單耙自航耙吸式挖泥船粉土施工效果

陳遠(yuǎn)雷

（神華上航疏浚有限責(zé)任公司，河北 滄州 061113）

0 引言

隨著國內(nèi)疏浚行業(yè)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)出現(xiàn)了較多大型、先進(jìn)的耙吸式挖泥船，并伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的使用，船舶數(shù)字化、自動化水平也愈加提高，在降低人工勞動強度、減少施工人員操作風(fēng)險的前提下，施工效率亦有所提高。但國內(nèi)目前絕大多數(shù)的耙吸式挖泥船均為雙泵、雙耙臂結(jié)構(gòu)，隨著疏浚施工面對的工況復(fù)雜度提高、疏浚技術(shù)領(lǐng)域劃分的細(xì)化以及船舶設(shè)計制造能力的提升，根據(jù)特定工況設(shè)計及制造的單耙自航式耙吸挖泥船在國內(nèi)逐漸出現(xiàn)并投入使用。由于國內(nèi)原有單耙耙吸船的施工經(jīng)驗較少，有關(guān)其施工工藝及施工效果的研究成果甚少，其與雙耙耙吸船的工效對比成為了一個新的研究方向，對今后疏浚行業(yè)的發(fā)展方向有著非常重要的指導(dǎo)作用。

國內(nèi)學(xué)者對耙吸式挖泥船施工效果開展了較多研究，對施工工藝、關(guān)鍵疏浚設(shè)備的改進(jìn)在提高施工效果的研究方面取得了較多成果。鄭金龍[1]等采用多因素敏感度分析法對影響耙吸船施工效率的因素進(jìn)行分析，提出了最佳施工參數(shù)的選定過程與工具。苗士勇[2]等對小型耙吸挖泥船泊位清淤與絞吸船清淤的施工先進(jìn)性和經(jīng)濟性作了比較研究。韓正[3]等對耙吸挖泥船和自航泥駁聯(lián)合施工工藝的工效進(jìn)行了測算，給出了不同泥駁配備數(shù)量條件下的施工工效。鄭金龍[4]等采用CFD 手段對耙吸挖泥船耙頭的內(nèi)流場進(jìn)行分析優(yōu)化，探索耙頭修型在改善耙頭內(nèi)流場、提升泥的吸輸效率的作用。朱時茂[5]等通過改進(jìn)耙頭耙齒、優(yōu)化挖泥施工工藝參數(shù)和艏吹方案探索長江內(nèi)河疏浚和艏吹施工效率提高的方案。江帥[6]等根據(jù)“水刀”的切割原理設(shè)計出一種新型耙頭模型，通過垂直和水平高壓沖水提高耙頭挖掘濃度。呂玉琪[7]等闡述了淺點的生成及預(yù)防措施，并給出了實施方案以及清除方法。朱時茂[8]等以艙容4 500 m3為代表的中小型耙吸挖泥船施工粉土為例，研究耙頭、耙齒、高壓沖水、泥泵等關(guān)鍵疏浚挖掘機具，優(yōu)化裝艙時間，以期提高粉土裝艙效果。鑒于國內(nèi)單耙耙吸式挖泥船一直未普遍采用，有關(guān)其施工效率和質(zhì)量的研究甚少。

1 單耙耙吸船施工工況

以2019 年生產(chǎn)的單耙自航耙吸船航浚6008輪在黃驊港地區(qū)施工為例開展典型分析。重點對該輪的施工工藝、施工效果及與其他類似雙耙自航耙吸船的施工效果進(jìn)行對比分析，研究單耙耙吸船的施工布線、施工效率、施工質(zhì)量等施工效果。

1）工程概況

神華黃驊港位于渤海灣西南，自然水深條件差，年回淤量較大，2019 年回淤量近1 800 萬m3，需要常年進(jìn)行維護疏浚。主要回淤土質(zhì)為淤泥，回淤重心為航道W10—W25 區(qū)段，大風(fēng)驟淤期間存在大范圍粉沙回淤的可能，若不及時迅速開展應(yīng)急疏浚極易因為粉沙沉積形成鐵板砂，對疏浚施工造成極大困難。

神華黃驊港地區(qū)的粉土地質(zhì)在國內(nèi)的類似港口中具備典型代表性。使用丹麥進(jìn)口的重力式柱狀取樣器（圖1）進(jìn)行現(xiàn)場土樣采集，通過現(xiàn)場取樣進(jìn)行土質(zhì)分析，粉土各項指標(biāo)見表1。粉土標(biāo)貫擊數(shù)根據(jù)《淤泥粉沙質(zhì)海岸長航道疏浚關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用》[9]成果，黃驊港地區(qū)粉土標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為35 擊。

