耙吸式挖泥船施工效率提升
——溢流控制

趙偉

（長江南京航道工程局，江蘇 南京 050000）

1 引言

隨著國內(nèi)各港口大型船舶來往數(shù)量日益增多，港口航道使用率不斷提高，致使航道內(nèi)泥沙沉積愈發(fā)嚴(yán)重，因此航道疏浚及等級提升工作勢在必行。耙吸式挖泥船是一種集挖泥、裝泥和卸泥多功能于一身的航道疏浚工具，且無需其他船只輔助，不影響周圍船舶航行，因此在航道疏浚中應(yīng)用廣泛[1-2]。在使用耙吸式挖泥船施工過程中，采用均勻布線、溢流施工的方法可取得良好的疏浚施工效果[3]，但挖泥船裝艙過程中泥艙溢流筒的溢流流量與溢流損失不易被直接獲取[4-5]，由此引入有效溢流量的概念。

有效溢流量是指耙吸船在裝艙過程中，從溢流筒溢流出去的部分泥漿在水流作用下，會移動到航道外而不會返回到航道中，這部分溢流泥漿即為有效溢流量。有效溢流量越大，挖泥船施工效率越高。因此，在施工過程中，可充分利用航道水流速度、水流持續(xù)時間、水域水深等因素以及溢流筒充分溢流將泥沙攜帶出航道挖槽，增加施工過程中的有效溢流量。

2 溢流泥沙的運(yùn)動分析

判定溢流筒中溢流的泥沙是否為有效溢流，須計(jì)算水流將泥沙顆粒攜帶出挖槽的位移。泥沙顆粒的運(yùn)動規(guī)律較為復(fù)雜[6]，做一定的簡化分析，其位移大小主要影響因素主要包括泥沙沉速、泥沙顆粒懸浮時間、水流垂直航道速度、水域水深等，如若得出上述影響因素的數(shù)值，需先行測得泥沙粒徑（通過粒徑計(jì)法泥沙顆分試驗(yàn)測泥沙級配獲得）、泥沙容重（通過環(huán)刀法測容重獲得）、潮流水流分布（通過水文資料獲得）、附近水域水深等物理量。由于試驗(yàn)器材及資料條件限制，部分物理量取值為具有一定代表性的數(shù)值，用以計(jì)算泥沙顆粒位移。本文以連云港30 萬噸航道為工程背景，對其施工過程中的泥沙顆粒位移影響因素做了如下分析：

2.1 泥沙沉速

根據(jù)連云港30 萬噸航道的地質(zhì)資料顯示，航道上層土質(zhì)主要為淤泥，為航道挖槽施工土層，下層主要為硬黏土和密實(shí)粉砂。另根據(jù)地質(zhì)勘查資料和航道一期施工情況，航道沿線分布兩類鈣質(zhì)結(jié)核：第一類為有規(guī)律分布的小粒徑鈣質(zhì)結(jié)核，在淤泥底板與下部地層交界處普遍分布，硬黏土和密實(shí)粉砂厚度為10 ～30cm，粒徑主要為5 ～80mm，個別粒徑為110mm；第二類為零星分布的較大尺度鈣質(zhì)結(jié)核，在各土層中零星分布，相互連接鑲嵌，結(jié)構(gòu)組成相對整體化。進(jìn)一步的勘察實(shí)驗(yàn)顯示航道挖槽施工土質(zhì)主要為粉質(zhì)粘土、細(xì)砂與中砂，即泥沙顆粒粒徑小于0.5mm 的比重很大，因此0 ～0.5mm為本文分析的主要粒徑區(qū)間。

根據(jù)張瑞瑾泥沙沉速計(jì)算公式[7]，可知在顆粒粒徑D 處于0.1 ～4mm 區(qū)間，泥沙顆粒沉降速度與顆粒粒徑、滯粘阻力、顆粒干容重等物理量的關(guān)系為：

連云港水文氣象資料顯示，航道所在海域海水溫度在8℃～18℃，可取10℃下滯粘阻力為1.31×10-6m2/s，又已知泥沙顆粒干容重γs 為1.835kg/m3，水的容重γ 為1kg/m3，重力加速度g 為9.81m/s2，因此上述公式（1）可化簡為泥沙沉降速度ω 與泥沙顆粒粒徑D（0.1mm〈D〈4mm）的關(guān)系式：

