◎ 羅凱 樂星華 江西省路港工程有限公司

對(duì)于沿河地區(qū)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(jīng)濟(jì)、高效地將更遠(yuǎn)水域疏浚土轉(zhuǎn)移上岸造陸便成為人們更為關(guān)注的方向。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷增強(qiáng)，耙吸挖泥船從離岸深水區(qū)取砂，運(yùn)至近岸區(qū)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(yùn)輸距離長，吹距遠(yuǎn)等問題[1]，為此，必須借助大型耙吸船，同時(shí)對(duì)船機(jī)設(shè)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(zhì)中中砂和粗砂各占2 3%和6 9%；吹距1.7～4.5km。航道港區(qū)經(jīng)過數(shù)年的圈圍造地，吹填土源日益緊張，在吹填工程初設(shè)階段，因圍堤前取土區(qū)距離南槽航道距離過近，在圈圍過程中，會(huì)對(duì)堤前灘地造成沖刷，故絞吸船就近取土吹填方案無法實(shí)施。在主管部門及專家多方協(xié)商論證的基礎(chǔ)上，決定結(jié)合南槽航道疏浚及北槽深水航道維護(hù)疏浚工程實(shí)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(shù)；通過快速接管實(shí)現(xiàn)不停泵艏吹接管作業(yè)，保證平整度，降低后期吹填區(qū)平整工程量；通過優(yōu)化施工進(jìn)度方案和管線布置，提升高強(qiáng)度艏吹施工過程的可靠性。

2.施工參數(shù)確定

通過理論研究發(fā)現(xiàn)，泥漿流速與臨界流速相同時(shí)管線阻力最?。蝗绻酀{泵在最高效率點(diǎn)上運(yùn)行，則耙吸船艏吹施工效率最高，經(jīng)濟(jì)性也最好。為此，必須準(zhǔn)確計(jì)算管線摩阻與臨界流速。耙吸船艏吹施工對(duì)管線穩(wěn)定性及保證率有較高要求，故還應(yīng)展開管線受力計(jì)算，對(duì)錨定方案進(jìn)行優(yōu)化。由于中粗砂流動(dòng)性不良，耙吸船艏吹施工采用初平及后整平的結(jié)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(guān)鍵參數(shù)之一，在方案設(shè)計(jì)階段必須展開不同粒徑中粗砂臨界流速及最低實(shí)用流速計(jì)算。粒徑均值在0.05mm以上的土體顆粒臨界流速計(jì)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(shí)用流速（m/s）；Kv為土體顆粒流速相關(guān)系數(shù)，中粗砂取1.25；其余參數(shù)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(guān)。管線摩阻損失通常通過Durand公式計(jì)算，該公式涉及土體顆粒類型、流動(dòng)條件等參數(shù)，表示如下：

式中：mλ為泥漿輸送過程中管線沿程阻力系數(shù)；wλ為清水輸送時(shí)管線沿程阻力系數(shù)；KD為試驗(yàn)系數(shù)，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(shù)含義同前。

Dura nd公式以重力理論為基礎(chǔ)，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(fù)合流形成前的推移質(zhì)或躍移質(zhì)階段，泥漿中固體粗顆粒大多處于非懸浮狀態(tài)，應(yīng)用Durand公式的計(jì)算結(jié)果顯然偏大，必須按下式進(jìn)行系數(shù)修正[3]：

式中：d50為土體顆粒中值粒徑（mm）；其余參數(shù)同前。

2.3 管線輸送系統(tǒng)

耙吸挖泥船艏吹施工過程中管線輸送系統(tǒng)主要涉及可輸送顆粒粒徑、泥漿濃度、管徑、排距等參數(shù)。隨著泥漿濃度的增大，額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行且功率富余的泥漿泵所提供的水頭呈持續(xù)增大趨勢，管線水頭損失也不斷增大。當(dāng)泥漿濃度、管徑、排距等參數(shù)取值均既定時(shí)，輸送系統(tǒng)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(diǎn)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(tǒng)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(yáng)程等參數(shù)的限制。為避免泥泵發(fā)生空蝕，泥漿泵實(shí)際凈正吸入揚(yáng)程應(yīng)超出系統(tǒng)運(yùn)行所需要的凈正吸入揚(yáng)程；泥泵工作點(diǎn)流量比臨界流速對(duì)應(yīng)流量大，并按照5%～30%設(shè)定安全余量，防止出現(xiàn)堵管。

2.4 浮管錨定

耙吸船艏吹施工過程受波浪、風(fēng)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(xué)合理的錨定方式。具體而言，通過Morison公式計(jì)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(shù)，取1.0；其余參數(shù)同前。

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

3.艏吹施工要點(diǎn)

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(shí)，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(tài)；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(dòng)絞車，通過絞動(dòng)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(yīng)控制在10mm以內(nèi)，并關(guān)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(chǔ)上結(jié)合艏吹站所在區(qū)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(gòu)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(jié)合該工程所在航道實(shí)際，艏吹站應(yīng)設(shè)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(jìn)行艏吹站及臨時(shí)航道開挖。

3.3 吹填管線布設(shè)

