超大型耙吸船深远海取砂吹填施工工艺

2019-03-07吴永彬冯晨杨正军

中国港湾建设 2019年2期

吴永彬，冯晨，杨正军

（1．中交天航港湾建设工程有限公司，天津 300456；2．中交天津航道局有限公司技术中心，天津市疏浚工程技术企业重点实验室，天津 300450）

0 引言

随着国际疏浚市场发展以及各国吹填造地需求的不断增长，耙吸船深远海取砂吹填作业是未来疏浚业重要的发展趋势，且存在广阔的市场前景[1]。马来西亚槟城吹填造地工程为典型的远海、深水取砂吹填工程，取砂深度超55 m，运距达70 n mile，耙吸船仅依靠舱内泵施工挖深超通常不超过45 m。

借此工程通过理论分析与现场试验，研究耙吸船水下泵深水取砂主要技术要点、超长耙臂操作、挖掘工艺参数等；研究不同装舱模式下中粗砂的装舱性能；研究施工方案比选化软件等[2]。

1 最优取砂区定位

取砂工程砂源区通常在前期通过相关勘查资料已经确定[2]，但难以通过前期勘查资料准确判断砂土性质发生变化的分界线，导致远海取砂效率降低，因此探查最优砂源位置是提高取砂效率的重要一环，为此提出了实船砂源探测施工方法。

1.1 分析施工区前期钻孔资料，确定试挖区域

对前期勘查资料进行分析，选取钻孔相对集中，砂源信息满足施工要求的区域，初步确定为试挖区，并对试挖区进行分块。见图1。

1.2 设定试挖施工参数，进行实船采样

由于砂、黏土、淤泥等土质特性差异性较大，采用同样的施工工艺，不同土质的产量计显示出的密度存在明显的差异性；同时现场试验表明，由于采砂区淤泥承载力过低，即使在高波浪补偿器压力设置下，依然处于非顶出状态，需要人为控制耙头入泥深度，否则将会出现闷耙现象，开挖砂质土、黏土时则不存在此现象，因此结合施工时密度值、波补是否顶出可间接判断土质的类型。实船探测作业，控制取砂航速约为1．1 kn，进行取样土质和取砂密度数据分析，得出试挖区现场取样与密度、波补关系，见表1。

图1 初步判断的实船试挖位置图Fig.1 The actual ship's trial excavation location map of preliminary determination

表1 现场取样与密度、波补记录表Table 1 Field sampling and density and wave filling record

1.3 整理试挖数据，得出参数土质关系

试挖作业期间，采用多人配合、分工协作的方式，对进舱土质情况、取砂密度进行不间断采样；判定不同土质对应的施工参数，如密度、波浪补偿器顶出状态等，见表2。

1.4 大面积探挖，确定最优砂源区范围

进行区域内，多线路穿插式探挖，将船舶试挖数据导入自主设计的挖泥船分段参数统计程序，统计出不同区域不同土质的取砂密度变化情况，总结归纳出土质发生变化的里程位置，在其中筛选出砂土松散区域和含泥量较少区域，对施工段和挖掘航线进行合理分配，制定出针对性的施工方案。

表2 土质与施工参数对应关系表Table 2 Corresponding relation between soil quality and construction parameters

2 水下泵应用

考虑泥泵吸入真空的限制，结合水下泵与舱内泵的必须气蚀余量[3-4]，形成水下泵与舱内泵不同挖深与产量的对比曲线（见图2）。从图中可以看出，在挖深达到一定深度时，水下泵的产量与舱内泵产量相同，随着挖深的加大水下泵的产量将大于舱内泵的产量，且随着挖深的增加，两者的产量差距越来越大。

图2 水下泵与舱内泵产量对比曲线Fig.2 Comparison curve of output of underwater pump and cabin pump

3 施工方案比选软件

船舶载运途中存在浅区，在一定程度上会影响船舶的装载量或整体生产效率，当运距越远，则该影响越明显。依托该工程为进一步提高船舶针对此种工况的适应性及生产率，研究了施工方案比选软件。

3.1 排水量与装载土方量间的模型关系

通过排水量减去空船自重确定船舶装载量，结合土质的原状土密度，舱容计算的初装载土方量。采用减载施工时舱容取溢流筒降至最低时的舱容。候潮施工时，选取95%有效装载能力。

3.2 挖泥时间与装载土方量的模型

通过实际试挖统计平均过泵效率，总结过泵量与土方量的关系，确定溢流损失或有效装舱量。计算减载施工时，通过设定的下耙时间点，推算船舶抵达航道时的潮位，确定最大允许装载吃水对应土方量，并逐步增加挖泥期间，循环计算直至挖泥时间与装载土方量匹配，确定施工方案对应的最佳挖泥时间、周期生产率等参数。