當(dāng)泥沙顆粒粒徑不斷減小時，滯粘阻力會不斷增大，計(jì)算時需考慮滯粘阻力的影響，顆粒粒徑臨界值可設(shè)定為0.1mm。故當(dāng)顆粒粒徑D〈0.1mm 時，泥沙顆粒沉降速度的計(jì)算公式為：

上述公式（3）化簡后可得泥沙沉降速度ω 與泥沙顆粒粒徑D（D〈0.1mm）的關(guān)系式：當(dāng)泥沙顆粒粒徑不斷增大時，滯粘阻力會不斷減小，當(dāng)顆粒粒徑超過一定限定值時，滯粘阻力大小可忽略不計(jì)，此時紊動阻力將起決定作用，顆粒粒徑臨界值可設(shè)定為4mm。由于航道挖槽施工土層土質(zhì)中大于4mm 粒徑的泥沙顆粒含量很少，因此對施工影響可以忽略不計(jì)，此處亦不做計(jì)算。

由公式（2）與公式（4）可建立泥沙沉降速度ω與顆粒粒徑D 的關(guān)系如圖1 所示，由圖1 可知，泥沙沉降速度隨著顆粒粒徑的增大而增大；顆粒粒徑越小，曲線斜率越小，泥沙沉降速度隨顆粒粒徑增大而增加得越緩慢；當(dāng)顆粒粒徑達(dá)到一定數(shù)值（D〉0.2mm）時，泥沙沉降速度與顆粒粒徑表現(xiàn)出近似于正比例關(guān)系的趨勢。

2.2 泥沙顆粒懸浮時間

根據(jù)水文氣象資料顯示，航道海域潮流漲落時潮位基準(zhǔn)位為2.9m，平均高潮位增加4.9m，平均低潮位增加1.2m，已知航道挖槽外水域水深為12m ～15m（取13m），則可得高潮位時水域水深為20.8m，低潮位時水域水深為17.1m。水域水深h 與泥沙顆粒懸浮時間t的關(guān)系可以表述為：

由公式（2）、公式（4）與公式（5）可得泥沙顆粒懸浮時間t 與顆粒粒徑D 的關(guān)系如圖2 所示，由圖2可知，泥沙顆粒懸浮時間隨顆粒粒徑增大而減小；顆粒粒徑越小，曲線斜率越大，懸浮時間隨顆粒粒徑增大而減小得越快；粒徑為0.05mm 的顆粒與0.5mm 的顆粒相比，懸浮時間相差很大，達(dá)到50 倍以上；顆粒粒徑越小，高潮位與低潮位的懸浮時間相差越明顯，隨著顆粒粒徑的不斷增加，高潮位與低潮位的懸浮時間趨近于相同。

2.3 潮流流速

根據(jù)航道所在連云港海域海圖標(biāo)注的潮流流向流速圖，與潮流漲落規(guī)律，可獲得水流方向、水流速度以及水流持續(xù)時間，由此可計(jì)算出在航道垂直方向上的水流速度大小，詳見表1。

表1 水流垂直航道速度

2.4 泥沙顆粒位移

根據(jù)上文中計(jì)算出的泥沙顆粒懸浮時間、水流垂直航道速度、水流持續(xù)時間，可計(jì)算出泥沙顆粒在水中的懸浮位移。

由于不同顆粒粒徑的泥沙懸浮時間相差很大，粒徑很小的泥沙懸浮時間遠(yuǎn)大于水流持續(xù)時間，粒徑較大的泥沙懸浮時間小于水流持續(xù)時間，即其運(yùn)動受制于懸浮時間，故不同顆粒粒徑的泥沙位移計(jì)算方法不同，這里簡要計(jì)算了0.075mm、0.2mm 與0.25mm 等3 種粒徑的泥沙位移值。

