吳永彬，馮晨，楊正軍

（1．中交天航港灣建設(shè)工程有限公司，天津 300456；2．中交天津航道局有限公司技術(shù)中心，天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點實驗室，天津 300450）

0 引言

隨著國際疏浚市場發(fā)展以及各國吹填造地需求的不斷增長，耙吸船深遠海取砂吹填作業(yè)是未來疏浚業(yè)重要的發(fā)展趨勢，且存在廣闊的市場前景[1]。馬來西亞檳城吹填造地工程為典型的遠海、深水取砂吹填工程，取砂深度超55 m，運距達70 n mile，耙吸船僅依靠艙內(nèi)泵施工挖深超通常不超過45 m。

借此工程通過理論分析與現(xiàn)場試驗，研究耙吸船水下泵深水取砂主要技術(shù)要點、超長耙臂操作、挖掘工藝參數(shù)等；研究不同裝艙模式下中粗砂的裝艙性能；研究施工方案比選化軟件等[2]。

1 最優(yōu)取砂區(qū)定位

取砂工程砂源區(qū)通常在前期通過相關(guān)勘查資料已經(jīng)確定[2]，但難以通過前期勘查資料準確判斷砂土性質(zhì)發(fā)生變化的分界線，導致遠海取砂效率降低，因此探查最優(yōu)砂源位置是提高取砂效率的重要一環(huán)，為此提出了實船砂源探測施工方法。

1.1 分析施工區(qū)前期鉆孔資料，確定試挖區(qū)域

對前期勘查資料進行分析，選取鉆孔相對集中，砂源信息滿足施工要求的區(qū)域，初步確定為試挖區(qū)，并對試挖區(qū)進行分塊。見圖1。

1.2 設(shè)定試挖施工參數(shù)，進行實船采樣

由于砂、黏土、淤泥等土質(zhì)特性差異性較大，采用同樣的施工工藝，不同土質(zhì)的產(chǎn)量計顯示出的密度存在明顯的差異性；同時現(xiàn)場試驗表明，由于采砂區(qū)淤泥承載力過低，即使在高波浪補償器壓力設(shè)置下，依然處于非頂出狀態(tài)，需要人為控制耙頭入泥深度，否則將會出現(xiàn)悶耙現(xiàn)象，開挖砂質(zhì)土、黏土時則不存在此現(xiàn)象，因此結(jié)合施工時密度值、波補是否頂出可間接判斷土質(zhì)的類型。實船探測作業(yè)，控制取砂航速約為1．1 kn，進行取樣土質(zhì)和取砂密度數(shù)據(jù)分析，得出試挖區(qū)現(xiàn)場取樣與密度、波補關(guān)系，見表1。

圖1 初步判斷的實船試挖位置圖Fig.1 The actual ship's trial excavation location map of preliminary determination

表1 現(xiàn)場取樣與密度、波補記錄表Table 1 Field sampling and density and wave filling record

1.3 整理試挖數(shù)據(jù)，得出參數(shù)土質(zhì)關(guān)系

試挖作業(yè)期間，采用多人配合、分工協(xié)作的方式，對進艙土質(zhì)情況、取砂密度進行不間斷采樣；判定不同土質(zhì)對應(yīng)的施工參數(shù)，如密度、波浪補償器頂出狀態(tài)等，見表2。

1.4 大面積探挖，確定最優(yōu)砂源區(qū)范圍

進行區(qū)域內(nèi)，多線路穿插式探挖，將船舶試挖數(shù)據(jù)導入自主設(shè)計的挖泥船分段參數(shù)統(tǒng)計程序，統(tǒng)計出不同區(qū)域不同土質(zhì)的取砂密度變化情況，總結(jié)歸納出土質(zhì)發(fā)生變化的里程位置，在其中篩選出砂土松散區(qū)域和含泥量較少區(qū)域，對施工段和挖掘航線進行合理分配，制定出針對性的施工方案。

表2 土質(zhì)與施工參數(shù)對應(yīng)關(guān)系表Table 2 Corresponding relation between soil quality and construction parameters

