航道維護施工中耙吸裝駁工藝的應用

◎ 魏必文 周成海 江西省路港工程有限公司

隨著環保要求的不斷提高，航道拋泥區與挖泥區的距離越來越遠；取砂工程中可開采的砂源區也遠離吹填成陸區。耙吸挖泥船作為疏浚施工中主力船舶，因性能優良而廣泛使用。但傳統的施工方式下，耙吸挖泥船同時承擔挖泥、運泥及拋泥任務，在長距離工程中高效的挖泥能力得不到成分發揮，設備利用率低，經濟性受到限制。為發揮耙吸挖泥船性能優勢，在長運距疏浚工程中可以采用自航式耙吸船與泥駁聯合施工工藝，改變傳統的耙吸挖泥船疏浚自挖、自運、自拋的作業模式，將運泥拋泥環節均交由泥駁完成；明確分工、配合施工后提升耙吸船利用率，降低疏浚維護成本。

1.工程概況

某深水航道回淤量較大，回淤時間和空間均不固定，主要集中在5～11月的洪淤季節。近年來，年維護疏浚量普遍在6000×104m3以上，隨著航道上游吹填工程的完成，多個吹泥站陸續停運，大量疏浚土面臨外拋需要，疏浚土處理區域和施工區域的距離均增大，長距離下耙吸挖泥船性能優勢得不到充分發揮，疏浚效率普遍下降。該深水航道整治工程于2020年4月進入為期1年的試通航期，并于1年后的2021年5月進入維護疏浚階段。根據預測，年疏浚維護量達到6000～7000×104m3，每年需配置7～12艘大型耙吸挖泥船；耙吸船挖泥和運拋泥所花費的時間比為3:7?？梢?，造價昂貴的大型耙吸挖泥船大多數時間用于運拋泥，不利于挖泥性能的充分發揮。

2.施工工藝選擇及工效計算

航道維護施工中耙吸裝駁工藝主要由大型耙吸挖泥船艕帶自航式泥駁展開聯合施工。該工藝能較好改變耙吸挖泥船挖、運一體的常規施工模式，由耙吸挖泥船挖泥，泥駁運泥，將挖泥與疏浚土運輸兩道工序拆分，通過船舶之間的配合，提升航道維護施工工效，有效避免長距離疏浚土外拋，降低運輸費用。就具體流程而言，耙吸船負責挖泥裝駁，自航式泥駁則負責運輸和外拋，使兩種施工船舶優勢互補[1]，提升各自利用率。

2.1 施工工藝

結合工程特點及船機特性，耙吸裝駁工藝主要包括兩種形式。

（1）形式1：耙吸挖泥船自拋+裝駁。該形式下，耙吸挖泥船自挖、自航、自載、自卸的流程完成后，還負責挖泥裝駁。耙吸船在裝艙即將結束時單耙挖泥，另一舷起耙后通知泥駁靠泊，并設置裝駁管架進行裝駁。該方式下耙吸挖泥船負責挖泥、拋泥和運泥，泥駁負責運拋所裝駁的泥漿。該裝駁工藝適用于泥駁數量較少、耙吸挖泥船機動等待時間充足的中長距離疏浚工程。

（2）形式2：耙吸挖泥船僅裝駁。該形式下，耙吸船只進行挖泥裝駁，同時配置足夠數量的泥駁展開運泥和卸泥，以充分發揮自航式泥駁運泥成本低的優勢，并保證耙吸船能連續展開挖泥。該方式適用于長距離疏浚。

結合該航道維護工程實際并綜合考慮兩種形式的適用范圍，最終選擇形式2，即耙吸挖泥船僅裝駁的形式，同時配置足夠數量的泥駁船進行運泥和卸泥[2]。

2.2 工效計算

2.2.1 計算方法

耙吸挖泥船單船自挖、自運、自拋工效[3]按下式確定：

式中：W1為耙吸挖泥船自挖自運自拋工效（m3/h）；u1為耙吸挖泥船單船裝載方量（m3）；L為運距（km）；v1為耙吸挖泥船重載、輕載的航速均值（kn）；tp1為耙吸挖泥船取砂裝艙時間（h）；tp0為耙吸挖泥船拋泥時間（h）。

