港口工程中自航耙吸船艏吹施工技術的應用

◎ 羅凱 樂星華 江西省路港工程有限公司

對于沿河地區圈圍造地工程，吹填造陸大多通過絞吸船開挖取土，借助管線將疏浚土吹填上岸，但近岸水域可利用土源較少，難以滿足造陸用土需要。如何經濟、高效地將更遠水域疏浚土轉移上岸造陸便成為人們更為關注的方向。隨著人們環境保護意識的不斷增強，耙吸挖泥船從離岸深水區取砂，運至近岸區后接管艏吹造陸的情況日益多見。深水取砂過程面臨水深浪高，砂土粒徑粗，運輸距離長，吹距遠等問題[1]，為此，必須借助大型耙吸船，同時對船機設備、管線配置、臨界流速等也提出較高要求。

1.工程概況

某 港 口 吹 填 工 程 量 為3 41×104m3，中粗砂土質中中砂和粗砂各占2 3%和6 9%；吹距1.7～4.5km。航道港區經過數年的圈圍造地，吹填土源日益緊張，在吹填工程初設階段，因圍堤前取土區距離南槽航道距離過近，在圈圍過程中，會對堤前灘地造成沖刷，故絞吸船就近取土吹填方案無法實施。在主管部門及專家多方協商論證的基礎上，決定結合南槽航道疏浚及北槽深水航道維護疏浚工程實際，將航道疏浚土直接艏吹上岸。

為保障安全及高效的艏吹施工效率，必須測算出耙吸挖泥船最佳工藝參數；通過快速接管實現不停泵艏吹接管作業，保證平整度，降低后期吹填區平整工程量；通過優化施工進度方案和管線布置，提升高強度艏吹施工過程的可靠性。

2.施工參數確定

通過理論研究發現，泥漿流速與臨界流速相同時管線阻力最??；如果泥漿泵在最高效率點上運行，則耙吸船艏吹施工效率最高，經濟性也最好。為此，必須準確計算管線摩阻與臨界流速。耙吸船艏吹施工對管線穩定性及保證率有較高要求，故還應展開管線受力計算，對錨定方案進行優化。由于中粗砂流動性不良，耙吸船艏吹施工采用初平及后整平的結合方案[2]。

2.1 臨界流速

臨界流速是耙吸挖泥船艏吹管線水力輸送的關鍵參數之一，在方案設計階段必須展開不同粒徑中粗砂臨界流速及最低實用流速計算。粒徑均值在0.05mm以上的土體顆粒臨界流速計算公式如下：

式中：vc為泥漿臨界流速值（m/s）；C為土體顆粒體積濃度（%）；g為重力加速度（m/s2）；D為艏吹管徑（m）；vss為土體顆粒沉降速度（m/s）；ds為土體顆粒粒徑均值（m）。

式中：vp為最低實用流速（m/s）；Kv為土體顆粒流速相關系數，中粗砂取1.25；其余參數含義同前。

2.2 管線摩阻損失

該取值與艏吹管線輸送效率及能耗直接相關。管線摩阻損失通常通過Durand公式計算，該公式涉及土體顆粒類型、流動條件等參數，表示如下：

式中：mλ為泥漿輸送過程中管線沿程阻力系數；wλ為清水輸送時管線沿程阻力系數；KD為試驗系數，中粗砂取121；ρs為土體顆粒密度（kg/m3）；ds為土體顆粒粒徑均值（mm）；sγ為土粒重度（N/m3）；v為管線泥漿流速均值（m/s）；其余參數含義同前。

Dura nd公式以重力理論為基礎，固體顆粒加入后為維持顆粒懸浮，所消耗的能量比輸送清水更多，消耗的懸浮功也更大。在復合流形成前的推移質或躍移質階段，泥漿中固體粗顆粒大多處于非懸浮狀態，應用Durand公式的計算結果顯然偏大，必須按下式進行系數修正[3]：

式中：d50為土體顆粒中值粒徑（mm）；其余參數同前。

2.3 管線輸送系統

耙吸挖泥船艏吹施工過程中管線輸送系統主要涉及可輸送顆粒粒徑、泥漿濃度、管徑、排距等參數。隨著泥漿濃度的增大，額定轉速下運行且功率富余的泥漿泵所提供的水頭呈持續增大趨勢，管線水頭損失也不斷增大。當泥漿濃度、管徑、排距等參數取值均既定時，輸送系統管線水頭損失將隨顆粒粒徑增大而增大，泥泵所提供水頭不增反降。在泥漿濃度、顆粒粒徑、輸送速度均不變的情況下，工作點流量隨管線管徑的增大而增大，艏吹施工工效大幅提升。

