单耙自航耙吸式挖泥船粉土施工效果

陈远雷

（神华上航疏浚有限责任公司，河北 沧州 061113）

0 引言

随着国内疏浚行业的迅猛发展，国内出现了较多大型、先进的耙吸式挖泥船，并伴随着网络技术的使用，船舶数字化、自动化水平也愈加提高，在降低人工劳动强度、减少施工人员操作风险的前提下，施工效率亦有所提高。但国内目前绝大多数的耙吸式挖泥船均为双泵、双耙臂结构，随着疏浚施工面对的工况复杂度提高、疏浚技术领域划分的细化以及船舶设计制造能力的提升，根据特定工况设计及制造的单耙自航式耙吸挖泥船在国内逐渐出现并投入使用。由于国内原有单耙耙吸船的施工经验较少，有关其施工工艺及施工效果的研究成果甚少，其与双耙耙吸船的工效对比成为了一个新的研究方向，对今后疏浚行业的发展方向有着非常重要的指导作用。

国内学者对耙吸式挖泥船施工效果开展了较多研究，对施工工艺、关键疏浚设备的改进在提高施工效果的研究方面取得了较多成果。郑金龙[1]等采用多因素敏感度分析法对影响耙吸船施工效率的因素进行分析，提出了最佳施工参数的选定过程与工具。苗士勇[2]等对小型耙吸挖泥船泊位清淤与绞吸船清淤的施工先进性和经济性作了比较研究。韩正[3]等对耙吸挖泥船和自航泥驳联合施工工艺的工效进行了测算，给出了不同泥驳配备数量条件下的施工工效。郑金龙[4]等采用CFD 手段对耙吸挖泥船耙头的内流场进行分析优化，探索耙头修型在改善耙头内流场、提升泥的吸输效率的作用。朱时茂[5]等通过改进耙头耙齿、优化挖泥施工工艺参数和艏吹方案探索长江内河疏浚和艏吹施工效率提高的方案。江帅[6]等根据“水刀”的切割原理设计出一种新型耙头模型，通过垂直和水平高压冲水提高耙头挖掘浓度。吕玉琪[7]等阐述了浅点的生成及预防措施，并给出了实施方案以及清除方法。朱时茂[8]等以舱容4 500 m3为代表的中小型耙吸挖泥船施工粉土为例，研究耙头、耙齿、高压冲水、泥泵等关键疏浚挖掘机具，优化装舱时间，以期提高粉土装舱效果。鉴于国内单耙耙吸式挖泥船一直未普遍采用，有关其施工效率和质量的研究甚少。

1 单耙耙吸船施工工况

以2019 年生产的单耙自航耙吸船航浚6008轮在黄骅港地区施工为例开展典型分析。重点对该轮的施工工艺、施工效果及与其他类似双耙自航耙吸船的施工效果进行对比分析，研究单耙耙吸船的施工布线、施工效率、施工质量等施工效果。

1）工程概况

神华黄骅港位于渤海湾西南，自然水深条件差，年回淤量较大，2019 年回淤量近1 800 万m3，需要常年进行维护疏浚。主要回淤土质为淤泥，回淤重心为航道W10—W25 区段，大风骤淤期间存在大范围粉沙回淤的可能，若不及时迅速开展应急疏浚极易因为粉沙沉积形成铁板砂，对疏浚施工造成极大困难。

神华黄骅港地区的粉土地质在国内的类似港口中具备典型代表性。使用丹麦进口的重力式柱状取样器（图1）进行现场土样采集，通过现场取样进行土质分析，粉土各项指标见表1。粉土标贯击数根据《淤泥粉沙质海岸长航道疏浚关键技术研究和应用》[9]成果，黄骅港地区粉土标准贯入击数为35 击。

图1 重力式柱状取样器Fig.1 Gravity column sampler

表1 黄骅港地区粉土指标Table 1 The parameters of silty in Huanghua Port

从航道地质勘探资料可知，粉土层分布于W0+000—W27+000 段，分布连续，厚度为2.50～4.60 m，平均厚度 3.7 m，W11+000 附近最厚（4.60 m），该层的底高程为-11.47～-12.75 m，平均底高程为-11.9 m；W27+000 以外没有粉土层，表层为淤泥，底高程为-14.27～-14.45 m，厚度1.0～2.0 m；淤泥质粉质黏土层分布于粉土层和淤泥层的下部，分布连续。