2 水下泵應(yīng)用

考慮泥泵吸入真空的限制，結(jié)合水下泵與艙內(nèi)泵的必須氣蝕余量[3-4]，形成水下泵與艙內(nèi)泵不同挖深與產(chǎn)量的對比曲線（見圖2）。從圖中可以看出，在挖深達到一定深度時，水下泵的產(chǎn)量與艙內(nèi)泵產(chǎn)量相同，隨著挖深的加大水下泵的產(chǎn)量將大于艙內(nèi)泵的產(chǎn)量，且隨著挖深的增加，兩者的產(chǎn)量差距越來越大。

圖2 水下泵與艙內(nèi)泵產(chǎn)量對比曲線Fig.2 Comparison curve of output of underwater pump and cabin pump

3 施工方案比選軟件

船舶載運途中存在淺區(qū)，在一定程度上會影響船舶的裝載量或整體生產(chǎn)效率，當運距越遠，則該影響越明顯。依托該工程為進一步提高船舶針對此種工況的適應(yīng)性及生產(chǎn)率，研究了施工方案比選軟件。

3.1 排水量與裝載土方量間的模型關(guān)系

通過排水量減去空船自重確定船舶裝載量，結(jié)合土質(zhì)的原狀土密度，艙容計算的初裝載土方量。采用減載施工時艙容取溢流筒降至最低時的艙容。候潮施工時，選取95%有效裝載能力。

3.2 挖泥時間與裝載土方量的模型

通過實際試挖統(tǒng)計平均過泵效率，總結(jié)過泵量與土方量的關(guān)系，確定溢流損失或有效裝艙量。計算減載施工時，通過設(shè)定的下耙時間點，推算船舶抵達航道時的潮位，確定最大允許裝載吃水對應(yīng)土方量，并逐步增加挖泥期間，循環(huán)計算直至挖泥時間與裝載土方量匹配，確定施工方案對應(yīng)的最佳挖泥時間、周期生產(chǎn)率等參數(shù)。

3.3 施工方案比選軟件的應(yīng)用

通過試挖情況的分析發(fā)現(xiàn)，由于潮位、挖泥時間、裝載量、船舶吃水的動態(tài)變化，難以通過人工推算針對每一船進行分析計算，因此分析確定各參數(shù)間的邏輯關(guān)系，聯(lián)系相應(yīng)數(shù)學模型，編制施工方案比選軟件，通過計算機動態(tài)推演分析比選兩種方案的周期生產(chǎn)率，確定最佳方案以及相應(yīng)的施工參數(shù)，并在軟件界面上輸出，指導船舶施工。

4 裝艙工藝

4.1 裝艙軟件的應(yīng)用

運用MIKE 3三維自由水面流的專業(yè)工程軟件包模擬耙吸船中粗砂裝艙過程，其中HD模塊模擬三維水動力，MT模塊模擬泥沙運動[5]，計算裝艙曲線，裝艙后泥沙厚度，以及不同粒徑的泥沙分布。

施工初期，通過模擬裝艙工況，計算裝艙曲線裝艙后泥沙厚度，以及不同粒徑的泥沙分布。分別設(shè)置前、后裝艙時間的5個對比工況，分析泥艙內(nèi)不同組分泥沙分布情況及規(guī)定時間內(nèi)的裝艙情況，選取最優(yōu)裝艙方案，見圖3、圖4。

圖3 各工況艙底泥沙厚度比較Fig.3 Comparison of bottom sediment thickness in each working condition

圖4 各工況裝艙曲線比較圖Fig.4 Comparison of loading curve of each working condition

經(jīng)軟件模擬計算后，可以明顯看出在艙底泥沙厚度的比較中，當前裝艙時間所占比重增加，前進艙口附近和艙內(nèi)前部泥沙堆積厚度隨之增加，艙尾泥沙厚度隨之減小，因此增加前裝艙時間比重，可有效防止艙尾泥沙過度堆積造成挖泥船船體應(yīng)力集中。

同時在艙內(nèi)土方量的比較中，裝艙過程中部分細顆粒懸浮泥沙會跟隨水流從出口流出，而這一過程與泥沙粒徑、水流條件和進出口位置有關(guān)，例如工況5的前裝艙時間最長，而且距離出口近，因此溢流出的泥沙較其他工況多，艙內(nèi)土方量最少?？傮w上說，在后裝艙時間較長時，艙內(nèi)土方量也相應(yīng)較多。因此綜合考慮裝艙曲線與裝艙后泥沙厚度分布曲線，選擇裝艙量最佳，且艙內(nèi)泥沙平整度較好的工況。

