“水王”挖泥船在浅水河湖疏浚工程中的应用

(1.长沙理工大学,湖南 长沙 410114；2.湖南兴禹建设有限公司，湖南 常德 415000)

1 工程概况

湖南省常德市位于湖南省北部、洞庭湖西侧、武陵山下，史称“川黔咽喉，云贵门户”，是湘北鄂南的重要城市。穿紫河全长17.30km，是常德市的一条环城母亲河。此河的主要功能是：接纳部分渐水、柳叶湖水及江北城区的降水，经南错闸排入沅水。在历史上，它曾起到防汛、灌溉、水运和人饮的重要作用。近年来，城区西移北扩，防洪排水体系变化，污水的管理系统不完善，导致水系变差，部分河段封闭堵死，严重影响人们日常生活和市容市貌，不利于城市建设和旅游发展。

穿紫河疏浚工程包括：河道清淤、航道疏挖，淤泥固化处理并运至指定的弃土场。清淤河道总长约8.40km，清淤、疏挖并处理淤泥总量37.94万m3。

2 疏挖设备比选

第一类设备：长臂反铲挖掘机、浮船反铲挖掘机或湿地挖掘机。该类设备轻便、开挖作用力大，能开挖硬质土体，甚至块石，但效率低，清淤作业时需要运输工具配合，水域作业安全风险大。

第二类设备：传统绞吸式挖泥船。该类挖泥船通过绞刀或链斗等设施抓起淤泥，再通过泥浆泵连接管道，将淤泥输送至填泥区。由于淤泥含水较多，管道输送阻力小、效率高。但对于中小河流，或城乡河湖等内陆水域，由于水域太浅、太窄，挖泥船不便操作，城市垃圾(塑料袋，瓶子等)很容易造成泥泵的堵塞，缆绳也会对过往船只造成干扰。

第三类设备：先进的两栖式多功能环保挖泥船，如“水王”(Watermaster)系列挖泥船(简称水王挖泥船)。水王挖泥船可自航，能在水中自行航行较远的距离，直至作业地点。水王挖泥船独特的切刀系统可将含有城市垃圾的淤泥、物料直接绞碎后排至岸上的沉降池，无需多台设备进行多次处置。除疏浚外，还可进行打桩、耙子作业等。

经分析，在本工程中，选用水王挖泥船进行挖掘清淤，技术上可行，经济上相对较优，能适应内陆水域，且可避免不安全风险，最终选用第三类设备。

3 水王挖泥船

水王挖泥船专门为浅水疏浚作业设计制造。它是挖掘机与绞吸挖泥船的独特组合，可以从陆地至6m水深范围内安全而低成本地从事各种疏浚、打桩及耙子作业(设备见图1)。

图1 水王挖泥船

3.1 工作原理

利用安装在绞刀桥梁前端的绞刀的旋转运动实现挖掘破土。旋转的绞刀将河底泥连续不断地绞松，并进行泥水混合。混合后的泥水在大气压的作用下，经吸口吸入泥泵加压后通过排泥管输送到吹填区。施工过程分为挖掘、吸入和泥浆输送。挖掘能力与绞刀型式及结构、绞刀功率、绞刀转速、横移速度、切削厚度有关；吸入能力与吸口大小、吸口阻力、泥泵性能等因素有关。输送能力与泵机转速、泥泵效率、泥泵性能、输入功率、管路特性有关。

3.2 作业特点

与采用传统挖泥设备作业不同，水王挖泥船具有挖、吸、送一体化完成、连续作业的特点(详见图2～图3)。

图2 水王挖泥船施工

图3 传统设备施工

3.3 作业方式

3.3.1 绞吸疏浚作业

水王挖泥船绞刀泵是进行绞吸疏浚作业的工作装置，它可将淤泥通过排泥管直接排到岸边的弃泥区(或脱水装置)，或用喷管直接喷至岸边。液压驱动的潜水泥泵(泥泵吸口距离绞刀头仅 60cm)，保证了较高的泥浆浓度，极大改善吸入性能，还可有效地防止污泥的扩散(二次污染)，减少污泥脱水的工作量。“水王”绞刀泵作业时最大排距约为 1500m。与之匹配的接力泵站，每台可延长排距约 1000m。

3.3.2 反铲疏浚作业及环保抓斗疏浚作业

反铲作业可以挖泥上岸，也可直接装驳船。水王挖泥船上部安装的橡胶封板液压抓斗是环保疏浚常用的工作装置之一，可以有效地防止有毒有害淤泥的二次污染。

3.3.3 耙子作业

耙子是极具实用效能的施工工具。它可以高效地清除水生植物(如水葫芦)，在绞吸施工前清除生活垃圾和水草。

3.3.4 打桩作业

现代城市河湖水环境治理工程中，不仅要清除河底的淤泥和杂物，而且要打桩护岸。水王挖泥船装有Movax SP30 型液压震动打桩头，可以用来在坚硬的土壤上打钢板桩、钢管桩和木桩。由于其采取侧拾式夹桩方式，其所能打桩的长度大大提高。

