鄭齊宏

(中交上海航道局有限公司中港疏浚有限公司,上海)

前言

在全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中，航運(yùn)事業(yè)進(jìn)入高峰期，為貨物運(yùn)輸流通、經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了充足動(dòng)力。航道疏浚工程是航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展基石，耙吸式挖泥船在航道疏浚工程中被大量運(yùn)用，承擔(dān)著極其重要的歷史使命。愈發(fā)復(fù)雜的航道疏浚作業(yè)情況，要求耙吸式挖泥船操作手持續(xù)優(yōu)化作業(yè)方法。因此，探討航道疏浚工程中耙吸式挖泥施工內(nèi)容具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

1 灌河口航道疏浚工程

灌河口5 萬(wàn)噸級(jí)航道整治工程航道疏浚工程（以下簡(jiǎn)稱灌河口工程）位于江蘇省鹽城市北部、連云港市南端的灌河口，與長(zhǎng)江口相距450 km，與連云港相距40 km。灌河口工程由通絡(luò)馬湖發(fā)源，為蘇北最大入海潮汐河流，干流全長(zhǎng)174.5 km，水深7 m～11 m，流域面積在8 000 km2左右。從疏浚地質(zhì)來(lái)看，工程河床地質(zhì)為粉土夾雜粉質(zhì)黏土、粉砂，平均濃度為1.25 t/m3，極易磨損靶齒、疏浚管路。

灌河口工程作業(yè)端水域無(wú)遮擋物，主要受風(fēng)浪干擾，如六級(jí)以上大風(fēng)、臺(tái)風(fēng)、寒潮（每年11 月到次年3月）等。每年4 月～6 月為最佳疏浚操作時(shí)期，全年可作業(yè)天數(shù)占全部天數(shù)的75%±5%左右。

2 灌河口航道疏浚工程中的關(guān)鍵施工技術(shù)流程

灌河口工程主要施工技術(shù)為耙吸船、絞吸船聯(lián)合拋吹方法，主要作業(yè)流程見(jiàn)圖1。

圖1 灌河口工程主要施工技術(shù)流程

由圖1 可知，灌河口工程主要施工技術(shù)為耙吸船挖泥、運(yùn)泥、拋泥后聯(lián)合絞吸船拋吹[1]。首先，作業(yè)者需要驅(qū)動(dòng)耙吸船、絞吸船分別進(jìn)入疏浚點(diǎn)、臨時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)（具備拋坑條件），再驅(qū)動(dòng)耙吸船挖泥、拋泥，最終聯(lián)合耙吸船、絞吸船在陸上納泥區(qū)（已布設(shè)標(biāo)高桿）吹填。整個(gè)過(guò)程由3 艘耙吸船輪流作業(yè)，交替循環(huán)[2]。

2.1 耙吸船挖泥技術(shù)

在耙吸船挖泥技術(shù)應(yīng)用前，作業(yè)者需要將耙吸式挖泥船停放在待疏浚位置，調(diào)低耙吸式挖泥船行進(jìn)速度，向下放出耙頭。放下耙頭后，借助靶齒開(kāi)展機(jī)械切削，在機(jī)械切削的同時(shí)，沖刷高壓水，促使灌河口工程疏浚土液化。

