王曉萌

(中交(天津)疏浚工程有限公司，天津 300450)

1 工程概況

工程疏浚區(qū)位于呂四港環(huán)抱式港池西側(cè)，吹填區(qū)位于西港池北側(cè)，呂四港地理位置見圖1。

圖1 呂四港地理位置

新進絞吸船施工區(qū)設(shè)計底高程-11.5 m，邊坡1:5，超深0.4 m，為保持港池圍埝安全穩(wěn)定，圍埝側(cè)邊坡禁止超挖。吹填區(qū)呈梯形，長度為3.5 km，寬度為834 m，面積308萬m2。目前吹填區(qū)平均高程為7.1 m，設(shè)計吹填高程為9.0 m，納泥量約580萬m3。根據(jù)土質(zhì)勘察資料，在設(shè)計挖深以內(nèi)，擬定施工區(qū)的土質(zhì)自上而下主要分3層：①粉土、②1淤泥質(zhì)土與粉砂互層、②2粉質(zhì)黏土，按照《疏浚巖土分類標(biāo)準》[1]，各層土質(zhì)級別見表1。

表1 各層土質(zhì)級別

2 施工背景

2018-06-06安排3 500 m3/h絞吸船進行拆壩區(qū)施工，總工程量約80萬m3，其原始泥面高，部分區(qū)域泥面高度在2 m左右(按呂四理論最低潮面)，拆壩區(qū)雜物較多，主要包含拋石、水泥板、土工布以及鋼絲繩等。2018-06-16—2018-06-19期間，絞吸船在吸口安裝格柵進行施工時，受拆壩區(qū)雜物影響，船舶掏口34次、掏泵5次，最低時間利用率僅40%左右，較計劃嚴重滯后。經(jīng)研究決定分別試驗軟格柵、雙防石環(huán)以及防石板3種防雜裝置，并從挖掘、輸送以及時間利用率等方面展開分析[2]，研究各種防雜裝置的結(jié)構(gòu)特點、適用的土質(zhì)及雜物類型。

3 防雜裝置分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1.1雙防石環(huán)

雙防石環(huán)是焊接在絞刀內(nèi)部距吸泥口較近的環(huán)狀防石結(jié)構(gòu)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)又可分為單環(huán)和雙環(huán)防石環(huán)，其中雙環(huán)防石環(huán)是由兩個環(huán)狀結(jié)構(gòu)之間加焊圓鋼形成的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的防石環(huán)。

雙防石環(huán)具體尺寸可根據(jù)絞刀直徑利用相似三角形原理進行設(shè)計。例如，已知雙絞刀環(huán)直徑分別為1 710、1 200 mm，為保證一次安裝成型，利用相似三角形原理計算所得大環(huán)距離大圈高度260 mm，小環(huán)距離大圈高度為530 mm。其中大圈與絞刀錐體的間距為60 mm，小圈與絞刀錐體的間距為10～60 mm，該防石環(huán)過流通道最寬處為270 mm，可保證直徑≥270 mm的雜物無法通過防石環(huán)進入絞吸船的過流通道，而絞刀、泥泵過流通道最大寬度分別為385、340 mm，理論上不會發(fā)生堵口、堵泵現(xiàn)象，雙防石環(huán)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 雙防石環(huán)結(jié)構(gòu)

3.1.2軟格柵

軟格柵在絞刀吸口下沿采用掛鉤形式，上沿采用卡環(huán)形式，中間格柵使用鐵鏈，3 500 m3/h絞吸船絞刀口長度為1 800 mm，設(shè)置5組鐵鏈，鐵鏈間距為400 mm。鐵鏈下端掛在掛鉤上，上沿用卡環(huán)固定。當(dāng)雜物堵口后，將軟格柵卸掉與雜物同時掏出吸泥口，只需將備用軟格柵裝上后即可恢復(fù)施工，軟格柵結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 軟格柵結(jié)構(gòu)

3.1.3改進防石板絞刀

為了將大石塊擋在絞刀外，將鋼板焊在刀臂背面，形成刀臂防石板，而改進防石板是在原防石板絞刀的鋼板上加焊圓鋼以減小板間的孔隙。

以38DS型絞刀為例，改進防石板是在絞刀的每葉刀臂加裝5塊鋼板，當(dāng)?shù)侗坶L距為1 600 mm時，防石板與前一刀臂間隔為200～230 mm，該防石板過流通道最寬處為230 mm，可保證直徑≥230 mm的雜物無法通過防石環(huán)進入絞吸船的過流通道，而絞刀及泥泵過流通道最大寬度分別為385、340 mm，理論上不會發(fā)生堵口、堵泵現(xiàn)象，另外在絞刀第1圈和第3圈防石板上焊接圓鋼，改進防石板絞刀結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 改進防石板絞刀結(jié)構(gòu)

