楊林生 中交廣州航道局有限公司

1.工程概況

1.1 工程內容

湛江港30萬噸級航道改擴建工程I標段（以下簡稱本標段）施工內容包括：龍騰航道外段A30’（K0+000）至龍騰航道外段B’點（K36+200）航段的疏浚工程、航標工程和環(huán)境監(jiān)測工程等。本標段是在原有30萬噸級航道基礎上進行拓寬、浚深和延長，全長36.2km，通航寬度340m，A30’～B2段設計底標高為-23.6m，B2～B’段設計底標高為-23.9m，A30’～B3段邊坡為1:6，B3～B2’段為復合邊坡上層1:6、下層1:5。

1.2 工程地質

根據設計地質勘察資料，本標段疏浚土淤泥～淤泥質土占61%，粘性土占24.3%，砂類土占14.7%。根據本工程設計文件，含砂區(qū)域主要集中在K15+000～K16+000、K17+200～K19+400、K22+400～K28+000、K29+700～K36+200，且主要分布在兩側邊坡區(qū)域。根據補充勘探資料揭示，砂層主要為粉細砂和中砂，部分砂層分布連續(xù)但不均勻，砂層下伏地層多為粉質粘土層；部分砂層分布不連續(xù)，表層為淤泥或粉砂，呈透鏡體揭示，層厚較薄，中間發(fā)育淤泥質土，底部為砂層，呈砂泥交替沉積特征。

2.研究背景及目的

2.1 研究背景

根據省、市有關要求，本標段需配合湛江巴斯夫新型一體化基地項目建設，需將原外拋的疏浚物調整為吹填至巴斯夫吹填區(qū)。巴斯夫項目迫切需求含砂量較高的疏浚物，而本標段工期緊、任務重、影響因素多，且因疏浚物處置方式的調整，耙吸船處置疏浚物的運輸距離和時間明顯增加，運輸路線擁擠、艏吹區(qū)占用時間長等，從運輸、吹岸兩個施工環(huán)節(jié)優(yōu)化生產率的空間較小，再者粉細砂裝艙效果差是耙吸船疏浚時遇到的普遍問題，綜合得“如何改善耙吸船粉細砂裝艙效果以提高生產率”成為了關鍵點。

2.2 研究目的

粉細砂難沉淀、裝艙效果差一直是影響耙吸船疏浚粉細砂生產率的一大因素，若能改善粉細砂裝艙效果，將大大提升耙吸船疏浚粉細砂的生產率；研究大型耙吸船在裝艙粉細砂過程中適當降低泥泵轉速來改善最佳裝艙溢流效果以提高生產率，能更好地指導同類型施工船舶在本標段（或其他項目）疏浚粉細砂的施工，提高總體生產率，節(jié)約工期，節(jié)省生產成本。

3.研究思路及過程

3.1 研究思路

在疏浚粉細砂初期，大型耙吸船“浚海1”投入到本標段施工，疏浚粉細砂的裝艙效果較差，經工程師與船長分析討論得知耙吸船裝艙粉細砂時艙內已沉淀粉細砂的容積越大，泥艙內剩余容積越小，在越來越小的空間內未沉淀的粉細砂顆粒能用于消能的空間就越少，在艙內水流的擾動下越難沉淀。針對這一現象，項目部與“浚海1”討論后，決定通過適當調整裝艙時施工參數以改善這一現象，即在裝艙后期通過適當降低泥泵轉速來降低艙內排泥流速，以減少泥艙內擾動，加速后期粉細砂的沉淀速度，降低流失率，提高裝艙效率，進而改善粉細砂裝艙效果。結合船長豐富的施工經驗，最終確定在裝艙土方量達到3000m3時將泥泵轉速由230～250r/min降低為200～220r/min。

