西非内河航道入海口施工及维护期疏浚与回淤分析

孙小康，刘传磊

(烟台仲伯企业管理咨询有限公司，山东 烟台 264000)

0 引 言

本文以西非某国内河铁矿码头项目为例展开研究。该项目受限于技术条件及投资控制，为了快速取得矿产资源的发运条件，某投资企业选择在已有通航条件优良的河道中采用“小吨位驳船转运+海上过驳”的方式出运铁、铝矿石，仅需在河道中建设小规模泊位(一般为8 000～13 000 t)，在减少投资的同时达到最大装运效率。为了配合这种生产工艺，首先需要突破河口区域常见的“拦门沙”、航道回淤等一系列疏浚难题。本位结合海外施工设备稀缺、船型可选择性少的特点，选择最优方案，提高施工效率，减少投资，满足生产运力要求。

1 工程概况

1.1 工程整体情况

本工程建设规模为：4个1.2万DWT矿石驳船装船泊位，矿石设计吞吐量为7 000万t/a。航道全长约31.9 km，划分为内外航道，设计底标高分别为-8.7 m、-9.4 m。其中外航道全长27.8 km，拟按满足矿石驳船全天候通航进港的要求进行建设，设计底标高为-9.4 m；内航道全长4.3 km。港池、航道及码头前停泊水域疏浚工程量约1 884.42万m3，其中，施工期回淤量为200.63万m3，疏浚土均外抛至外海抛泥区中。

1.2 候选船型及规格

候选船型及规格见表1。

表1 船型及规格表

2 现状水文气象条件

2.1 拦门沙

根据项目水文观测及测量报告，该内河河道入海口处存在拦门沙一道，如图1所示。内河航道水深超过9 m，外航道浚前水深3.5～5 m。

图1 入海口拦门沙示意

2.2 此区域流速流向

根据此区域的水文观测结果，得到如下具有代表性的底层潮流流向图，如图2所示。

图2 区域典型底层潮流流向图

最大流速出现在拦门沙内河侧L2观测点位，表层最大流速为265.2 m/s，方向84°；中层最大流速为233.6 m/s，方向80°；底层最大流速为176.7 m/s，方向81°。

拦门沙外海侧L3观测点位，表层最大流速为183.0 m/s，方向72°；中层最大流速为166.5 m/s，方向78°；底层最大流速为121.0 m/s，方向76°。

拦门沙内外侧存在流速差，平均流向存在夹角。

2.3 区域悬沙含量

该区域某观测时段平均含沙量，拦门沙内河侧L2观测点位，表层含沙量在涨潮时为33.6 mg/L，落潮时为139.8 mg/L；中层含沙量在涨潮时为91.7 mg/L，落潮时为278.6 mg/L；底层含沙量在涨潮时为180.2 mg/L，落潮时为389.0 mg/L。

拦门沙内河侧L3观测点位，表层含沙量在涨潮时为322.0 mg/L，落潮时为373.1 mg/L；中层含沙量在涨潮时为553.7 mg/L，落潮时为552.8 mg/L；底层含沙量在涨潮时为733.9 mg/L，落潮时为976.2 mg/L。

