淺談單、雙耙的使用對大型耙吸船粉細砂裝艙效率的影響

◎張龍 席四海 中交廣州航道局有限公司

1.工程概況

湛江港30萬噸級航道改擴建工程是交通運輸部和廣東省“十三五”規劃的重點建設項目，本工程以湛江灣口門為分界線，分為內航道和外航道，其中內航道總長約為16km，包括南三島西航道、石頭角航道和東頭山航道。外航道總長約為47km，包括龍騰航道外段和內段。本工程是在現有30萬噸級航道基礎上進行拓寬、浚深和延長，工程竣工之后全長為64.1km，將成為華南地區唯一能夠通航40萬噸級超大型船舶的深水航道。

本項目為湛江港30萬噸級航道改擴建工程I標段，施工內容主要包括：航道疏浚工程、航標工程和環境監測工程等，施工航段全長36.2km，設計底標高為-23.6m～-23.9m，通航寬度為340m。

2.研究背景

在湛江港30萬噸級航道改擴建工程的施工過程中，為配合湛江巴斯夫新型一體化基地項目的吹填施工，需要對疏浚物的處理方式進行調整。對于航道疏浚物的處理需要由原來的外拋改為回填至巴斯夫項目的吹填區。由于疏浚物處理方式的改變，需要對耙吸船的施工工況進行相應的調整。

在新的作業要求下，疏浚物的運輸距離和處理時間明顯增大，并且在巴斯夫吹填項目進行施工作業的船舶種類多，密度大，對耙吸船的航行速度和施工周期造成了很大的影響。同時，由于巴斯夫項目對回填疏浚物的承載力有要求，迫切需求含砂量較高的疏浚物，只有提高耙吸船裝艙疏浚物的含砂量，才能滿足回填土方質量要求，而運輸、吹岸兩個施工環節可優化的空間較小，在新的疏浚物處理方式的要求下，必須在一年的工期之內完成長達36.2km航道近1500萬m3的疏浚工程量并上岸，施工時間緊，任務重，工期壓力較大。所以迫切要求提高耙吸船的裝艙效率，提高耙吸船裝艙疏浚物的含砂量，才能滿足回填土方質量及工程進度要求。

3.地質條件

根據設計地質勘察資料，湛江港30萬噸級航道改擴建工程I標段范圍內疏浚土以淤泥～淤泥質土（1、2級土）為主，占61%；粘性土（4、5級土）和砂類土（7、8級土）次之，分別占24.3%和14.7%，詳見圖2。通過前期的疏浚施工，航道中的大部分淤泥～淤泥質土已得到挖除，剩余土質主要為粘性土和砂類土。

圖2 單耙、雙耙與單、雙耙混合施工土方量裝載曲線

4.耙吸船施工工況

本工程的疏浚施工采用大型耙吸船進行，我司先后投入了“浚海1”“浚海2”“浚海5”“浚海6”等“浚海”系列耙吸船（艙容10000m3），耙吸船裝備有耙頭挖掘機具和水力吸泥裝置，施工時通過船舷兩側伸出的耙臂將耙頭下放到水下，對海底泥沙進行耙松、挖掘，泥沙經泥泵的抽吸作用，通過管道輸送至裝艙口進入泥艙。

耙吸船進行疏浚裝艙過程可以大體分為3個階段：（1）開始疏浚裝艙，直至泥漿達到溢流高度，在此階段可認為全部的泥沙都留在泥艙內，或懸浮或沉積。（2）在溢流狀態下繼續裝艙，開始出現溢流損失。此階段有一部分泥沙在重力作用下沉積，另一部分會隨溢流損失掉。沉積比例取決于裝艙流量、消能方式、泥艙結構、溢流設施以及泥沙粒徑等因素。隨著泥沙不斷沉積，沉積面不斷抬高，過流面積減小，從而沉積面上部的流速開始增大，并引起沉積泥沙的再次沖刷，導致溢流損失有增大的趨勢。（3）一般而言，當進艙和溢流的濃度基本一致（裝艙土方量不再增加）時，停止裝艙。

