水下沉箱在大厚度浮泥區域水下施工中的應用分析

張 偉 薛方 張宇 黃一峰 黃立

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

某些特定水域在許多因素的共同作用下，易使軟浮泥聚集，且軟浮泥不易驅散或清理。例如在近岸的海灘、棧橋下相對封閉區域中，軟泥較易聚集，經過擾動會形成大量浮泥，導致該區域的水下能見度低、固體顆粒濃度高、浮泥密度大。在該區域進行潛水作業風險較高，可能會給潛水員帶來人身傷害。

在傳統的作業過程中，面對海床軟泥的不斷回淤及浮泥干擾，現場作業時不得不縮短潛水作業時間，通過反復吸泥來減少浮泥帶來的影響。甚至隨著作業不斷推進，吸泥設備需要升級，增加排量，以應對越來越嚴重的浮泥聚集情況。吸泥這種方法成本高、效率低，因此借鑒“干式艙”的工作思路，建立一種可以在水下隔離浮泥的“水下沉箱”，創建適合潛水作業的環境，保證潛水作業人員的安全。

1 軟泥、浮泥的影響

1.1 軟泥、浮泥聚集環境的形成

浮泥是指近底高含沙水體，是一種懸沙落淤或土體液化起懸的中間產物，普遍存在于淤泥質沉積環境中，其密度或含沙量變化較大，每立方米含沙量可為10 至數百千克。

浮泥是由于黏性細顆粒泥沙為主的固態顆粒處于群體沉降或阻滯沉降階段時，水沙混合體排水速率小于水體內泥沙凈輸入速率而產生的，是床面淤積過程或新淤淤泥發生液化的床面侵蝕過程的中間過渡產物。其形成的必要的條件包括：持續的細顆粒泥沙供給，較弱的水動力環境以及細顆粒泥沙絮凝。

在國外某處棧橋登陸海管的安裝過程中，近岸作業區形成了大量浮泥。結合作業環境及工況分析后可知，客觀環境和人為因素加劇了現場的浮泥聚集。海浪在海岸沙灘上的反復沖刷帶回大量細顆粒泥沙及人類生活垃圾，為懸沙絮凝創造了物質條件；當地海底涌浪呈現長波涌現象，即涌浪周期長、頻率低、流速小，且現場海岸邊建造了登陸棧橋，進一步阻擋了涌浪，客觀上為浮泥形成創造了相對穩定的環境。為了方便對已經入泥的海管進行起吊，現場使用作業拖輪在作業區域進行了1個月的氣舉吸泥作業。該種吸泥方式只能將排除的泥沙拋灑在作業區域周邊，這進一步豐富了細顆粒泥沙的供給。施工1個月后發現浮泥厚度已達3 m，且伴隨施工進行和不斷吸排泥，浮泥越積越厚，影響了現場潛水作業。

1.2 浮泥對潛水的不利影響

在商業潛作業水中，水下流速不超過0.514 m/s時方可進行作業，而流水速率較低是浮泥的形成條件之一。浮泥聚集使該區域重度、能見度都明顯區別于常規水域的潛水區域，對潛水作業存在多方面的影響：

（1）水下能見度降低。浮泥混雜了大量細顆粒物質，使水下能見度降至20 cm以下，嚴重影響了水下作業的效率。且在低能見度的水下進行某些作業時，作業人員面臨較大的擠壓傷和碰撞風險，在含有較多漁網、垃圾等雜物的水域作業時，潛水員易被絞纏。

（2）浮泥含沙量高，密度大，對于潛水員下潛形成較大阻力；在應急情況下，也增大了出水難度。

（3）浮泥中含有大量細顆粒物質，容易導致潛水頭盔、潛水面罩的減壓器、排氣閥等堵塞失效，對潛水員供氣造成嚴重影響。

（4）在大比重浮泥中進行作業時，潛水員移動、作業的阻力較大，水下作業效率受到顯著影響。

為了應對這種不利情況，除了常規的更換吸泥方式、增大吸泥頻率，或者更換防污染的潛水裝具外，設計了一種“水下沉箱”，通過物理隔絕浮泥的方式，為潛水員水下作業創造相對適宜的區域，確保作業安全，同時提高了作業效率。

2 水下沉箱

2.1 水下沉箱的設計原理

水下沉箱的設計原理與海管干式維修中使用的“干式艙” 類似，通過物理隔離的方式，建立適合潛水作業的局部區域。通過設計較高的側壁和底部擋泥板創建隔離區，形成相對封閉的區域，隔絕了周圍的軟泥和浮泥。