3.2 土質(zhì)與雜物類型分析

殘壩區(qū)域施工土質(zhì)主要為細粉砂，壩體結(jié)構(gòu)為充沙袋，固結(jié)較好，土質(zhì)較硬；雜物主要包括土工布、塊石、混凝土塊，另存在少量鋼絲繩、尼龍繩、木樁，具體性質(zhì)為：

1)土工布為機織布，抗拉強度較大，為8 kN/m，纏繞防雜裝置、絞刀，撕扯破壞難度大，清理困難。

2)混凝土碎塊、塊石粒徑為50～460 mm，抗壓強度為30 MPa，施工船舶無法將其破碎，且絞刀口徑為385 mm、泥泵流道寬度為340 mm，部分塊石粒徑大于絞刀口徑及泥泵流道寬度，極易造成堵口、堵泵，并且造成防雜裝置損壞。

3)鋼絲繩、尼龍繩主要在絞刀和防雜裝置上纏繞，清理困難。

3.3 各類防石裝置的優(yōu)缺點

根據(jù)各類防石設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，可以分析出相應(yīng)的防雜原理以及優(yōu)缺點，見表2。

表2 各類防雜裝置對比

3.4 各類防石裝置施工參數(shù)分析

3.4.1防石裝置局部阻力系數(shù)

根據(jù)文獻[3]可得出各種防雜裝置的局部阻力系數(shù)，見表3。

表3 防雜裝置局部阻力系數(shù)

3.4.2施工吸入真空

根據(jù)天禹船的施工數(shù)據(jù)可以得出軟格柵、雙防石環(huán)、防石板的真空壓力，見圖5。

由圖5a)可知，天禹船在使用軟格柵和雙防石環(huán)時，水下泵吸入真空值較大，平均在-80～-70 kPa，吸入阻力大，出現(xiàn)較多悶口現(xiàn)象；由圖5b)可知，天禹船在使用防石板時，水下泵吸入真空值較小，平均為50 kPa，較雙防石環(huán)明顯下降，吸入阻力降低，極少發(fā)生悶口現(xiàn)象。

圖5 真空壓力

根據(jù)防雜裝置真空壓力得出，相對于雙防石環(huán)和軟格柵，防石板真空壓力最小，絞刀悶口發(fā)生頻率較少。

3.4.3施工挖掘分析

根據(jù)天禹船施工數(shù)據(jù)可以得出使用軟格柵、雙防石環(huán)、防石板的絞刀壓力與轉(zhuǎn)速關(guān)系，見圖6。

圖6 絞刀壓力與絞刀轉(zhuǎn)速散點圖

由圖6可看出，使用軟格柵和雙防石環(huán)時，船舶絞刀壓力大部分集中在8～12 MPa，波動較?。皇褂梅朗鍟r，船舶絞刀壓力大部分集中在8～17 MPa，壓力較高且波動較大。其主要原因是相對于格柵和防石環(huán)，防石板增大絞刀的受力面積，會引起刀具表面正壓力上升[4]，可以得出：防石板相對于軟格柵和雙防石環(huán)絞刀阻力大，不利于挖掘，但絞刀壓力在作業(yè)允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

1)從絞吸船挖掘及輸送的角度，在施工雜物區(qū)時，使用軟格柵以及雙防石環(huán)比防石板更有利于減小絞刀阻力，適用于挖掘中密和密實性土，而防石板適用于挖掘松散砂及流動性淤泥等高流動性、密實性較小的土質(zhì)；另外相對于軟格柵以及雙防石環(huán)，防石板吸口局部水力損失小，更有利于土質(zhì)的吸入，提高船舶輸送產(chǎn)能，減小施工土質(zhì)殘留，質(zhì)量易保證。

2)3 500 m3/h絞吸船在塊石、混凝土塊雜物區(qū)施工時，防石板過流通道較雙防石環(huán)小40 mm，且防石鋼板外伸于絞刀壁，更有利于撥石、防止塊石堵住絞吸船的過流通道，防石板絞刀為最優(yōu)的防雜裝置。根據(jù)呂四港西港池疏浚工程絞吸船在塊石集中區(qū)的施工統(tǒng)計，使用防石板比防石環(huán)的平均時間利用率可提高34%。

3)3 500 m3/h絞吸船在漁網(wǎng)、鋼絲繩雜物區(qū)施工時，軟格柵為最優(yōu)防雜裝置，由于其具有易拆卸的特點，每次清理雜物可減少約40 min。在呂四港西港池疏浚工程中，絞吸船由于鋼絲繩堵口最多達4次，故使用軟格柵時間利用率可提高11.1%。