2.4 底层土质

根据区域地勘采样，该区域土质分为如下几类：

(1)粉质黏土：棕红～灰白色，软塑，切面稍光，无光泽，干强度中等，韧性中等，含少量砂。此类土层分布区域较大，分层厚，为4～5 m。

(2)淤泥质粉质黏土，灰黑色，流塑，切面稍光，干强度低，韧性低，有腐味，夹杂少量砂。部分区域分层厚度可达8 m。

(3)粉砂：浅灰色，稍密，饱和，主要以长石、石英为主，级配差，磨圆度好。此类图层分布不均，多介于粉质黏土与粗砂之间。分层厚度小于1 m。

(4)粗砂：黄褐色，中密，饱和，主要由长石、石英组成，含云母，级配较好，磨圆度差。

该区域大范围为粉质、淤泥质黏土，且分层较厚，分布不均，疏浚条件复杂。典型钻心取样如图3所示。

图3 钻心取样图

2.5 潮汐

该区域为规则半日潮，潮位特征值见表1。

表1 潮位特征值

2.6 气候气象

该区域属于热带型气候，沿海地区为热带季风气候，内地为热带草原气候。一年之中分为雨季和旱季两个季节，5至10月份为雨季，降水量约占全年的90%，11月份至次年4月份为旱季，干旱少雨；大部分地区降水量充沛，年降水量介于1 300～4 500 mm，并自东北部向西南大西洋沿岸递增。降水多集中在夜间，雨季初期和结束前为强雷电多发期。

注：①该表为天文潮特征；②受径流和气象等因素影响，水位存在-0.475 4～0.457 1 m。

工程区域的常风向主要分布在W～SW向。旱季的强风向为W向。海向风(W向)/陆向风(E～NE向)在雨季强烈显著，但在雨季陆风比重明显下降。

3 影响疏浚作业效率及成本因素

3.1 地理位置

该项目位于西非海岸，距离我国约11 000公里。人均收入较低，为世界上最不发达的国家之一。带来的困难就是物资稀缺，机械设备完全依赖进口。当地无船只养护设备及各种配件。多数零部件及养护材料需从国内采购，由于船期较长，约45 d，有关键紧急物资需求时不能即时补给，存在潜在影响效率因素。

3.2 气候条件

结合上述海域自然条件特征，影响工程水域作业天数因素为风、降水和波浪。

工程区域6—10月份为雨季，我们从周边工程实际作业中了解到受降水影响最大的是7—10月份，影响天数约37 d；6月份以及其他月份降水影响合计约8 d。当地风不大，尽管存在风飑现象，但历时较短。

内河水域波浪很小，可以忽略。外海海域以涌浪为主，波周期较大。对8 000～12 000吨级驳船影响天数暂估为25 d。

3.3 工法工艺

基于成本考虑，国内调遣船只费用极高，而西非区域施工船只数量、种类均较少，且大多比较老旧。可供调配的只有18 m3挖泥船1一条，已经服役超35年，运行维护困难；2 000 m3耙吸式挖泥船1条，吨位较小不满足工程需求。因此，均不做考虑。

疏浚施工前期，为了缓解后期压力，施工单位采用海上过驳平台临时改装作为抓斗式挖泥船使用，采用单锚定位，在航道范围内进行粗抓。采用甲板驳运输淤泥，到抛泥区后由其他过驳平台卸泥。后续增加进场1条改装的抓斗式挖泥船，采用四锚定位，在单锚抓斗式挖泥船之后复抓。由于作业系统不匹配，此类挖泥船具有如下特点：抓斗强度不高，损坏较快，需经常维修维护；机械结构限制不能正确获得水下抓斗深度，导致浚深无法精确控制；移锚船只采用3000HP拖轮加装起重设备，类似辅助船只较多，人员及运行成本较高。

3.4 测量观测条件

基于人员、设备成本考虑，航道测量采用RTK设备进行定位，配合双频单波束测深仪对水深进行无验潮测量，从而获得水下地形点。由于设备限制，即使按照测量规范规定的间隔扫测，仍不能正确反映航道疏浚细节状况，无法监控航道施工期回淤。

3.5 回淤

港航施工过程中挖出的淤泥会在水流作用下产生回淤。回淤分为三类：

3.5.1 悬沙回淤

拦门沙区域海水中含沙量大，且内外侧观测差较大，悬沙流动性强，黏聚力低，遇到流速降低及对流情况时形成回淤。此项目规划航道拐点位于拦门沙区域，为不利影响因素，航道形成后，上游悬沙直接入槽，在拐点处极易重新淤积，增加后期维护压力。

