大型耙吸船在黏性土質(zhì)條件下的施工

何新偉，杜志軒

(中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290)

隨著國內(nèi)外疏浚工程施工項目所涉及的航道疏浚水深增加，施工土質(zhì)情況越發(fā)復雜。尤其是面對黏土疏浚工程項目時，如何解決耙吸船高效挖掘硬質(zhì)黏土的問題，成為一個以疏浚為主業(yè)的公司迫切需要解決的問題，也是進一步拓寬耙吸船適用領(lǐng)域的關(guān)鍵方向。

目前國內(nèi)外多家疏浚龍頭企業(yè)及科研單位已對耙吸船黏土施工進行了深入研究，包括耙吸船增加水下泥泵、耙頭改造、耙頭高壓沖水、船舶施工工藝等方面，且取得了多項成果，如耙吸船增加水下泵技術(shù)分析、耙頭沖水系統(tǒng)優(yōu)化、軟格柵改造、施工工藝的優(yōu)化等[1-6]。本文以連云港工程為基點，結(jié)合六號錨地錨位單位工程疏浚施工經(jīng)驗，介紹本工程大型耙吸船在黏性土質(zhì)條件下通過引進水下泵設備、增強高壓沖水、改造耙頭以及采用“泥沙墊艙+黏土裝艙”新型施工工藝等方法的施工效果，為其他類似工況條件下的施工提供參考。

1 工程概況

本工程主要施工內(nèi)容為六號錨地錨位的疏浚(包括30萬噸級散貨船錨位、30萬噸級油船錨位)、推薦航線的疏浚以及徐圩航道X7+015～X12+515段的掃淺工程。見圖1。

其中六號錨地施工區(qū)位于外航道外段E點南側(cè)，面積25.4 km2,錨地北邊線距航道軸線1.6 km，自然水深21.9～27.2 m。六號錨地內(nèi)布置30萬噸級散貨船錨位以及30萬噸級油船錨位各1個，錨位尺寸均為1.3 km×1.3 km，設計底高程分別為-28.7和-28.1 m，設計邊坡1:5。散貨船錨位主要疏浚土質(zhì)為淤泥混砂，30萬噸級油船錨位主要疏浚土質(zhì)為黏土。

圖1 工程施工總平面

2 施工難點

1)工程自2018年11月開工，合同重要工期節(jié)點為2019年3月，基建工程量大，施工時間短，節(jié)點壓力重。

2)工程涉及耙吸船黏土施工。其中，六號錨地油船錨位施工區(qū)主要為黏土土質(zhì)，標貫系數(shù)大(部分區(qū)域標貫系數(shù)N超過20)，根據(jù)以往施工經(jīng)驗，耙吸船黏土施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)悶耙、堵耙以及泥艙疏浚土板結(jié)等問題，對施工效率、施工進度影響較大。施工區(qū)相關(guān)土質(zhì)資料見表1、圖2。

表1 土質(zhì)分級疏浚工程量

圖2 油船錨位土質(zhì)情況

3 施工設備及施工工藝調(diào)整

3.1 施工設備

隨著疏浚深度增加，船舶對泥泵真空度的要求提高，而艙內(nèi)泵受安裝位置的限制，其所能提供的真空度有限。尤其在本工程黏性土質(zhì)開挖條件下，疏浚土沿耙管搬運至泥艙過程中易出現(xiàn)黏土粘接現(xiàn)象。這種情況下，耙吸船對泥泵功率和泥泵真空度要求更高，傳統(tǒng)艙內(nèi)泵難以達到施工要求[7]。而采用水下泵設備的施工船舶在相同挖深的情況下，可減少泵吸高度和沿程水頭損失，有效提高疏浚濃度和施工效率。

耙頭泥漿濃度公式為：

(1)

式中：ρ為泥漿密度(kg/m3)；P0為大氣壓力(Pa)；PNPSHr為泥泵必需氣蝕余量(Pa)；ρw為海水密度(kg/m3)；g為重力加速度(m/s2)；H為挖深(m)；Hs為耙頭吸口面至泥泵中心面的水平高差(m)；v為泥泵進口處平均流速(m/s)；λ為沿程損失系數(shù)；L為吸管長度(m)；D為吸管直徑(m)；ξ為局部損失系數(shù)。

在相同挖深的情況下，相比艙內(nèi)泵，采用水下泵設計的施工船舶，其耙頭吸口面至泥泵中心面的水平高差Hs減小，吸管長度L減小，沿程壓力損失減小，泥漿密度ρ明顯增加，進而增加船舶過泵產(chǎn)量，減少裝艙時間，提高船舶疏浚效率。艙內(nèi)泵、水下泵運轉(zhuǎn)見圖3。

注：Pb1為耙頭處壓力。

為保證投入的施工船舶能夠滿足本工程黏土施工的需要，在開工初期立即調(diào)遣“浚洋1”輪進場施工，作為當前亞洲最先進的耙吸挖泥船，“浚洋1”輪左、右耙均裝備有先進的水下泵設備，能夠提供的泥泵功率和泥泵真空度遠遠超出正常黏土施工的需要。

2019年3月，六號錨地后期掃淺施工階段，“浚洋1”輪右耙水下泵受船舶設備狀態(tài)影響無法正常工作，采用IHC公司設計“浚洋1”輪時提供的備選方案，將右水下泵拆除，通過管路改換，連接右耙艙內(nèi)泵。分析左耙水下泵、右耙艙內(nèi)泵對部分硬質(zhì)淺點施工效果，發(fā)現(xiàn)水下泵運轉(zhuǎn)效果確實優(yōu)于艙內(nèi)泵。

