控制：利用在湖泊和水庫清淤施工中的實踐數據，并結合本工程清淤試挖情況，合理設計絞刀轉速、橫擺速度等施工參數，在大面積清淤中嚴格控制，限速施工，嚴格控制底泥清淤影響范圍，保證水質不受影響。

淤泥擴散指標：根據以往類似湖泊清淤工程經驗數據，初步確定為：距離絞刀頭100m，水中的SS值含量小于150mg/L。

圖4 穿紫河清淤現場施工

6 結 語

水王挖泥船最基本的功能是兩棲式挖泥作業，它既可以作絞吸式挖泥船使用，也可以作為反鏟、抓斗挖泥船使用，特別適合中小河流、城鄉河湖等淺水域維護性清淤。本文對常德市穿紫河清淤工程中水王挖泥船施工工藝和方法進行了介紹，可供污染河流、湖泊、水庫等水域疏浚清淤、水質改善和生態修復工程參考。