耙吸挖泥船自運自拋、泥駁駁運聯合施工工效按下式計算：

式中：W2為耙吸挖泥船自運自拋、泥駁駁運聯合施工工效（m3/h）；n為泥駁配置數量（艘）；u2為自航式泥駁單船裝載量（m3）；tb1為泥駁裝艙時間（h）；tb2為靠泊及離泊總耗時（h）；其余參數含義同前。

耙吸挖泥船僅裝駁、泥駁駁運拋聯合施工工效按下式計算：

式中：W3為耙吸挖泥船僅裝駁、泥駁駁運拋聯合施工工效（m3/h）；其余參數含義同前。

泥駁配備數量最大值按下式計算：

式中：S 為泥駁最大配備數量（艘）；tb0為泥駁拋泥耗時（h）；q為耙吸挖泥船裝駁效率；S0為備用泥駁數量（艘）；其余參數含義同前。

2.2.2 工效試算

結合航道維護段地質條件，粗砂中值粒徑為0.55mm，天然土料表觀密度為1.94t/m3。耙吸挖泥船取砂裝艙效率為6000m3/h，單船裝載量為9000m3，重載和輕載平均航速為16.5kn，拋泥耗時0.5h。泥駁裝駁效率4000m3/h，單船裝載量6000m3，重載和輕載下平均航速12.0kn，單船次靠泊及離泊耗時40min，卸泥耗時30min。大型耙吸挖泥船及泥駁性能見表1。

表1 耙吸挖泥船及泥駁性能參數取值

將相關參數值代入式（1）～（3）可以計算出單艘耙吸船在15～105km的運距下，單艘耙吸挖泥船自挖、自運、自拋，耙吸挖泥船自運自拋、泥駁駁運聯合施工，耙吸挖泥船僅裝駁、泥駁駁運拋聯合施工等方式的工效，見表2。

表2 不同運距下的綜合工效（單位：m3/h）

根據表中結果，當運距超出23km時，在泥駁配置數量達到最大配備數量的基礎上，耙吸挖泥船僅裝駁、泥駁駁運拋聯合施工工藝綜合工效最高，且聯合工效提升率隨運距的增大而增大。泥駁配置數量隨運距的增大而越多時，綜合工效越高。對于耙吸挖泥船自運自拋、泥駁駁運聯合施工工藝而言，1艘耙吸挖泥船+1艘泥駁的組合形式工效提升率較明顯，隨著泥駁數量的增大，工效提升率并不明顯。

3.耙吸船裝駁工藝的應用

3.1 船舶選配

航道管理局建造的2 艘艙容13500m3的自航式耙吸船長150.7m、型寬27.0m，為所在航道專用挖泥船，2012年建成后便成為航道維護的基干船機。該耙吸船專門針對所在航道水域環境及疏浚土質設計，疏浚性能優異；為獲取高濃度泥漿而專門配置低轉速泥泵，設計不溢流裝艙時間55min。為便于耙吸裝駁，該自航式耙吸挖泥船右舷安裝T型裝駁架和靠泊系統，同時配置高強度纜繩、快速釋放鉤及恒張力絞車。

為保證耙吸裝駁工效及產量，泥駁艙容必須達到6000m3及以上，當前國內僅有長97.8m、型寬20m、重載航速12kn、設計艙容6000m3的泥駁，采用開底卸泥設計，并配備艏側推和可調螺距舵槳。

3.2 艕靠

根據施工時的水流流速、風力風向、航道運行情況，在施工區域內擺放好耙吸挖泥船船位，并等待自航式泥駁靠泊。結合模擬試驗經驗，耙吸挖泥船應當頂流航行，盡可能選擇與水流夾角小的航向，以減少泥駁靠泊受水流的不利影響[4]。耙吸挖泥船向泥駁發出指令后，泥駁從耙吸船右側船艉以小角度緩慢接近，待抵達艕靠位置后提速，將其與耙吸船的相對速度降至零；且兩船橫向距離不超出5.0m，為出纜提供保證。出纜時耙吸挖泥船略微向泥駁處調整艏向，將兩船船艏適當靠近。為保證耙吸裝駁施工過程的安全性，減少對航道通航的擾動，泥駁應艕靠在耙吸挖泥船外側。見圖1。