3.2 研究過程

3.2.1 現場觀察

項目部派駐船工程技術員上“浚海1”協助完成調節(jié)泥泵轉速試驗，對土質、施工參數等進行全過程觀察并記錄，施工段為K29+000～K32+600，施工土質主要為粉細砂，少量淤泥和粘土，施工工藝流程為挖→運→吹，雙耙施工，挖泥航速2～3kn，高壓沖水壓力值5.7～6.0bar。

3.2.2 數據記錄

先后分別記錄兩種情況下裝艙土方量每10min隨裝艙溢流時間的變化：①從下耙到起耙一直保持泥泵轉速為230～250r/min進行裝艙溢流施工，直至持續(xù)裝艙溢流施工但裝艙土方量無明顯增加時起耙；②從下耙到裝艙土方量達到3000m3期間，保持泥泵轉速為230～250r/min進行裝艙溢流施工，待裝艙土方量達到3000m3時，保持其他施工參數不變，僅將泥泵轉速降低為200～220r/min繼續(xù)裝艙溢流施工，直至持續(xù)裝艙溢流施工但裝艙土方量無明顯增加時起耙。

3.2.3 數據處理及分析

將記錄的多次數據以散點的形式體現于坐標上并擬合成趨勢線，根據趨勢線最高點所對應的裝艙土方量和裝艙溢流時間，計算情況①和②后期裝艙效率的變化率，進而對比分析降低泥泵轉速后裝艙效率的提升效果。

作合適切線相切于趨勢線，在切點取得情況①和②的最佳裝艙溢流時間以及所對應的裝艙土方量，對比分析最佳裝艙溢流效果的改善情況；利用生產率計算公式計算結果后對比情況①和②的生產率，根據對比結果分析通過降低泥泵轉速以提高生產率的效果。

4.施工工藝流程

耙吸船施工方法采用裝艙溢流法，“浚海1”航行至施工區(qū)，降低航速到2-3kn開始下耙，下耙過程中開啟吸泥泵，待耙下降到接觸泥面后開始裝艙，疏浚土通過耙頭進入耙臂輸送至泥艙，泥艙內的部分大顆粒土先沉淀，小顆粒土則跟隨艙內水流成泥漿流動，艙內泥漿漫過溢流筒高度后開始溢流，待到繼續(xù)裝艙溢流施工但裝艙土方量無明顯變化時，起耙重載航往艏吹區(qū)，接好吹泥管線后開泵吹泥，吹泥完畢后停泵并拆除管線，管線拆完后輕載返回施工區(qū)重新上線，進行下一周期循環(huán)。施工工藝流程圖見圖1。

5.計算裝艙土方量

“浚海1”已安裝耙吸船控制集成系統(tǒng)（IΗCS）和疏浚監(jiān)控與數據采集系統(tǒng)（SCADA），SCADA根據內輸公式采用排水重量法計算裝艙土方量，經人工輸入rS值，疏浚過程中可直接計算出q1值并顯示于屏幕。根據內輸公式，結合本標段K29+000～k32+600段疏浚土（主要為粉細砂，少量淤泥和粘土）天然密度rS，即可計算出施工船舶實時裝艙土方量，經駐船人員取樣分析，取rS=1.750t/m3。

SCADA內輸計算公式如下[1]：

式中：q1—裝艙土方量（m3）；Gm—耙吸船實時裝艙排水量（t）；G0—耙吸船空（輕）載下耙前排水量（t）；rW—海水密度，取1.025t/m3；q—泥艙實時裝艙容積（m3）；rS—疏浚土的天然密度，取1.750t/m3。

6.繪制裝艙土方量曲線

將所記錄的①和②兩種情況下“浚海1”施工數據分別處理成（裝艙溢流時間，裝艙土方量）坐標點，建立以裝艙溢流時間為正橫軸方向；以航行、掉頭、接拆管、艏吹總時間為負橫軸方向；以裝艙土方量為豎軸正方向的坐標系，將坐標點以散點的形式體現在坐標系上，并擬合出情況①和②的趨勢線。經施工記錄計算得航行、掉頭、接拆管、艏吹總時間約為306分鐘，從（-306，0）點分別畫兩條直線相切于情況①和②的趨勢線。所繪制出的圖表見圖2[1]。