3.3 施工方案比选软件的应用

通过试挖情况的分析发现，由于潮位、挖泥时间、装载量、船舶吃水的动态变化，难以通过人工推算针对每一船进行分析计算，因此分析确定各参数间的逻辑关系，联系相应数学模型，编制施工方案比选软件，通过计算机动态推演分析比选两种方案的周期生产率，确定最佳方案以及相应的施工参数，并在软件界面上输出，指导船舶施工。

4 装舱工艺

4.1 装舱软件的应用

运用MIKE 3三维自由水面流的专业工程软件包模拟耙吸船中粗砂装舱过程，其中HD模块模拟三维水动力，MT模块模拟泥沙运动[5]，计算装舱曲线，装舱后泥沙厚度，以及不同粒径的泥沙分布。

施工初期，通过模拟装舱工况，计算装舱曲线装舱后泥沙厚度，以及不同粒径的泥沙分布。分别设置前、后装舱时间的5个对比工况，分析泥舱内不同组分泥沙分布情况及规定时间内的装舱情况，选取最优装舱方案，见图3、图4。

图3 各工况舱底泥沙厚度比较Fig.3 Comparison of bottom sediment thickness in each working condition

图4 各工况装舱曲线比较图Fig.4 Comparison of loading curve of each working condition

经软件模拟计算后，可以明显看出在舱底泥沙厚度的比较中，当前装舱时间所占比重增加，前进舱口附近和舱内前部泥沙堆积厚度随之增加，舱尾泥沙厚度随之减小，因此增加前装舱时间比重，可有效防止舱尾泥沙过度堆积造成挖泥船船体应力集中。

同时在舱内土方量的比较中，装舱过程中部分细颗粒悬浮泥沙会跟随水流从出口流出，而这一过程与泥沙粒径、水流条件和进出口位置有关，例如工况5的前装舱时间最长，而且距离出口近，因此溢流出的泥沙较其他工况多，舱内土方量最少。总体上说，在后装舱时间较长时，舱内土方量也相应较多。因此综合考虑装舱曲线与装舱后泥沙厚度分布曲线，选择装舱量最佳，且舱内泥沙平整度较好的工况。

4.2 装舱系统优化

为进一步优化装舱平整度，减少亏舱影响，在前装舱管增设装舱口，增加向船艏方向的装舱；加装溢流筒围堰，增加土质在溢流筒附近的流动路程，提高其船艏方向的土质沉积量。

5 吹填工艺

5.1 抽舱顺序优化

船舶在满载吹填初期，处于最大吃水位置，即泥泵处于水面以下最低位置，具有最佳的吸入性能，而随着吹填的进行，船舶由重载逐渐变为空载，泥泵所处位置也在由低变高，在一定程度上吸入性能较吹填初期变差，因此应在吹填初期优先对大粒径土质相对集中区域进行吹填作业，以充分发挥泥泵吹填的最大效率。

由软件分析判断粗颗粒土质在装舱口两侧堆积扩散范围，一般第2—第4组小泥门附近颗粒较大，如贝壳、砾石、粗砂类；越远颗粒越小，如细砂、粉砂类。大颗粒土质吸入、输送困难，应在船舶吃水大、泥泵吸入能力较强时吹填，即将粗细颗粒交接的区域确定最先抽舱的位置，先开该处小泥门，然后依次往大颗粒区域开泥门。

5.2 吹填操作优化

在吹填初期，由于管线内输送浆体的浓度增大，导致泥泵功率将随之增大，极易造成主机超负荷的现象。因此抽舱泥门的开、关、开度都会对吹填生产率以及泥泵效率造成影响。为避免浓度突增，引起泥泵功率的剧烈波动，小泥门微开5%以内，逐步提高吹填浓度。

6 应用效果

应用该施工工艺研究后，大大缩短船舶深远海取砂时间，且利用施工方案比选软件和装舱模拟计算软件，选择最佳装舱方式，既满足通航，又能充分发挥船舶能力，提高效率。通途轮结合实际工况及船舶本身特性，发挥了水下泵的取砂效率，保证了装舱量的最大化，提高了中粗砂吹填的合理性。在55 m挖深下，取砂密度能够达到1．25 t/m3左右，装舱效率达到85%～90%，装舱时间降低29%，吹填时间降低21%，较好的发挥了水下泵在深远海取砂工程中的优势。