灌河口工程疏浚土液化后，作業(yè)者可以控制耙吸式挖泥船泥泵吸取液化疏浚物并排入耙吸式挖泥船泥艙，循環(huán)作業(yè)，直到耙吸式挖泥船艙滿載（或達(dá)到經(jīng)濟(jì)裝載量），將耙吸式挖泥船行駛到指定臨時(shí)裝卸地點(diǎn)，經(jīng)吹填（或拋泥、艏噴、回填）等模式完成泥漿卸載。疏浚過(guò)程中，耙吸式挖泥船各部分之間的關(guān)系見(jiàn)圖2。圖2 中，ωdss為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速；Tp為當(dāng)前泥泵扭矩；Tsh為螺旋槳扭矩；φ 為舵角；ws為螺旋槳轉(zhuǎn)速；pi為吸入泥漿密度；av為補(bǔ)水窗；Qi為耙頭吸入流量；mt為耙吸式挖泥船艙呃逆泥漿混合物總質(zhì)量；vt為齒輪箱減速；ho為泥泵管線混合物深度；hz為疏浚深度；wp為泥泵轉(zhuǎn)速；hd為耙吸式挖泥船吃水；vsh為耙吸式挖泥船航速。由圖2 可知，疏浚期間，耙吸式挖泥船疏浚系統(tǒng)中動(dòng)力模型、船舶運(yùn)動(dòng)模型、泥泵-管線模型、耙頭挖掘模型、泥漿沉積模型相互作用，作業(yè)者應(yīng)根據(jù)各部分之間關(guān)系合理調(diào)整參數(shù)，確保耙吸式挖泥操作順利進(jìn)行[3]。

圖2 耙吸式挖泥船各部分之間的關(guān)系

2.2 絞吸船拋吹技術(shù)

絞吸船拋吹技術(shù)是灌河口工程常用技術(shù)，本質(zhì)上是將疏浚泥砂運(yùn)輸?shù)酱靥顓^(qū)，完成疏浚泥土吹填造陸。絞吸船拋吹主要采用安裝于橋架端部的絞刀頭將挖掘的污染底泥、水混合成泥漿，再經(jīng)排泥管完成底泥排送，絞吸船排距需要達(dá)到1.5 km，最大挖掘?qū)挾刃枰_(dá)到24 m，最大挖掘深度需要達(dá)到10 m。絞吸船拋吹技術(shù)實(shí)施期間，需要以鋼樁圓心為位置劃定依據(jù)，經(jīng)船體兩側(cè)橫移錨擺動(dòng)挖泥。同時(shí)，依據(jù)遠(yuǎn)處挖掘近處吹填的原則，單一絞吸船與單一耙吸船對(duì)應(yīng)作業(yè)，挖泥關(guān)口位置設(shè)置泄水遠(yuǎn)端，一次性完成泥泵管道泥漿輸送與挖泥，滿足不同土質(zhì)疏浚作業(yè)要求。

在絞吸船操作期間，作業(yè)者應(yīng)借助絞吸船自帶GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)確定水位，并配合船上挖深感應(yīng)器、絞刀深度指示器、流量計(jì)，進(jìn)行挖泥深度的精準(zhǔn)控制。整個(gè)操作過(guò)程貫徹分階段、分層次、分條段的原則，相鄰2 條挖泥重疊寬度大于等于1 m，一次最大挖泥厚度小于等于0.2 m，先疏挖灌河口工程上層被污染底泥，再疏挖灌河口工程下層底泥[4]?？紤]到灌河口工程疏浚區(qū)存在雜質(zhì)較多，作業(yè)者應(yīng)密切關(guān)注水深、絞吸船吃水量，一旦水深（或絞吸船吃水量）變化幅度超出0.1 m，立即調(diào)整絞刀下放深度，并關(guān)注絞吸船配套設(shè)備狀態(tài)，避免設(shè)備破損。

3 灌河口航道疏浚工程中的關(guān)鍵施工技術(shù)質(zhì)量控制要點(diǎn)

3.1 選擇最佳裝艙溢流時(shí)間

從航道疏浚工程耙吸式挖泥操作過(guò)程來(lái)看，泥艙內(nèi)泥漿被泥泵吸入過(guò)程速率受泥砂形狀與密度、泥漿流速與流態(tài)、泥砂介質(zhì)與運(yùn)動(dòng)粘度等幾個(gè)方面因素干擾而無(wú)法完全沉積，并從溢流桶內(nèi)溢流而出，溢流損失計(jì)算公式如下