3.5.2 施工扰动回淤

为证实这一设想，她利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，敲除该基因编码区，被破坏掉编码区的ZmGRP1就无法正常表达。将经过此处理的植株和正常植株进行比对，发现有一千多个基因的可变剪接受到影响。ZmGRP1就如司令官指挥千军万马一般，调控着这些基因的可变剪接。

当施工开挖低黏聚力泥沙时，周边泥沙在水力作用下迅速将开挖区域回填，尤其是目前采用抓斗式挖泥船施工过程中，开挖面不规则，额外增加回淤量，粉质黏土极易出现这种状况。此类回淤沉积速度快，强度大，易监测。在施工期雨季1个月的监测中，分析确定的此类回淤量可达20%。

3.5.3 边坡滑塌

由于底质条件复杂，各土质分层不均，淤泥体流动性强，受海底水流影响，容易发生边坡滑塌，滑塌的土体流入航道形成回淤。

4 为增加疏浚施工效率及节约成本的建议

综合分析上述工作条件及影响因素，进行如下优化探讨。

4.1 船型选型论证

前期经过改造的抓斗式挖泥船虽然有众多弊病，但由于无须调遣，充分利用当地已有资源，为工程整体疏浚减轻不少压力。为了后续工作更顺利进行，同时满足后续维护性疏浚需要，增强工效，现需对疏浚船型进行重新选型。备选船型方案如下：

(1)绞吸式挖泥船船：适用于土层厚、大断面施工；挖、运、抛可独自完成，能减少泥驳等辅助船只；航道断面成型规整，疏浚效率高，每疏浚方成本较低；调遣成本高，施工准备时间长；需要起锚艇辅助作业。

(3)抓斗式挖泥船：适用于小范围航道及港池内作业，灵活性高；受挖泥区杂物、土质影响小；受风、流、涌浪影响大，工作环境限制多，效率低；辅助设备及人员配置多，油耗及成本大。

本项目疏浚工程量较大，采用单一船型进行疏浚均会受到各种不利因素制约，进度及疏浚质量无法得到保证。

考虑前期使用抓斗式挖泥船已经积累了相当多的使用经验，而且船员与设备已经达到一定程度的默契，且当遇到拦门沙及近岸等不满足其他船型作业水深时(选定船型吃水仅3.5 m，较为灵活)，需通过抓斗式挖泥船打通航路提供作业面，因此抓斗式挖泥船需继续保留，保留1条14 m3挖泥船，配合1条3000HP拖轮改造的起锚船及3条2 000 t自航式开体泥驳进行作业，将原有2艘抓斗式挖泥船取消，届时可减少拖轮、甲板驳等大量辅助船只。

考虑绞吸式挖泥船虽然疏浚效率高，但需要大量附属设备及船只，包括水上及路上管线、排泥场和锚艇，开工准备及撤场时间长，如遇风浪较大天气，回港避风至重新启动作业周期较长。当地有大量渔民在近海捕捞，干涉面较大，处理关系需要成本，且存在阻工风险。从经济性考虑，绞吸式挖泥船每万立方米相较于耙吸式挖泥船节油约4.5 t，绞吸式挖泥船可疏浚量为1 275万m3，可节约717万美元，但船体及其他辅助船只、管材调遣费用较高，约需850万美元，且调遣期间仍需要抓斗式挖泥船连续作业，综合考虑节约费用有限，经济性优势不大。

耙吸式挖泥船调遣时可通过自航选择经济航线自行抵达施工区域，且无须其他辅助船只，节约了运输调遣费用；疏浚施工时人员配备较少，作业起停均比较灵活；可根据施工工况及工作面调整抛泥区位置，优化抛泥线路，进一步减少施工成本。航道成形后可用于维护性疏浚，也可派遣到西非其他项目施工，进一步降低综合成本。