艏吹管線輸送系統工作范圍及輸送流量下限和上限主要受臨界流速、凈正吸入揚程等參數的限制。為避免泥泵發生空蝕，泥漿泵實際凈正吸入揚程應超出系統運行所需要的凈正吸入揚程；泥泵工作點流量比臨界流速對應流量大，并按照5%～30%設定安全余量，防止出現堵管。

2.4 浮管錨定

耙吸船艏吹施工過程受波浪、風載荷的影響較大，為保證安全，必須展開受力分析，確定出科學合理的錨定方式。具體而言，通過Morison公式計算浮管所承受流荷載[4]：

式中：Fc為浮管所承受的流荷載（kN）；ρ為水體密度（kg/m3）；A為受流面積（m2）；CD為拖曳力系數，取1.0；其余參數同前。

該自航式耙吸挖泥船艏吹中粗砂施工時，因吹填區面積大，中粗砂流動性差，無法展開集中性吹填再通過機械二次倒運整平的方案，故該工程艏吹施工采用初平、后整平的結合方案。

3.艏吹施工要點

3.1 吹填接管

接吹管線配件包括船艏接頭、浮管接頭、連接件等。連接時，先使接頭和浮管管線均浮于水面，通過抗磨鋼絲將接頭與小艇接固；檢查并確保施工船艏接頭液壓鎖定裝置處于開啟狀態；將施工船艏絞車鋼絲繩下放至小艇處；連接浮管接頭和船艏接頭后撤離小艇，啟動絞車，通過絞動浮管管系使浮管緩慢升高；提升公頭后與母頭密貼，啟停絞車。接頭間隙應控制在10mm以內，并關閉液壓鎖銷；保證水上接頭垂直于船上接口。

3.2 建立艏吹站

自航式耙吸船艏吹通過艏艉錨方式固定船位，即在船舶操縱安全的基礎上結合艏吹站所在區位水流流速及流向確定船位?？紤]該港口工程耙吸挖泥船大小、施工工期等因素，共構建2座平面尺寸600m×350m的半橢圓形基坑艏吹站。艏吹站開挖前，通過測深儀測量艏吹站水深是否滿足自航式耙吸挖泥船滿載吃水。結合該工程所在航道實際，艏吹站應設置在堤前500m以外；但大堤前灘水深淺，不具備艏吹條件，故前期投入2艘絞吸挖泥船進行艏吹站及臨時航道開挖。

3.3 吹填管線布設

檢查各類吹填設備配置情況及性能，調整耙吸船挖泥模式以做好吹填準備；安排當班駕駛員根據耙吸挖泥船與吹填區的實際距離，通過船艏部管線人員做好拋錨、接線準備。水上自浮管的長度必須確定合適，自浮管兩側定位錨同時下置，以避免因風浪等原因造成自浮管偏移。

3.4 接管及下錨

駕駛員通過DGPS定位系統將水上浮管接頭位置標示于定位儀顯示器上，結合耙吸挖泥船操作特性，在與接頭點相距200m處將船舶航行速度降至3.0m/s內。港池艏吹施工只考慮風力、風向對船舶的影響，潮流的影響可忽略不計。對于艏吹接口處而言，在右側來風的情況下，船舶應進行右錨；左側來風時應左錨；下錨處與延長線的距離隨風力的增大而增大。結合氣象預測，施工期間該工程區風力在4～6級之間，下錨處與管線延長線的距離應按40～80m確定。

3.5 吹填

艏吹前應再次檢查閘閥沖砂泵、泥泵封水泵、液壓泵性能。具體而言，打開吹岸路徑以檢查泥泵的適用性；在吹岸路徑下開啟高壓沖水泵以檢查沖水泵性能。輸入砂土顆粒直徑、排泥管直徑及長度，待接好艏吹接頭后起泵。

結合土質情況及吹距選定泥泵工作模式，啟動泥泵后觀測清水流速，以判斷泥泵工作模式是否適用。將高壓沖水泵調至并聯啟動模式，開啟稀釋蝶閥，具體開啟數量根據土質情況及艙內余水確定。

開啟抽艙閥，并將首組泥門開啟15%，緩緩關閉泥泵吸口閥，并避免泥沙流出進水閥。以上過程中泥泵真空值由正轉負，但負值不得超出-0.2bar；在泥泵扭矩比泥泵滿負荷扭矩小的狀態下緩慢關閉吸口閥。抽艙泥門開放過早、開幅過大均會增大泥漿濃度、減緩流速，降低扭矩、排壓及泥泵功率；相反，抽艙泥門開放過晚、開幅過小則會降低泥漿濃度，增大流速，降低泥泵工效。為此，應加強抽艙泥門開放時間及開度控制，確保泥泵高效運行。