式中，W 為溢流損失；P裝艙為裝艙產(chǎn)量（m3/s）；P溢流為溢流產(chǎn)量（m3/s）；Tout為溢流濃度；Tin為裝艙濃度；Qout為溢流流量（m3/s）；Qin為裝艙流量（m3/s）。從疏浚過(guò)程來(lái)看，裝艙溢流見(jiàn)圖3。

圖3 裝艙溢流

圖3 中，ab 階段為裝艙階段，在這一階段泥艙內(nèi)進(jìn)入泥漿，土方量急劇增加，無(wú)溢流損失；bc 階段土方量隨時(shí)間延長(zhǎng)而不斷減少，溢流損失開(kāi)始出現(xiàn)并持續(xù)增加；cd 段土方不再增長(zhǎng)，溢流損失與疏?；旌衔镅b艙量相等。表明溢流損失控制最佳節(jié)點(diǎn)為bc 段，作業(yè)者應(yīng)根據(jù)航道疏?；旌衔锿临|(zhì)調(diào)整裝艙時(shí)間，避免裝艙時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而出現(xiàn)溢流增加問(wèn)題。裝艙時(shí)間與實(shí)際裝艙容量、裝載土方量具有一定關(guān)系[5]。其中實(shí)際裝載土方量為泥漿設(shè)計(jì)凈裝載量與泥艙內(nèi)沉淀泥砂平均密度的比，根據(jù)灌河口工程上層土質(zhì)為淤泥土，中間層為粘土，下層為細(xì)粉砂的特點(diǎn)，可以選擇的泥艙內(nèi)沉淀泥砂平均密度見(jiàn)表1。

表1 灌河口工程泥艙內(nèi)沉淀泥砂平均密度

根據(jù)表1，選定灌河口工程泥艙內(nèi)沉淀泥砂（為中間層粘土）平均密度為1.75 t/m3，設(shè)定水密度為1.025 t/m3，計(jì)算船載土方量為1 221～1 346 m3，航行與拋泥時(shí)間為30～35 min，裝艙與溢流時(shí)間為67～84 min。在這個(gè)基礎(chǔ)上，計(jì)算裝艙土方量、實(shí)際使用艙容比值，以一次疏浚挖泥操作循環(huán)時(shí)間為橫軸，以裝艙量為縱軸，得出裝艙溢流時(shí)間與裝艙量之間的關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 灌河口工程裝艙溢流時(shí)間與裝艙量之間的關(guān)系

圖4 中，AB 表示一次操作循環(huán)總時(shí)長(zhǎng)；OCD 表示裝艙土方量；OB 為最佳裝艙溢流時(shí)間；BD、OB 比值為操作小時(shí)生產(chǎn)率。根據(jù)圖3，作業(yè)者可以計(jì)算最佳裝艙溢流時(shí)間。代入灌河口工程已有數(shù)值，在船載土方量為1 246 m3時(shí)，最佳裝艙溢流時(shí)間為61 min。

3.2 優(yōu)化泥漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度

考慮到泥艙內(nèi)進(jìn)入泥砂流動(dòng)速度對(duì)裝艙溢流的影響，作業(yè)者可以將泥漿進(jìn)入泥艙速度假定為泥漿由裝艙口流出速度，結(jié)合泥泵轉(zhuǎn)動(dòng)速度與泥漿流動(dòng)速度正相關(guān)關(guān)系，從圖3 中裝艙初始階段ab 階段著手，借助全自動(dòng)疏浚軟件內(nèi)的泥泵尋優(yōu)功能，在最大產(chǎn)量模式或最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性模式下實(shí)時(shí)調(diào)整泥泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度，促使泥泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度與真空、流量等疏浚挖泥參數(shù)相適應(yīng)，增加泥漿沉淀效果[6]。在最大產(chǎn)量模式下，為最大程度發(fā)揮泥泵抽吸能力，作業(yè)者可以啟動(dòng)PID（比例-積分-微分）模糊算法，尋找特定土質(zhì)下恰當(dāng)?shù)哪啾米罡哌\(yùn)轉(zhuǎn)速度，依據(jù)當(dāng)前真空值尋找最佳泥泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度；在最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性模式下，作業(yè)者可以采用梯度下降法，以泥漿運(yùn)行高效區(qū)間為前提，自主尋優(yōu)（過(guò)程見(jiàn)圖5），探明油耗（燃油流量計(jì)測(cè)量數(shù)值）較低的最佳泥泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度，并借助泥漿濃度計(jì)、流量計(jì)進(jìn)行產(chǎn)量測(cè)量，確保灌河口工程挖泥環(huán)節(jié)經(jīng)濟(jì)性能最優(yōu)。