檢查各類吹填設(shè)備配置情況及性能，調(diào)整耙吸船挖泥模式以做好吹填準(zhǔn)備；安排當(dāng)班駕駛員根據(jù)耙吸挖泥船與吹填區(qū)的實(shí)際距離，通過船艏部管線人員做好拋錨、接線準(zhǔn)備。水上自浮管的長度必須確定合適，自浮管兩側(cè)定位錨同時(shí)下置，以避免因風(fēng)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(tǒng)將水上浮管接頭位置標(biāo)示于定位儀顯示器上，結(jié)合耙吸挖泥船操作特性，在與接頭點(diǎn)相距200m處將船舶航行速度降至3.0m/s內(nèi)。港池艏吹施工只考慮風(fēng)力、風(fēng)向?qū)Υ暗挠绊懀绷鞯挠绊懣珊雎圆挥?jì)。對(duì)于艏吹接口處而言，在右側(cè)來風(fēng)的情況下，船舶應(yīng)進(jìn)行右錨；左側(cè)來風(fēng)時(shí)應(yīng)左錨；下錨處與延長線的距離隨風(fēng)力的增大而增大。結(jié)合氣象預(yù)測，施工期間該工程區(qū)風(fēng)力在4～6級(jí)之間，下錨處與管線延長線的距離應(yīng)按40～80m確定。

3.5 吹填

艏吹前應(yīng)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(jié)合土質(zhì)情況及吹距選定泥泵工作模式，啟動(dòng)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(diào)至并聯(lián)啟動(dòng)模式，開啟稀釋蝶閥，具體開啟數(shù)量根據(jù)土質(zhì)情況及艙內(nèi)余水確定。

開啟抽艙閥，并將首組泥門開啟15%，緩緩關(guān)閉泥泵吸口閥，并避免泥沙流出進(jìn)水閥。以上過程中泥泵真空值由正轉(zhuǎn)負(fù)，但負(fù)值不得超出-0.2bar；在泥泵扭矩比泥泵滿負(fù)荷扭矩小的狀態(tài)下緩慢關(guān)閉吸口閥。抽艙泥門開放過早、開幅過大均會(huì)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(huì)降低泥漿濃度，增大流速，降低泥泵工效。為此，應(yīng)加強(qiáng)抽艙泥門開放時(shí)間及開度控制，確保泥泵高效運(yùn)行。

從最前組開始開關(guān)抽艙泥門，若需進(jìn)行二次抽艙，則應(yīng)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(jié)束后開啟進(jìn)水閥，關(guān)停高壓沖水泵，關(guān)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(zhuǎn)速降至設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的10%，等轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后關(guān)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(shè)計(jì)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(cè)區(qū)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(yùn)行參數(shù)展開對(duì)比，具體見表1。根據(jù)表中結(jié)果，在氣候條件、通航情況等差別不大的相同時(shí)間段內(nèi)，艏吹施工作業(yè)時(shí)間、時(shí)利率及生產(chǎn)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(yùn)行參數(shù)對(duì)比

4.2 年生產(chǎn)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(jì)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(yùn)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(zhuǎn)頭時(shí)間（h）；T1為艏吹施工期間轉(zhuǎn)頭時(shí)間（h）；T2、T3為艏吹施工期間接、卸卡管線時(shí)間（h）；T4為艏吹施工期間吹填作業(yè)時(shí)間（h）。

根據(jù)該港口圈圍工程自航式耙吸挖泥船運(yùn)行工況展開外拋疏浚和艏吹施工年生產(chǎn)能力測算。其中，小修和航修時(shí)間按870h確定，物料補(bǔ)給及氣象原因影響時(shí)間分別為100h和180h，外拋及艏吹避讓時(shí)間分別為980h和300h；外拋及艏吹平均生產(chǎn)率依次為616m3/h和798m3/h。據(jù)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(dá)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(yùn)行成本由可變成本（如燃油費(fèi)、材料費(fèi)、運(yùn)維費(fèi)、配件費(fèi)等）和不變成本（如折舊費(fèi)、排污費(fèi)、水費(fèi)等）組成。根據(jù)對(duì)船舶運(yùn)行情況的調(diào)查，可以得出具體施工區(qū)段外拋施工和艏吹施工年運(yùn)行成本分別為7255.34×104元和7751.65×104元。結(jié)合不同施工方式運(yùn)行實(shí)際，外拋施工能力為407×104m3，施工產(chǎn)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(chǎn)值8684×104元，年盈利額932.35×104元。經(jīng)濟(jì)效益明顯高出外拋施工。

5.結(jié)論

綜上所述，通過準(zhǔn)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(shù)取值，為耙吸挖泥船艏吹施工過程控制提供了指導(dǎo)；通過大型耙吸船艏吹工效分析，確定出不同吹距泥泵轉(zhuǎn)速組合施工方案；通過分區(qū)施工方案細(xì)化及艏吹管線布置的優(yōu)化，提出快速接管及吹填區(qū)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(xù)性和可靠性得以提升。施工結(jié)果表明，應(yīng)用耙吸挖泥船艏吹工藝，能將距離岸坡更遠(yuǎn)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(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染問題；應(yīng)用耙吸挖泥船自身泥泵輸送泥土，無需配備過多的輔助設(shè)備，在吹距滿足耙吸挖船泥泵輸送能力的基礎(chǔ)上，只用鋪設(shè)1根吹填管線，并配備1艘接管交通船即可，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)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(yuǎn)距離取土造地的主要形式。