3.2 耙頭改造更換

耙吸船通過可以下放的耙臂管和耙頭挖掘水下疏浚土，再通過泥泵抽吸作用，將疏浚土運送到泥艙內(nèi)。在耙吸船黏性土質(zhì)疏浚施工中，黏土顆粒的凝聚特性會增強疏浚土對耙齒和流道的附著力，在耙頭低流速回流區(qū)淤積沉淀，易形成堵耙、結(jié)塊等現(xiàn)象，嚴重影響生產(chǎn)效率[8]。為解決上述問題，通過優(yōu)化耙頭流道結(jié)構(gòu)、增大格柵開口尺寸、調(diào)整耙齒的安裝角度、改造單排耙頭耙齒分布等優(yōu)化措施，研發(fā)主動式改造型黏土耙頭。

通過研究施工過程中耙頭流速、濃度、真空度穩(wěn)定性以及現(xiàn)場效果，發(fā)現(xiàn)耙頭更換后耙頭附著黏土明顯減少，悶耙、堵耙現(xiàn)象基本消除，證明改進型耙頭施工效果較好，改進型耙頭施工作業(yè)效果見圖4。

圖4 主動式改造型耙頭施工作業(yè)效果

3.3 提高高壓沖水壓力

目前耙吸船耙頭均配備高壓沖水系統(tǒng)輔助施工，其中高壓沖水挖泥系統(tǒng)通過噴嘴噴射出的高壓射流沖刷、液化水底泥沙，提高疏浚土的含水量，進而使疏浚物膨脹松散，以此提高挖掘效果[9]。在對黏性土質(zhì)施工時，其高壓沖水壓力大小更是直接影響耙齒噴頭、防堵噴頭以及耐磨塊上預切割高壓沖水噴頭的輔助切削效果。

“浚洋1”完成左高壓沖水系統(tǒng)的更換修復后，輪艙內(nèi)沖水壓力和耙頭沖水壓力均得到顯著提升，“浚洋1”輪油船錨位施工期間耙頭濃度由1.1～1.3 t/m3提升至1.15～1.35 t/m3，耙頭流速由4.9～5.5 m/s提升至5.0～6.0 m/s，船舶過泵產(chǎn)量提高約10%，施工效率提升明顯。“浚洋1”輪艙內(nèi)沖水作業(yè)效果見圖5。

圖5 “浚洋1”輪艙內(nèi)沖水作業(yè)效果

3.4 改進施工工藝

由于黏土土質(zhì)具有聯(lián)結(jié)強度大、土質(zhì)密度高的特點[10]，因此滿載情況下，船舶泥艙下層疏浚土易受泥艙疏浚土重力影響，導致疏浚土在裝艙單元入口發(fā)生板結(jié)固化(尤其是泥泵管道排出端下方的裝艙單元)，致使拋泥難度增加、拋泥時間延長、整體施工能效降低。

為解決上述問題，對船舶施工工藝進行調(diào)整優(yōu)化，先后采用了3種措施：

1)船舶在油船錨地和散貨船錨地輪流施工。待油船錨地施工后，通過散貨船錨地施工期間泥漿對于泥艙剩余黏土的沖刷浸泡，減少黏土在船舶泥艙的滯留，從而降低下一船油船錨地施工后的拋泥難度。

2)縮短拋泥時間。質(zhì)量較大、密度較高的疏浚物集中于2#、4#、5#泥門柱附近，導致拋泥過程中上述拋泥單元拋泥困難、拋泥時間增加，若拋泥過程中不開啟上述泥門，而通過泥泵沖水將此單元疏浚土沖刷，可縮短拋泥時間。

3)采用“泥沙墊艙+黏土裝艙”的施工工藝。“浚洋1”輪在散貨船錨位施工0.5 h，待泥艙中裝載部分淤泥及少量砂土后，再前往油船錨位施工，以淤泥、沙土作為后期裝載黏土與船舶泥艙間的潤滑劑，減少油船錨位黏土的板結(jié)固化，降低船舶拋泥難度。

通過對比發(fā)現(xiàn)，采用3種工藝調(diào)整后，“浚洋1”輪拋泥時間均有一定幅度的縮短，但相較于第1、2種工藝調(diào)整效果，第3種調(diào)整效果最好，拋泥時間最短。相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表2。

通過對船舶施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，施工工藝最終調(diào)整后，“浚洋1”輪拋泥時間及泥艙疏浚土殘留量降低明顯，平均拋泥時間由52 min縮短至30 min，單船施工周期降低9.4%，船舶施工效率提升明顯。

表2 “浚洋1”輪施工工藝調(diào)整前后施工周期對比 min

4 成果檢驗

通過采取耙頭改造更換、提高高壓沖水壓力、改進施工工藝措施，“浚洋1”輪施工效率提升明顯，通過對施工數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，“浚洋1”輪在單船裝載量基本不變的情況下，船舶施工周期縮短0.43 h，施工效率為3 229.7 m3/h，較措施實行前提升12.44%。船舶施工參數(shù)變化見表3。

表3 船舶施工參數(shù)對比

5 結(jié)語

1)水下泵可以明顯提高泥泵真空度，提高施工過程中耙頭泥漿濃度。

2)提高高壓沖水壓力和采用改造后的黏土耙頭可以減少悶耙、堵耙現(xiàn)象，提高耙頭泥漿濃度和泥漿流速。

3)“泥沙墊艙+黏土裝艙”的施工工藝以淤泥及少量沙土作為疏浚黏土與泥艙間的潤滑劑，減少黏土在船舶泥艙的滯留板結(jié)，縮短船舶拋泥時間。

4)經(jīng)現(xiàn)場施工試驗，耙吸船黏土施工措施效果良好，達到了預期目標，為類似工況條件下的船機設備安排選取及施工措施的制定優(yōu)化提供了經(jīng)驗。