0.075mm 粒徑泥沙在落潮到漲潮、漲潮到落潮兩個時段，通過順序組合計(jì)算出的最大位移如下表2 和表3。

表2 -0.075mm 粒徑泥沙落潮到漲潮時的最大位移

表3 -0.075mm 粒徑泥沙漲潮到落潮時的最大位移

由于0.075mm 的泥沙粒徑較小，沉速較小，水流作用對其運(yùn)動位移的影響因素較大，通過計(jì)算可得出0.075mm 粒徑的泥沙在水流速度最佳組合中（落潮五六方向到漲潮一二方向）最大位移距離為10972m。

0.2mm 粒徑泥沙在水流中的懸浮時間較小，根據(jù)其懸浮時間計(jì)算，其位移值如下表4 和表5。

表4 -0.2mm 粒徑泥沙落潮到漲潮時的最大位移

表5 -0.2mm 粒徑泥沙漲潮到落潮時的最大位移

0.25mm 粒徑泥沙相比于0.2mm 粒徑泥沙，其在水流中的懸浮時間更小，根據(jù)其懸浮時間計(jì)算，其位移值如下表6 和表7。

表6 -0.25mm 粒徑泥沙落潮到漲潮時的最大位移

表7 -0.25mm 粒徑泥沙漲潮到落潮時的最大位移

0.2mm 與0.25mm 粒徑泥沙根據(jù)不同水流持續(xù)時間的組合，均可算出不同的位移值，因組合方式復(fù)雜，此處不一一計(jì)算。

3 控制溢流提升施工效率

由上述計(jì)算可知，泥沙顆粒在水域中的位移主要與顆粒粒徑、水流垂直航道速度、水流持續(xù)時間以及水域深度等因素有關(guān)，因此在航道挖槽施工過程中可有效利用上述因素以增加泥沙顆粒位移，提高挖槽施工效率，節(jié)約施工成本，同時降低能耗。通過多次實(shí)地測量及現(xiàn)場實(shí)踐證明，水流將泥沙顆粒攜帶出航道600 米以外時，泥沙沉淀后不會造成航道回淤，實(shí)際觀察得出平潮前后各45 分鐘水流很小，不能滿足將泥沙帶出航道的要求，每天有總計(jì)6 小時不能采用溢流法施工，而其余18 小時均能達(dá)到設(shè)定效果。

筆者對實(shí)船施工工藝進(jìn)行了一定的改進(jìn)，即在航道挖槽邊線處，通過降低船體溢流筒高度使泥倉中的泥沙混合物溢出，然后提高溢流筒裝倉，如此反復(fù)操作，充分溢流，當(dāng)船體達(dá)到滿倉滿載時即前往拋泥區(qū)卸泥，提高有效挖泥時間、溢流量，從而提高施工效率。

表8 改進(jìn)前的船體溢流量與下方量

表9 改進(jìn)后的船體溢流量與下方量

在連云港30 萬噸航道疏浚工程中，經(jīng)過施工工藝的改進(jìn)，測得實(shí)船每天平均下方量由5855m3提高至8531m3，施工效率提升了46%；每天重油油耗由35.17噸減少至32.52 噸，每天油耗減少2.65 噸，整體施工效率取得了較大改善。

4 展望

本次工程通過改進(jìn)施工工藝，充分溢流，提升了航道疏浚的施工效率、降低了成本和能耗，且水流垂直航道速度越大、作用時間越長，施工效果越好。當(dāng)然，該施工工藝也存在一定局限性，當(dāng)某些施工區(qū)域處于保護(hù)區(qū)、水源地或娛樂場所時此工藝無法使用，故施工技術(shù)和工藝后續(xù)可進(jìn)一步改進(jìn)與創(chuàng)新。目前國內(nèi)外已有工程采用了無溢流施工工藝[8-10]，即將溢流的泥沙混合物通過另一泥泵傳輸給高壓沖水泵排到耙頭，再從耙頭吸入泥倉形成閉環(huán)，以此達(dá)到環(huán)保疏浚的目的。只有通過以往施工經(jīng)驗(yàn)不斷地積累，充分運(yùn)用新技術(shù)的開發(fā)成果，積極推廣精細(xì)化施工理念，才能切實(shí)提高施工效率并保證環(huán)保作業(yè)，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的國家戰(zhàn)略目標(biāo)而努力，為疏浚行業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。