圖5 SPC 尋優(yōu)流程

由圖5 可知，在SPC（Statistical Process Control，統(tǒng)計(jì)工序控制）尋優(yōu)過(guò)程中，作業(yè)者可以提前控制耙吸船唇角度，選擇SPC 運(yùn)行模式，判定當(dāng)前泥漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度是否為零，若當(dāng)前泥漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度為零，則SPC 控制泥漿泵到初始泵速，反之則從當(dāng)前泥漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度開(kāi)始尋優(yōu)[7]。進(jìn)而讀取傳感器讀數(shù)，判定泥泵是否出現(xiàn)氣蝕，若出現(xiàn)氣蝕，則降低泥漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度，反之則選擇最大產(chǎn)量模式或最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性模式，輸出泵蘇，執(zhí)行動(dòng)作，再次讀取傳感器讀數(shù)，循環(huán)開(kāi)展，確保泥漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度處于最優(yōu)區(qū)間。

在實(shí)時(shí)調(diào)整泥漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度的基礎(chǔ)上，操作者可以面向裝艙管開(kāi)口位置，增設(shè)格柵框，對(duì)進(jìn)入艙內(nèi)泥泵進(jìn)行分流，降低進(jìn)入泥艙泥漿對(duì)艙內(nèi)已有疏浚物的干擾程度。

4 航道疏浚工程中的關(guān)鍵施工技術(shù)應(yīng)用效果

統(tǒng)計(jì)灌河口工程中同一航道疏浚區(qū)段、相同潮位、同一時(shí)間段下多船次挖泥數(shù)據(jù)，得出結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 灌河口工程挖泥效果

由表2 可知，灌河口工程挖泥效果較高，能耗較低，疏浚物在泥艙內(nèi)沉淀效果較佳，可以滿足航道疏浚作業(yè)要求。單純考慮油耗、能耗，對(duì)操作時(shí)間段灌河口工程挖泥經(jīng)濟(jì)效率與工程量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 灌河口工程能耗

表3 中，2～4 月挖泥方法為手動(dòng)挖泥，油耗在141.3 t～521.5 t 之間，萬(wàn)方能耗在14.13 t～22.48 t之間；5 月-7 月挖泥方法為智能SPC 挖泥，油耗在258 t～479.4 t 之間，萬(wàn)方能耗在11.41 t～14.33 t 之間。由表3 可知，在基于智能SPC 的耙吸船與絞吸船聯(lián)合拋吹模式下，功率浪費(fèi)量較少，可以實(shí)現(xiàn)航道高效低耗疏浚。

5 結(jié)論

綜上所述，耙吸式挖泥船較之傳統(tǒng)挖泥船作業(yè)性能更加優(yōu)異，可獨(dú)立智能完成挖、裝、卸等疏浚操作，且對(duì)風(fēng)力條件抵抗能力較強(qiáng)，有助于航道疏浚作業(yè)效率提升。因此，作業(yè)者應(yīng)借鑒長(zhǎng)時(shí)間航道疏浚作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，圍繞標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序，結(jié)合耙吸式挖泥船的技術(shù)特點(diǎn)，熟練操作耙吸式挖泥船以及配套設(shè)備，充分發(fā)揮耙吸式挖泥船在航道疏浚操作中的優(yōu)勢(shì)，確保航道疏浚工程進(jìn)度目標(biāo)、質(zhì)量目標(biāo)順利達(dá)成。