关于提高耙吸船储砂坑利用率的分析研究

谷祥瑞，张晓峰，李佳阳

（中港疏浚有限公司，上海 200126）

0 引言

耙吸挖泥船通过装舱溢流法施工工艺取砂，进入指定的开挖区内，将耙管放至水平状态后启动泵机，待泥泵转速正常后将耙头下放至砂面层再打开进舱闸阀装舱，当泥舱装满后仍继续泵吸泥浆进舱，使泥舱上层低浓度的浑水从溢流口上层溢出。根据不同土质控制溢流时间，尽可能使泥舱的装载量达到最大，然后停泵起耙，满载航行至抛砂区抛砂。卸砂方式通过液压控制可以开启舱底大泥门，舱内的泥砂在自身重力作用下会流出泥舱逐渐沉积至水底，同时应用高压冲水进行舱内冲洗，使淤积的泥砂尽可能全部抛净[1]。采用此种抛砂方式，在水深条件满足的条件下，应尽可能保证泥舱的船位与抛砂坑位置相对应，抛砂位置准确，充分利用储砂坑坑容。

本文以厦门新机场保护带施工便道工程中新海龙9号储砂坑内抛砂施工为例，详细介绍了耙吸船抛砂施工中通过调整9号储砂坑中抛砂坑尺寸提高施工质量的方法。

1 工程概况

厦门新机场陆域形成工程的砂料主要采用距离吹填造陆区约30 n mile的东碇岛外海砂源，主要通过耙吸船进行取砂抛坑作业，再由绞吸挖泥船吹填至陆域指定区域。其中厦门新机场保护带施工便道工程主要服务于保护带施工，确保保护带施工时所需材料的运输。临时施工便道所需海砂则通过耙吸挖泥船新海龙在东碇岛取砂区取砂，然后重载航行至7号、8号、9号储砂坑内开启大泥门抛砂进行备砂[2]。

2 储砂坑工艺试验

因本工程特殊原因，绞吸挖泥船暂时无法进行施工作业，而耙吸挖泥船需加快施工进度，为后续其他工程按时开工提供条件。在储砂坑总坑容一定的前提下，最大程度地利用空间，充分提高储砂坑的坑容利用率显得尤为重要。

2.1 试验段选取

根据要求新海龙轮首先于9号储砂坑进行抛砂作业，9号储砂坑长度500 m，宽度400 m，上半区按照前阶段工程施工经验将9号储砂坑划分为长度100 m，宽度30 m的抛砂坑用于船舶定位抛砂，并以编号9-1至9-32抛砂坑命名，下半区根据堆积模型确定抛砂坑划分尺寸，见图1。

图1 9号储砂坑上下半区划分图（m）Fig.1 Partition map of upper and lower half area of No.9 sand storage pit（m）

通过对9号储砂坑进行上下半区划分，测定及对比耙吸船在2个半区不同尺寸抛砂坑内抛砂作业的施工质量，确定合适的抛砂坑尺寸，为后续7号、8号储砂坑划分提供依据，保证现有坑容条件下为厦门新机场保护带施工便道备砂充裕。

2.2 抛砂堆积机理模型确定

1）水下成型坡度

耙吸船新海龙东碇岛取砂区取砂后，在泥舱内选取砂样进行土工检测，分析海砂颗粒级配。根据JTS 147—2017《水运工程地基设计规范》中第4.2.3-2条规定，颗粒组成符合粗砂要求[3-4]。对新海龙东碇岛取砂砂样进行水下成型坡度试验，将取砂样置于静止水面以下自由塌落，然后量取水下成型坡度约为1颐2。

2）耙吸挖泥船泥舱尺寸参数

通过图纸确定新海龙泥舱尺寸为长57 m，宽20 m，根据现场测量新海龙泥舱底部大泥门处收窄，实际大泥门收窄处对应抛砂范围长度52 m，宽度19.5 m。

3）海浪潮流参数

厦门海域的潮流为规则半日潮流，潮流的旋转率都很小，属于往复流。潮流的流速流向因地而异，流速直接和潮差及地形有关，流向受地形制约。涨潮流流速一般小于落潮流速，最大涨潮流流速出现在厦鼓水道，为1.30 m/s，最大落潮流流速出现在西海域主航道附近，超过1.50 m/s，流速一般从表层向底层递减。

波浪多为混合浪，其浪向基本上与风向一致，海区出现的大浪多数是产生于台风期间的台风浪。对应海域的常浪向为NE，频率34.1%；次常浪向为NNE，频率21.8%，海区年平均波高为0.3 m，平均周期4.7 s，观测期间最大波高为2.4 m；1 a中除夏季常浪向和次常浪向为SSW、S向外，其余3个季节的常浪向和次常浪向均为NE、NNE向。

4）抛砂坑平均航行水深

耙吸挖泥船自航至抛砂区抛砂，抛砂区应有足够的水深、水域面积容泥量。对于存在潮汐作用的抛砂区，必须区分潮位涨落变化，掌握实际可以抛泥的水深和时间，并应将涌浪对开泥门状态下的安全水深加以综合考虑。平稳水面下抛泥点的最小水深可按下式计算：