圖1 單耙、雙耙施工土方量裝載量曲線

5.耙吸船粉細砂裝艙效率分析

為了判斷沉淀后的裝艙效果及土質情況，船舶完成裝艙并航行至拋泥區后，通知操耙手不直接打開泥門，而是先將溢流口降至50%，把泥艙表層的清水排出，經觀察無泥沙顯露，可以判斷沉淀后的泥沙厚度并不厚。然后，僅開啟1和9號泥門（分別位于船艏、船艉），不開艙內高壓沖水，目的是將泥水排出，保留泥艙中部的泥沙。待艙內泥水排出后，發現泥艙內主要為淤泥，僅存在少量砂，裝艙砂量較低，無法體現船舶正常挖砂效率。可能是由于該段含砂區域長期未施工，表層為淤泥覆蓋層（雖然補充勘探資料顯示表層為砂），由于開挖深度不夠，未挖到下層的砂。于是，安排“浚海1”先對含砂區域表層的浮泥進行開挖。

在清除了表層淤泥，具備下部砂層開挖條件后，對“浚海1”針對粉細砂的施工情況的數據統計如下：“浚海1”于2020年6月19日-6月25日對含砂區段K29+600～K32+600航段進行施工，累計施工18船次，土質主要為粉細砂，平均每船次挖泥時間約為3h，周期時間約為8.5h，裝艙量約為4000m3，施工效率偏低。根據上述分析，判斷“粉細砂裝艙量低”是大型耙吸船開挖粉細砂工效低的主要原因。

6.耙吸式挖泥船單耙或雙耙施工對比分析

6.1 單耙、雙耙單獨施工

在同施工的大型耙吸船“浚海6”進行粉細砂疏浚期間，偶然發現某船次因右耙泥泵故障，采用單左耙施工，經過數據對比，發現該船次裝艙量比雙耙施工相對有所提高。根據大型耙吸船進艙原理分析，認為單、雙耙施工會直接影響裝艙口管道流量，從而影響裝艙沉淀及溢流效果。于是決定在相同施工區域，采取單耙、雙耙施工試驗對比驗證，經數據分析對比，得出下圖2，分析下圖可知：施工前195min雙耙施工比單耙裝艙量高，施工225min后，單耙裝艙量超過雙耙裝艙量，施工完畢時單耙裝艙量比雙耙裝艙量高約300m3，裝艙量明顯提高。

6.2 單、雙耙混合施工

根據上述數據分析可以發現，單、雙耙的使用對粉細砂裝艙量影響較大，分析可能是由于施工后期雙耙施工裝艙口管道流量較大，致使泥沙進艙后流速過大，泥沙無法有效沉淀，同時底部沉積層升高，底部泥沙易被沖刷而起，使泥沙從溢流口流出，造成裝艙量流失。針對這一問題，為提高粉細砂的裝艙效率，提出單、雙耙混合施工的施工工藝措施，即前期采取雙耙施工，保證施工前期的裝艙效率，待土方量裝載曲線變緩后，開始使用單耙施工，降低裝艙口管道流量，從而降低泥沙進艙流速及對底部沉積層的沖刷，減少泥沙從溢流口溢出，進而提高裝艙效率。

通過對“浚海6”試驗前七天雙耙施工與試驗后七天單、雙耙混合施工的施工數據記錄、統計與分析，繪制圖7，通過統計得出雙耙施工土方量裝載量平均值為5115m3；單、雙耙混合施工的船舶土方裝載量平均值為5485m3。根據圖7可以看出，采取單、雙耙混合施工的施工工藝后，裝載量到達5115m3的時間比雙耙施工提前了約15min，相比較雙耙施工裝載量提高了370m3，同時比單耙施工裝載量也有所提高。

7.結論

通過自航耙吸挖泥船在湛江港30萬噸級航道改擴建工程中的應用，采取現場調查和數據分析的方法可以發現，在相同施工時間下，單、雙耙混合施工比雙耙施工，對粉細砂的裝載量提高了7%；相比單耙施工，前期施工裝載時間相對縮短，施工效率有所提高。由此可見，采取單、雙耙混合施工能有效的提高自航耙吸挖泥船對粉細砂的裝艙效率。