7.計算后期裝艙效率的變化率

7.1 確定最高裝艙土方量

如圖2，根據情況①和②所擬合的裝艙土方量曲線得知，裝艙土方量為3000m3時對應的點為（75，3000），即情況①和②裝艙土方量達3000m3時，對應的裝艙溢流時間為75min；情況①裝艙土方量曲線的最高點為（181，4 629），即情況①的最高裝艙土方量為4629m3，對應的裝艙溢流時間為181min；情況②裝艙土方量的最高點為（197，5070），即情況②的最高裝艙土方量為5070m3，對應的裝艙溢流時間為197min。

7.2 計算后期裝艙效率的變化率

將數據代入上式計算得，情況①：△V①=922.08m3/h；情況②：△V②=1018.03m3/h；情況②比情況①后期裝艙效率提高：

8.計算生產率

8.1 確定最佳裝艙溢流時間

情況①和②趨勢線上切點所對應的橫坐標和縱坐標分別為最佳裝艙溢流時間和對應的裝艙土方量。由圖2得，情況①趨勢線所得的切點為（150，4455），即情況①的最佳裝艙溢流時間為150min，對應的裝艙土方量為4455m3；情況②趨勢線所得的切點為（160，4850），即情況②的最佳裝艙溢流時間為160min，對應的裝艙土方量為4850m3[1]。

如圖2，裝艙土方量達3000m3后，情況②曲線始終在情況①曲線上方，根據情況①和②的最佳裝艙溢流時間及對應的裝艙土方量知，情況②最佳裝艙溢流時間比情況①延后約10min，對應的裝艙土方量卻提高約395m3，可見情況②改善了最佳裝艙溢流效果。

8.2 計算生產率

根據耙吸船挖、運、吹施工生產率的計算公式：

W耙吸2-耙吸船挖、運、吹施工運轉時間小時生產率（m3/h）；q1—泥艙裝艙土方量（m3）；Σt—施工循環(huán)運轉小時（h）；l1—重載航行段長度（km）；v1—重載航速（km/h）；l2—輕載航行段長度（km）；v2—輕載航速（km/h）；l3—挖泥長度（km）；v3—挖泥航速（km/h）；t3—吹泥（包含接拆管）總時間（h）；t2—施工中掉頭及上線時間（h）。

把情況①和②的最佳裝艙溢流時間及對應的裝艙土方量分別代入上述公式計算得，情況①的生產率為：W①=586.18m3/h；情況②的生產率為：W②=624.46m3/h；情況②比情況①生產率的提高：

9.結果分析

通過“浚海1”在湛江港30萬噸級航道改擴建工程Ⅰ標段疏浚粉細砂裝艙過程中降低泥泵轉速的試驗，采用現場觀察、調查取證、數據獲取和分析對比后發(fā)現，在相同施工參數條件下，大型耙吸船疏浚裝艙粉細砂時，從下耙到裝艙土方量達到3000m3期間保持泥泵轉速為230～250r/min，待裝艙土方量達到3000m3時將泥泵轉速降低為200～220r/min后繼續(xù)裝艙溢流施工，可將后期（裝艙土方量達3000m3后）裝艙效率提高約10.41%，并改善疏浚粉細砂的最佳裝艙溢流效果，將疏浚粉細砂生產率提高約6.53%。

10.結束語

在安排大型耙吸船施工疏浚粉細砂時，可待裝艙土方量達到一定值時降低泥泵轉速，來提高后期粉細砂裝艙效率，并改善疏浚粉細砂的最佳裝艙溢流效果，以提升大型耙吸船疏浚粉細砂的生產效率。

在耙吸船疏浚過程中，裝艙效率和施工生產率會因施工土質、海況、耙吸船類型、施工參數的設定、操耙手施工經驗等的不同而不同，在實際施工中要不斷根據現場實際情況做出調整，以取得最好的施工效果。