4 施工工艺

4.1 进点定位

第一，根据图纸和GPS定位系统确定的位置进点下桩。第二，到位下桩，桩尖离泥面超出3m时，要在浅水区域先下一次钢桩，提升一定高度，掌握液压柱塞下放到底时，桩尖离泥面3m以内，若土质硬则要在2m以内。第三，确保下钢桩时的船速在0.30节以内。

4.2 抛设横移锚

根据风流确定抛锚顺序，先抛上风、上流锚。将绞刀移动到挖条边线上，下放绞刀定住船身。操控锚杆，与船体中心线前夹角成45°左右时，即行抛锚。抛锚后收紧横移缆，确认锚爪抓住泥后，将绞刀提出泥面。利用风流或锚艇将船移至挖条另一侧边线，抛另一边锚。

4.3 接通水上管线及设备检查

连接水上管线。根据风流布设水上管线锚，使管线顺畅。主要对外围设备检查、钢桩及台车系统检查及驾驶台设备检查，确保施工前各设备正常运作，同时,可以排除潜在的隐患。

4.4 排工序

第一，合排工序。开始挖泥之前，各部设备已开启并具备工作状态，下放桥架使水下泵浸入水中，合上泥泵离合器，开始吹水的操作。

第二，脱排工序。因工作需要，使泥泵离合器脱开的操作。

4.5 挖泥操作流程

水王挖泥船挖泥时，通过横移挖泥、边线换向、倒桩、移锚四个工序往复循环，进行挖泥作业。

5 施工方法

5.1 分条开挖

环保挖泥船在各施工区块内作业时，以扇形横挖法为原理分条开挖，即挖泥船将定位桩打设在湖底泥层中，实现对船体中心定位，并通过定位桩台车液压轴臂的伸缩，实现定位桩台车在船尾滑道内相对船体的位移，使船体在反作用力下短线推进，并依靠挖泥船前端左右绞车收放锚缆，使船身以船尾定位桩为中心，船长为半径，绞刀头左右扇形移动，实现挖泥船扇形横挖法作业。根据挖泥船横摆有效宽度，设计分条宽度35m，条幅间搭接1～2m，避免漏挖和相邻区块塌方残留。

5.2 低扰动清淤

根据环保清淤要求，利用水王挖泥船优越的环保机械性能和自动化程度，采用低扰动清淤法施工。低扰动清淤法施工的主要特点是密封开挖、薄层开挖和开挖系统实施速度限制，可最大程度保证清淤率，降低浮淤扩散机率，避免二次污染超出限制范围。

密封开挖：采用专用环保绞刀开挖，环保绞刀是当前环保清淤领域最先进的环保清淤装置。环保绞刀装配有导泥挡板、绞刀密封罩、绞刀水平调节器等装置，无论清淤深度如何变化，通过绞刀水平调节器，使绞刀始终保持水平状态，清淤时绞刀外罩底边平贴湖底，绞刀密封罩将绞刀扰动范围控制在密封罩内，确保环保绞刀挖掘范围内的淤泥被泥泵充分吸入。与常规的敞开式绞刀相比，有效防止了因绞刀扰动使底泥颗粒向罩外水体扩散，避免了施工过程中因挖掘造成二次污染。

薄层开挖：环保绞刀头因绞刀密封罩的作用，开挖厚度必须控制在50cm以下，开挖厚度是建立在额定转速、泵吸浓度、绞刀净深协调平衡的基础上，避免出现泥量过大产生逃淤，泥量过小生产效率太低的情况。根据本工程淤泥厚度情况，施工时一般分1～2层开挖(具体视实际施工调整)，薄层开挖法可保证水下淤泥被充分吸取，同时也有利于提高开挖精度。

限速控制：利用在湖泊和水库清淤施工中的实践数据，并结合本工程清淤试挖情况，合理设计绞刀转速、横摆速度等施工参数，在大面积清淤中严格控制，限速施工，严格控制底泥清淤影响范围，保证水质不受影响。

淤泥扩散指标：根据以往类似湖泊清淤工程经验数据，初步确定为：距离绞刀头100m，水中的SS值含量小于150mg/L。

图4 穿紫河清淤现场施工

6 结 语

水王挖泥船最基本的功能是两栖式挖泥作业，它既可以作绞吸式挖泥船使用，也可以作为反铲、抓斗挖泥船使用，特别适合中小河流、城乡河湖等浅水域维护性清淤。本文对常德市穿紫河清淤工程中水王挖泥船施工工艺和方法进行了介绍，可供污染河流、湖泊、水库等水域疏浚清淤、水质改善和生态修复工程参考。