式中：H为抛砂坑平均航行水深，m；HT为耙吸挖泥船的最大吃水，m，新海龙最大吃水取9.4 m；HK为富余水深，m，根据《中港疏浚有限公司浚工操作规程》[5]富余水深值表取0.3 m；HB为泥门开启超出船底的深度，m，根据新海龙泥门尺寸取1.5 m；Hw为储砂坑平均潮位，m，根据潮汛表取3.2 m。

通过计算新海龙抛砂坑平均航行水深H取8.0 m。

5）抛砂堆积模型确定

根据海浪潮流参数分析，结合9号储砂坑处的流向影响分析得出，抛砂坑宽度方向受海浪影响较大，同时结合上半区9-1至9-32多次抛砂坑成型测图分析确定，抛砂坑长度方向扩散系数取1.05，抛砂坑宽度方向扩散系数取1.45。结合新海龙实际大泥门对应抛砂范围尺寸及对应水下成型坡度绘制抛砂堆积模型，堆积模型集中淤积范围为长度54.5 m，宽度28.5 m。耙吸船水下成型方量按照体积法计算集中淤厚为3.05 m。按照新海龙轮抛砂坑平均航行水深8.0 m，集中淤厚3.05 m计算，9号储砂坑成型抛砂水深约5.0 m。

2.3 通过堆积分析确定储砂坑划分参数

通过耙吸船抛砂堆积模型分析并结合9号储砂坑下半区尺寸，将抛砂坑尺寸划分为长度50 m，宽度30 m网格，并以9-33A至9-64B编号命名（图 1）。

上半区9-1至9-32抛砂坑长度100 m，宽度30 m为前阶段工程施工经验划分区域，下半区9-33A至9-64B抛砂坑长度50 m，宽度30 m为根据堆积模型确定试验区。

3 施工效果分析

2019年9月15日新海龙完成9号储砂坑备砂作业，9月16日对9号储砂坑进行全范围测图分析，通过成型断面、抛砂平整度、成型抛砂水深及坑容利用率4个方面比较上半区9-1至9-32抛砂坑与下半区9-33A至9-64B抛砂坑的施工效果[6]。

1）成型断面分析

为及时掌握耙吸船抛砂成型断面，每次抛砂完成后及时进行单波束水深测量，测量前按照抛坑的纵向进行设计断面线，断面线两端各超出储泥坑80 m，断面间距为10 m，测量时严格按照设计的断面进行测量。

测量完成后通过HYPACK 2009水深处理软件进行内页处理，并根据实测数据绘制出水下地形断面。上半区成型断面图为采用100 m伊30 m抛坑施工时的典型断面，见图2；下半区成型断面图为采用50 m伊30 m抛坑施工时典型断面[7]，见图3。通过比较不难发现采用50 m伊30 m抛坑施工后抛砂成型断面曲线更加平缓，垄沟得到有效消除，施工效果明显。

图2 上半区成型断面图Fig.2 Sectional drawing of upper half molding

图3 下半区成型断面图Fig.3 Sectional drawing of lower half molding

2）抛砂平整度分析

标准差s为普遍采用的平整度评价指标，在一定步长内，对所测得的一系列高程值应用一般统计学方法计算得到标准差s来表征平整度。

根据9号储砂坑9月16日全范围测图数据，通过平整度标准差计算公式分别求得上半区9-1至9-32抛砂坑平整度s1=1.137，下半区9-33A至9-64B抛砂坑平整度s2=0.793。下半区较上半区抛砂坑平整度性能有所提高。

3）成型抛砂水深分析

根据新海龙抛砂区最小平均航行水深8.0 m，集中淤厚3.05 m计算，9号储砂坑成型抛砂水深约5.0 m。对9号储砂坑9月16日全范围测图分析，以5.0 m成型抛砂水深为基准，分别计算上下半区抛砂坑达到5.0 m成型抛砂水深百分比。计算得出上半区抛砂坑5.0 m成型抛砂水深占测图百分比为72.7%，下半区抛砂坑5.0 m成型抛砂水深占测图百分比为94.3%。5.0 m成型抛砂水深下半区抛砂坑较上半区抛砂坑提升29.7%。

4）坑容利用率分析

根据7月14日9号储砂坑工前水深测图计算，按照5.0 m成型抛砂水深分别计算上下半区抛砂坑工前测图坑容大小，其中上半区9-1至9-32抛砂坑工前测图坑容为769 156 m3，下半区9-33A至9-64B抛砂坑工前测图坑容为746 920 m3。9月16日完成9号储砂坑备砂施工，根据测图计算上半区、下半区抛砂坑工后实际成型方量，其中上半区9-1至9-32抛砂坑工后实际成型方量为631 962 m3，坑容利用率为82.2%，下半区9-33A至9-64B抛砂坑工后实际成型方量为725 040 m3，坑容利用率为97.1%，下半区较上半区抛砂坑坑容利用率提升18.1%。

4 结语

东碇岛取运砂项目的有序实施是保证厦门新机场保护带施工便道工程顺利推进的先决条件，提高耙吸船抛坑利用率对工程质量、进度及成本管控具有重要意义。通过合理调整抛砂坑尺寸，进一步优化抛砂平整度，提升5.0 m成型抛砂水深百分比，有效提高储砂坑坑容利用率，对后续7号储砂坑、8号储砂坑相应的工程实施具有指导性意义，保证现有坑容条件下为厦门新机场保护带施工便道备砂充裕，为国内类似工程提供借鉴思路。