综合分析，本项目拟采用抓斗式挖泥船1条，配合耙吸式挖泥船1条进行施工作业，辅以3条2 000 t自航式泥驳，及3000HP拖轮1条，拖轮可兼做交通船只及海上应急船只。

4.2 耙吸式挖泥船施工工艺优化

耙吸式挖泥船施工工艺优化重点集中在浅区施工工艺方向，即减少对抓斗式挖泥船的依赖性，当抓斗式挖泥船将拦门沙等浅区位置航道打通后，耙吸式挖泥船可自行完成剩余疏浚任务。

(1)利用河口落潮流速快的特点，利用抽仓旁通法，迅速增加拦门沙段航道水深。抽空泥仓残留物，最大限度地减小船舶空载吃水，疏浚混合土经泥泵吸入后不进仓直接排出舷外，利用河道落急期间水流将浅层泥沙扩散到较深海域。此工法可快速扩大加深航道，为耙吸式挖泥船提供作业面，适合河口段清淤使用。

(2)利用抓斗式挖泥船提供抛泥航道。抓斗式挖泥船前期需帮助耙吸式挖泥船提供7 m浚深的航道，保证耙吸式挖泥船可以全天候进出抛泥区，不需要趁潮作业，以增加工效。若是工期发生回淤，耙吸式挖泥船也可以自行处理。

(3)高频率的环境监控。重视对风，水流的监控，即时调整船头指向，改变施工方式，避免窝工或者搁浅事故的发生。

(4)航道基本成型后利用耙吸船进行收尾疏浚。航道大致成型后，必然有小范围不平整浅点，利用耙吸式挖泥船优势，对基槽进行收尾疏浚，清理掉施工期各种因素的回淤，并平整槽底，保证疏浚质量。

(5)绞吸式挖泥船方单价分析。对于绞吸船来说，在运距固定时，疏浚量越大，综合成本越低。当疏浚量大于50万m3时，单价趋于稳定。抓斗式挖泥船成本则跟抓斗大小关联较大，抓斗越大，成本越低。所以施工过程中，尽量给绞吸式挖泥船安排更多的工作量，可以进一步降低成本。

4.3 施工期回淤监测及控制

已知施工区域悬沙含量较大，受地理位置制约，改建港口或航道已不太现实，只能从航道线路上进行相应优化，减小航道夹角，将航道拐点移出急流冲击区域，以避免或减少航道拐点处的回淤。

已知文献及水文观测资料表明，风浪对航道回淤量影响较大，风级越高，淤泥分布强度越大，回淤量越大。已知当地较大风浪发生在6—10月份的雨季，届时需加强对回淤量的监控，及时采取应对措施。

4.4 先进设备及船舶自动化升级

针对疏浚行业的需求，国内专业港航单位已完成开发并投入使用多种疏浚辅助设施及自动化控制系统。其优点是具有可视性，自动化程度高，失误率低。

(1)利用GPS定位仪、运动姿态传感器、电子罗盘、潮位仪、测深仪等电子设施，精确感知船舶位置、姿态、潮汐状况及水深，利用测量数据制作地面数字模型(DTM)，将疏浚作业过程可视化。优化成本，减小风险。

(2)通过先进的自动化控制系统，根据土壤密实度自动调整泥泵转速、船舶航速、耙头对地角、冲水压力等参数，增强耙头生产率。

(3)利用单波束测深仪、多波束测深仪、侧扫声纳等设备，对疏浚情况进行动态监控。实时分析回淤装况，随时调整施工工艺。

通过上述措施可对疏浚质量严格把控，减少超挖，控制废方，进而达到降低成本的目的。

5 结束语

本文通过现有的水文、气象、潮流等信息，结合各疏浚船型特点，进行综合分析，确定了以抓斗式挖泥船配合耙吸式挖泥船的船型组合，并提出了一些疏浚工艺，最大限度地减少施工成本，提高施工工效及质量，保证航道尽快满足全天候通航及运力需要。