圖1 重力式柱狀取樣器Fig.1 Gravity column sampler

表1 黃驊港地區(qū)粉土指標(biāo)Table 1 The parameters of silty in Huanghua Port

從航道地質(zhì)勘探資料可知，粉土層分布于W0+000—W27+000 段，分布連續(xù)，厚度為2.50～4.60 m，平均厚度 3.7 m，W11+000 附近最厚（4.60 m），該層的底高程為-11.47～-12.75 m，平均底高程為-11.9 m；W27+000 以外沒有粉土層，表層為淤泥，底高程為-14.27～-14.45 m，厚度1.0～2.0 m；淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層分布于粉土層和淤泥層的下部，分布連續(xù)。

本工程土質(zhì)：開挖前期主要以粉土為主，開挖至一定深度后以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，淤泥質(zhì)土分布在W27+000 段以外，見圖2。

圖2 地質(zhì)剖面示意及粉土層分布圖Fig.2 Schematic of geological section and distribution of silt layer

本工程施工范圍：N1+000—W41+000。具體施工區(qū)域見圖3。

圖3 施工范圍Fig.3 Dredging scope

2）船舶主要參數(shù)

該船舶主要性能及設(shè)備參數(shù)見表2。

表2 航浚6008 輪主要參數(shù)Table 2 The main parameters of Hangjun 6008

航浚6008 采用威龍耙頭，耙頭布置雙排耙齒，每排26 個，耙齒上安裝高壓沖水噴嘴。

耙頭內(nèi)一共布置4 排高壓沖水噴嘴，兩排耙齒每個耙齒各安裝1 個，耙唇內(nèi)部1 排26 個，耐磨塊1 排25 個。高壓沖水系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有必要的液壓控制和手動控制蝶閥以控制流量，液壓蝶閥由駕駛室遠(yuǎn)程控制，當(dāng)為耙頭供水時，高壓沖水泵流量約為2 800 m3/h，壓力為0.9 MPa。

耙齒及高壓沖水噴嘴耙頭布置圖見圖4。

圖4 耙頭內(nèi)布置圖Fig.4 Layout of the dredgehead

3）施工難點

由于是單耙施工，挖泥過程中對船舶的拖曳作用會造成船舶產(chǎn)生較大的偏向力，給船舶操作帶來較大困難。因此，在施工中需要將左右主機功率進(jìn)行適當(dāng)分配并調(diào)整，降低船舶在挖泥作業(yè)過程中產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩對施工操作帶來的影響。

2 施工方法及施工參數(shù)

2.1 施工方法

采用耙吸挖泥船典型的裝艙工藝，施工時采用裝艙溢流法、直線浚挖法、分帶、分層法，將疏浚土運至拋泥區(qū)拋卸。

2.2 施工工藝流程及參數(shù)

開始施工后首先對施工區(qū)段進(jìn)行了典型施工，開展船舶效率測試工作，主要對耙齒類型、高壓沖水開啟和關(guān)閉狀態(tài)、波浪補償器壓力和施工航速等參數(shù)在不同狀態(tài)下的施工效果進(jìn)行記錄、對比分析，提取各參數(shù)組合下達(dá)到的最佳施工狀態(tài)，確定施工方案，提高施工效率。

本次施工中選取高壓沖水壓力P、波浪補償器壓力P′、施工航速V 3 種施工中可調(diào)范圍較大且對施工效率存在明顯影響的設(shè)備參數(shù)作為施工效率測試參數(shù)。根據(jù)船舶設(shè)備性能及施工工況，設(shè)定3 種參數(shù)選取的數(shù)值：高壓沖水壓力3 組P1、P2、P3，波浪補償器壓力 3 組 P′1、P′2、P′3，施工航速3 組V1、V2、V3，并采取多因素分析方法表格設(shè)定每一施工船次設(shè)備參數(shù)設(shè)定值，利用船舶疏浚監(jiān)控系統(tǒng)自動記錄施工過程設(shè)備數(shù)據(jù)及進(jìn)艙濃度，統(tǒng)計每一組次挖泥過程平均進(jìn)艙濃度值作為施工效率評價指標(biāo)，組次及濃度指標(biāo)見表3。