從最前組開始開關抽艙泥門，若需進行二次抽艙，則應保持最末組抽艙泥門不抽，直接從最前組泥門開始重新抽艙。吹填結束后開啟進水閥，關停高壓沖水泵，關閉泥門。待濃度充分降低后開啟吸口閥，并安排管頭過清水。待管線出泥口有清水流出后，將左右泥泵轉速降至設計轉速的10%，等轉速穩定后關停左右泥泵。

4.艏吹效率測算

該港口圈圍工程疏浚土艏吹施工需所配置的耙吸挖泥船長113.8m，型寬22m，型深7.8m，設計航行速度為14.5km/h，最大最小艙容為5800m3和3500m3，最大挖深26m；平均滿載吃水6.9m?？倗嵨缓洼d重噸位分別為6820t和6385t。

4.1 工效比較

2020年5月耙吸挖泥船在該航道北側區展開艏吹施工，為展開艏吹與外拋施工工效的比較，將2019年5～8月外拋施工與2020年5～8月艏吹施工運行參數展開對比，具體見表1。根據表中結果，在氣候條件、通航情況等差別不大的相同時間段內，艏吹施工作業時間、時利率及生產率分別比外拋施工高出214h、9%、178m3/h。

表1 外拋施工與艏吹施工運行參數對比

4.2 年生產能力比較

疏浚土外拋施工工效和艏吹施工工效分別按下式計算：

式中：W1、W2為外拋施工和艏吹施工下耙吸挖泥船工作效率（m3/h）；Q為裝艙土方量（m3）；L1為施工段拋泥運輸距離均值（km）；V1為輕載及重載下航行速度均值（km/h）；L2為施工單元長度（km）；V2為挖泥航速均值（km/h）；T為拋泥施工期間轉頭時間（h）；T1為艏吹施工期間轉頭時間（h）；T2、T3為艏吹施工期間接、卸卡管線時間（h）；T4為艏吹施工期間吹填作業時間（h）。

根據該港口圈圍工程自航式耙吸挖泥船運行工況展開外拋疏浚和艏吹施工年生產能力測算。其中，小修和航修時間按870h確定，物料補給及氣象原因影響時間分別為100h和180h，外拋及艏吹避讓時間分別為980h和300h；外拋及艏吹平均生產率依次為616m3/h和798m3/h。據此可以推算，自航式耙吸挖泥船全年外拋和艏吹施工能力分別達到4070960m3/a和5767950m3/a。在采用艏吹施工方式下全年疏浚量超出外拋施工1696990m3。

4.3 效益比較

自航式耙吸挖泥船運行成本由可變成本（如燃油費、材料費、運維費、配件費等）和不變成本（如折舊費、排污費、水費等）組成。根據對船舶運行情況的調查，可以得出具體施工區段外拋施工和艏吹施工年運行成本分別為7255.34×104元和7751.65×104元。結合不同施工方式運行實際，外拋施工能力為407×104m3，施工產值為6141×104元，年虧損額1114.34×104元；而艏吹施工能力為578×104m3，施工產值8684×104元，年盈利額932.35×104元。經濟效益明顯高出外拋施工。

5.結論

綜上所述，通過準確確定耙吸挖泥船艏吹中粗砂臨界流速、泥漿濃度、管線摩阻損失等參數取值，為耙吸挖泥船艏吹施工過程控制提供了指導；通過大型耙吸船艏吹工效分析，確定出不同吹距泥泵轉速組合施工方案；通過分區施工方案細化及艏吹管線布置的優化，提出快速接管及吹填區整平方案，使艏吹工藝更加完善，耙吸船艏吹中粗砂施工過程的連續性和可靠性得以提升。施工結果表明，應用耙吸挖泥船艏吹工藝，能將距離岸坡更遠水域的疏浚土用于造地，提升疏浚土綜合利用效果，艏吹過程中疏浚土不落地，不會產生環境污染問題；應用耙吸挖泥船自身泥泵輸送泥土，無需配備過多的輔助設備，在吹距滿足耙吸挖船泥泵輸送能力的基礎上，只用鋪設1根吹填管線，并配備1艘接管交通船即可，經濟效益和環境效益十分突出。自航式耙吸挖泥船艏吹疏浚必將成為港口航道遠距離取土造地的主要形式。