4.2 裝艙系統(tǒng)優(yōu)化

為進一步優(yōu)化裝艙平整度，減少虧艙影響，在前裝艙管增設(shè)裝艙口，增加向船艏方向的裝艙；加裝溢流筒圍堰，增加土質(zhì)在溢流筒附近的流動路程，提高其船艏方向的土質(zhì)沉積量。

5 吹填工藝

5.1 抽艙順序優(yōu)化

船舶在滿載吹填初期，處于最大吃水位置，即泥泵處于水面以下最低位置，具有最佳的吸入性能，而隨著吹填的進行，船舶由重載逐漸變?yōu)榭蛰d，泥泵所處位置也在由低變高，在一定程度上吸入性能較吹填初期變差，因此應(yīng)在吹填初期優(yōu)先對大粒徑土質(zhì)相對集中區(qū)域進行吹填作業(yè)，以充分發(fā)揮泥泵吹填的最大效率。

由軟件分析判斷粗顆粒土質(zhì)在裝艙口兩側(cè)堆積擴散范圍，一般第2—第4組小泥門附近顆粒較大，如貝殼、礫石、粗砂類；越遠顆粒越小，如細砂、粉砂類。大顆粒土質(zhì)吸入、輸送困難，應(yīng)在船舶吃水大、泥泵吸入能力較強時吹填，即將粗細顆粒交接的區(qū)域確定最先抽艙的位置，先開該處小泥門，然后依次往大顆粒區(qū)域開泥門。

5.2 吹填操作優(yōu)化

在吹填初期，由于管線內(nèi)輸送漿體的濃度增大，導致泥泵功率將隨之增大，極易造成主機超負荷的現(xiàn)象。因此抽艙泥門的開、關(guān)、開度都會對吹填生產(chǎn)率以及泥泵效率造成影響。為避免濃度突增，引起泥泵功率的劇烈波動，小泥門微開5%以內(nèi)，逐步提高吹填濃度。

6 應(yīng)用效果

應(yīng)用該施工工藝研究后，大大縮短船舶深遠海取砂時間，且利用施工方案比選軟件和裝艙模擬計算軟件，選擇最佳裝艙方式，既滿足通航，又能充分發(fā)揮船舶能力，提高效率。通途輪結(jié)合實際工況及船舶本身特性，發(fā)揮了水下泵的取砂效率，保證了裝艙量的最大化，提高了中粗砂吹填的合理性。在55 m挖深下，取砂密度能夠達到1．25 t/m3左右，裝艙效率達到85%～90%，裝艙時間降低29%，吹填時間降低21%，較好的發(fā)揮了水下泵在深遠海取砂工程中的優(yōu)勢。

7 結(jié)語

超大型耙吸船深遠海取砂吹填施工工藝研究，為配備超長耙臂及水下泵的超大型耙吸船深遠海施工提供了經(jīng)驗資料。

1）基于檢測裝艙重點參數(shù)的探測砂源質(zhì)量的方法，結(jié)合鉆孔資料，提出了一種耙吸船深遠海尋砂的方法，提高了耙吸船深遠海取砂的精準性及取砂效率。

2）通過理論計算、實船驗證等方法，根據(jù)水下泵超長耙臂系統(tǒng)的設(shè)備性能分析，確定水下泵與超長耙臂的水下姿態(tài)，在確保船舶施工安全的前提下提升了水下泵施工效率。

3）研發(fā)了耙吸船裝艙模擬計算軟件模擬砂性土裝艙過程，結(jié)合模擬計算結(jié)果，形成了耙吸船深遠海取砂裝艙工藝，提高了裝艙率；同時形成了科學的抽艙順序及小泥門開度控制，提高了吹填效率。

4）針對深遠海作業(yè)航區(qū)水深受限的工況，形成了施工方案比選軟件，對比侯潮施工與減載施工的生產(chǎn)率，提高施工整體經(jīng)濟性。