綜上分析可知，3 個影響施工效率的參數(shù)重要程度排序為：高壓沖水壓力＞航速＞波浪補償器壓力。最佳施工工藝參數(shù)為：開啟高壓沖水、壓力為0.7 MPa，施工航速3.0～3.5 kn，波浪補償器壓力對施工效果影響不明顯，出于施工安全的角度考慮將參數(shù)設(shè)置為3.8 MPa。此外，通過液壓系統(tǒng)控制耙唇活動罩水平角度在20°～30°之間，保證耙唇與泥面貼合，耙齒采用前排尖齒后排平齒的組合，控制挖深15.2 m。

表3 多因素敏感性分析表Table 3 The analysis of multi-factor sensitivity

3 施工效果分析

3.1 施工效率

1）施工區(qū)段

航浚6008 施工區(qū)段分布于航道W11—W27之間（見圖2），每次施工區(qū)段長度定為3～4 km，運距14～24 km。采用裝艙溢流法施工，由于挖泥過程進(jìn)艙濃度較差，因此適當(dāng)增加船舶溢流時間。

2）施工效率計算

由于施工區(qū)段不固定，船舶施工期間與拋泥區(qū)運距差異較大，施工周期亦相差較大，采用完整的施工周期計算船舶施工效率無法真實反映船舶的實際施工效率，而挖泥時間與施工船舶的裝載量有直接關(guān)系。因此，采用船舶完成工程量與挖泥時間之比作為施工船舶的生產(chǎn)效率。因神華黃驊港地區(qū)大風(fēng)回淤頻發(fā)，經(jīng)常性出現(xiàn)大規(guī)?；赜賹?dǎo)致下方無法準(zhǔn)確計量，本文采用二期未出現(xiàn)6 級以上大風(fēng)的測圖期間的下方量作為船舶實際完成工程量。

根據(jù)該輪在神華黃驊港施工期間歷次測圖計算各測圖周期的下方量，結(jié)合船舶實際挖泥時間計算船舶生產(chǎn)效率。

根據(jù)表4，該船舶在同一區(qū)段不同時間周期內(nèi)施工效率變化較大。尤其是在09-15—09-26期間，采取裝艙后溢流時間延長的施工方法，施工效率明顯降低，由此可見單純挖泥時間并利用溢流的方法增加航道水深的方式并不適合該工程。

表4 挖泥效率Table 4 The dredging efficiency

3.2 施工質(zhì)量

以8 月27 日測圖與9 月6 日測圖為例，對該船舶施工區(qū)段水深、淺點數(shù)量、平整度進(jìn)行統(tǒng)計，分析船舶的施工質(zhì)量，兩期測圖水深斷面對比及施工質(zhì)量分別見圖5 和表5。

圖5 施工區(qū)段水深斷面圖Fig.5 Water depth section of construction section

表5 施工質(zhì)量Table 5 The dredging quality

根據(jù)圖中水深斷面曲線顯示，施工后的航道底槽平整度較差，局部出現(xiàn)壟溝，主要由于該船舶為單耙施工，操作難度大。相比雙耙耙吸船，單耙耙吸挖泥船在施工質(zhì)量控制上需要采取更加有針對性的措施：

1）船舶走線應(yīng)按照計劃布線，避免在同一位置重復(fù)布線，做到布線均勻。

2）操耙手注重定深控制，注意耙頭姿態(tài)。

3）在施工環(huán)境允許條件下，開啟自動控制模式，由計算機算法自動調(diào)整耙臂姿態(tài)，減少人為操作的隨意性。

4 結(jié)語

通過對國內(nèi)較為典型的單耙耙吸式挖泥船在神華黃驊港地區(qū)的施工工藝和施工效果分析，給出了單耙耙吸式挖泥船粉土疏浚施工在該工況條件下的施工工藝流程和參數(shù)確定方式、提高施工效率應(yīng)改進(jìn)的方向：

1）施工船舶首先通過效率測試確定典型施工工藝參數(shù)，其中對粉土施工效率影響最大的參數(shù)是高壓沖水壓力。

2）過度提高挖泥時間并不能明顯提高施工區(qū)段生產(chǎn)效率，不利于航道水深的增加，施工船舶應(yīng)當(dāng)通過一段時間的數(shù)據(jù)積累，按照施工船舶運轉(zhuǎn)周期內(nèi)最大施工效率確定最佳裝艙時間。

3）施工過程應(yīng)特別注意施工平整度的控制，單耙耙吸式挖泥船施工操作難度較高，較容易出現(xiàn)局部漏挖現(xiàn)象。

4）單耙耙吸式挖泥船在國內(nèi)使用經(jīng)驗較少，需要在施工中逐漸積累在不同土質(zhì)條件下的施工效率，確定最適合的土質(zhì)。