在該有限空間內，吸泥效率得到明顯提升，且整個作業的吸泥時間和頻次大大降低了。另外該隔離區域可有效阻擋浮泥，創建區域的浮泥濃度較低，能見度相比周圍環境有明顯提升，對于提高潛水員在渾水區域作業的安全性，提升作業效率都有明顯作用。

圖1 水下沉箱工作原理示意圖

2.2 水下沉箱的設計及制造

水下沉箱的設計及制造以創造隔離區域、為潛水員水下作業提供安全環境為原則，對以下幾方面進行了綜合考慮：

（1）應該根據環境特點，盡量做到早設計、早使用，避免缺少計劃性的吸排泥作業，導致浮泥大量聚集在作業區。

（2）設計足夠高度的側壁和擋泥板，有效阻擋外圍的浮泥。應根據浮泥情況，在能阻擋浮泥從上部涌入的前提下，盡量降低擋板高度，方便潛水員進出，同時減少面對水流的截面積。在底部也設計擋泥板，通過外圍布置的裙板來減緩底部軟泥在吸泥過程中及潛水作業過程中滲入。

（3）設計合理的擋泥板，增加底座面積，使水下沉箱在海床上保持相對穩定。

（4）為潛水員提供足夠的操作空間。應該結合水下作業的具體需求，例如作業結構的特殊形狀、空間需求，對沉箱的橫向尺寸進行設計。原則上，水下沉箱的設計尺寸需滿足潛水員水下作業提供足夠的自由度以及避讓吸泥作業的空間。

（5）水下沉箱為潛水員工作提供庇護，同時其本身受到水流沖擊影響，應該確保其設計、制造具備一定強度。

（6）沉箱內部應在合適的位置設置方便潛水員進出的扶手，扶手設計時需要考慮盡量降低潛水員被絞纏的風險。

3 水下沉箱相關的風險及控制

水下沉箱是一種臨時保障潛水員工作的環境的設施，其降低了浮泥對潛水作業的影響，但也形成了相對封閉的區域，在其中作業的潛水員，可能無法及時感知周邊環境變化情況。同時該結構本身也面臨水流沖擊，存在一定的結構失效風險。綜合考慮以上因素，在使用時應注意以下風險及控制措施：

（1）在水下沉箱中，潛水員仍然存在受浮泥污染的風險，因此在連續潛水作業中，應確保下水的個人潛水裝具及個人勞保工具上浮泥清洗干凈，包括靴子、脖套、手套等。

（2）應根據作業工況考慮增加潛水頭盔或面罩的清洗、測試頻率。

（3）水下沉箱應該明確其適用的作業環境，尤其是適用的流速極限。為了確保水流速率在可接受范圍內，可以考慮使用水下測流儀監控流速。

（4）水下沉箱形成的區域雖然為非受限空間，但應考慮增加守護潛水員人數，監控水下流速及沉箱狀態，控制潛水員作業臍帶，以在沉箱崩塌失效時，確保作業潛水員能及時撤離。

4 水下沉箱的應用實例

在尼日利亞某項目中，計劃在海岸棧橋上安裝8套整體立管，需要潛水員水下探摸管線狀態，標記管頭位置，同時在起吊點位置吹出一個工作坑以連接起吊索具。在作業過程中，由于作業區域靠近沙灘，水下的浮泥摻雜各類垃圾在海床上形成了一層密度較大的浮泥。隨著現場吸泥作業的推進，浮泥層厚度達到了3 m左右，潛水員水下作業困難，同時也面臨了較大的安全風險。為了應對這種情況，現場預制了一套水下沉箱，長為6 m、寬為4 m、高為4 m，擋泥板在4個方向從底部外延60 cm。將其放置在被浮泥覆蓋的海床上，創造了相對封閉的區域，使用吸泥設備吸泥后，可維持較長時間的“無污染”區域。

在實際作業過程中，該沉箱有效降低了反復吸泥的時間，提高了潛水員下水作業的效率，同時保證了潛水員的安全。據統計，在現場作業過程中，使用該水下沉箱后，立管的安裝用時為未使用時安裝工時的一半。

5 結論

水下沉箱結構簡單，提升了在大厚度浮泥區域進行潛水作業的安全性，同時提升了水下吸排泥、潛水作業的效率。但同時水下沉箱創造了一個相對封閉的作業空間，因此也需要采取格外的措施來確保工作潛水員的安全。