圖1 艕靠平面形式

3.3 挖泥裝駁

耙吸挖泥船艕帶泥駁后上線定位，放出泥駁后下耙挖泥；挖泥航速控制在2kn左右，以使高濃度泥漿直接進入泥駁艙。挖泥過程中，必須密切監測泥駁穩定情況及艙容變化；泥駁應始終處于適航狀態，準備隨時接受耙吸挖泥船發出的用車用舵指令。

3.4 離駁

裝駁完成后，耙吸挖泥船將裝駁裝置收起，結合施工區域實際情況調整船位與船速，通知泥駁按程序離泊。泥駁離開時先解開艉纜，按照略快于耙吸挖泥船的速度航行，便于艏纜松弛和解纜。待將纜繩解清后，借助側推器向外施推泥駁船艏；耙吸挖泥船應略微向外調整航向以增大其與泥駁船艏夾角[5]。在頂流作用下兩船產生排斥力后隨即駛離。

3.5 施工安全控制

耙吸挖泥船是耙吸裝駁船組的指揮中心，對施工安全及工效起到決定性作用。施工開始后必須加強耙吸船和泥駁的聯系、配合，并制定切實可行的操作規程及安全措施。重視靠泊安全，加強各船帶纜人員的指導與訓練，便于帶妥纜繩安全靠泊，避免船舶擦碰。

耙吸船艕帶泥駁施工在操縱方面存在較大難度，泥駁必須始終備車保持適航狀態，船長與大副應加強指導以策安全。為確保施工船舶與航道通行船舶間的準確識別與避讓，耙吸挖泥船必須在施工期間懸掛、開啟挖泥號型及號燈；泥駁懸掛慢車信號并開啟航行號燈。

耙吸船與泥駁施工避讓時必須嚴格遵守港章、避碰規則及海事部門特殊規定，加強與施工船舶和通航船舶之間的聯系，保證早讓寬讓。航道維護過程中，應避免3nmile范圍內兩組及以上耙吸裝駁工藝疏浚作業。

4.應用效果分析

4.1 施工工效

結合施工開始前的模擬試驗及耙吸挖泥船裝駁、疏浚性能，耙吸船和泥駁共同作業過程中艕靠、挖泥準備、裝駁時間分別為10min、5min和55min，離泊耗時5min；在泥漿濃度58%的情況下產量為3500m3，整個施工過程用時75min。在施工環境、施工機械、航道條件等均相同情況下，采用耙吸挖泥船挖泥、運拋泥的方式下，整個施工過程耗時280min。

4.2 作業條件

結合耙吸挖泥船及泥駁作業條件，為保證兩船共同作業，最大水利流速應為2 m/s，最大風速應在10.8～13.9m/s之間；最大波高應不超出1.5m。對于枯水季，所在航道受寒潮風浪、通航、霧的影響比例分別為11%、25%和4%，屬于七級工況；對于洪水季，航道受臺風大浪、通航、霧、落潮的影響比例分別為3%、25%、2%和10%，屬于五～七級工況。每潮次讓潮3h的通航影響最大；通過優化施工組織設計，可將每潮次讓槽時間縮短至2h，通航影響比例明顯降低，對應的施工工況可提高至四～五級。

4.3 經濟效益

在四～五級工況下，耙吸挖泥船裝駁工藝與耙吸挖泥船自挖自拋工藝疏浚單價的比較見表3。當拋泥運距達到27km時兩種施工工藝達到經濟平衡點，耙吸挖泥船裝駁工藝經濟優勢明顯。結合所在航道清淤規模，如果采用耙吸裝駁工藝，運輸費用減少，施工工效提高，可比耙吸挖泥船自挖自拋每年節省1.8×108元費用。

表3 不同方式下疏浚單價對比

5.結論

綜上所述，在遵循必要控制措施及操作規則的基礎上，航道維護疏浚施工過程中通航安全有保證；與耙吸挖泥船自挖、自運、自拋工藝及耙吸挖泥船自運自拋、泥駁駁運聯合施工相比，隨著運距的增大，耙吸裝駁工藝的經濟效益越明顯。為積累豐富的施工經驗，不斷完善耙吸挖泥船裝駁施工工藝，可在建造專用挖泥船及配套泥駁后于所在航道展開實船試驗，并酌情開展夜間疏浚。