本工程土质：开挖前期主要以粉土为主，开挖至一定深度后以淤泥质粉质黏土为主，淤泥质土分布在W27+000 段以外，见图2。

图2 地质剖面示意及粉土层分布图Fig.2 Schematic of geological section and distribution of silt layer

本工程施工范围：N1+000—W41+000。具体施工区域见图3。

图3 施工范围Fig.3 Dredging scope

2）船舶主要参数

该船舶主要性能及设备参数见表2。

表2 航浚6008 轮主要参数Table 2 The main parameters of Hangjun 6008

航浚6008 采用威龙耙头，耙头布置双排耙齿，每排26 个，耙齿上安装高压冲水喷嘴。

耙头内一共布置4 排高压冲水喷嘴，两排耙齿每个耙齿各安装1 个，耙唇内部1 排26 个，耐磨块1 排25 个。高压冲水系统内设有必要的液压控制和手动控制蝶阀以控制流量，液压蝶阀由驾驶室远程控制，当为耙头供水时，高压冲水泵流量约为2 800 m3/h，压力为0.9 MPa。

耙齿及高压冲水喷嘴耙头布置图见图4。

图4 耙头内布置图Fig.4 Layout of the dredgehead

3）施工难点

由于是单耙施工，挖泥过程中对船舶的拖曳作用会造成船舶产生较大的偏向力，给船舶操作带来较大困难。因此，在施工中需要将左右主机功率进行适当分配并调整，降低船舶在挖泥作业过程中产生偏转力矩对施工操作带来的影响。

2 施工方法及施工参数

2.1 施工方法

采用耙吸挖泥船典型的装舱工艺，施工时采用装舱溢流法、直线浚挖法、分带、分层法，将疏浚土运至抛泥区抛卸。

2.2 施工工艺流程及参数

开始施工后首先对施工区段进行了典型施工，开展船舶效率测试工作，主要对耙齿类型、高压冲水开启和关闭状态、波浪补偿器压力和施工航速等参数在不同状态下的施工效果进行记录、对比分析，提取各参数组合下达到的最佳施工状态，确定施工方案，提高施工效率。

本次施工中选取高压冲水压力P、波浪补偿器压力P′、施工航速V 3 种施工中可调范围较大且对施工效率存在明显影响的设备参数作为施工效率测试参数。根据船舶设备性能及施工工况，设定3 种参数选取的数值：高压冲水压力3 组P1、P2、P3，波浪补偿器压力 3 组 P′1、P′2、P′3，施工航速3 组V1、V2、V3，并采取多因素分析方法表格设定每一施工船次设备参数设定值，利用船舶疏浚监控系统自动记录施工过程设备数据及进舱浓度，统计每一组次挖泥过程平均进舱浓度值作为施工效率评价指标，组次及浓度指标见表3。

综上分析可知，3 个影响施工效率的参数重要程度排序为：高压冲水压力＞航速＞波浪补偿器压力。最佳施工工艺参数为：开启高压冲水、压力为0.7 MPa，施工航速3.0～3.5 kn，波浪补偿器压力对施工效果影响不明显，出于施工安全的角度考虑将参数设置为3.8 MPa。此外，通过液压系统控制耙唇活动罩水平角度在20°～30°之间，保证耙唇与泥面贴合，耙齿采用前排尖齿后排平齿的组合，控制挖深15.2 m。

表3 多因素敏感性分析表Table 3 The analysis of multi-factor sensitivity

3 施工效果分析

3.1 施工效率

1）施工区段

航浚6008 施工区段分布于航道W11—W27之间（见图2），每次施工区段长度定为3～4 km，运距14～24 km。采用装舱溢流法施工，由于挖泥过程进舱浓度较差，因此适当增加船舶溢流时间。

2）施工效率计算

由于施工区段不固定，船舶施工期间与抛泥区运距差异较大，施工周期亦相差较大，采用完整的施工周期计算船舶施工效率无法真实反映船舶的实际施工效率，而挖泥时间与施工船舶的装载量有直接关系。因此，采用船舶完成工程量与挖泥时间之比作为施工船舶的生产效率。因神华黄骅港地区大风回淤频发，经常性出现大规模回淤导致下方无法准确计量，本文采用二期未出现6 级以上大风的测图期间的下方量作为船舶实际完成工程量。

根据该轮在神华黄骅港施工期间历次测图计算各测图周期的下方量，结合船舶实际挖泥时间计算船舶生产效率。

根据表4，该船舶在同一区段不同时间周期内施工效率变化较大。尤其是在09-15—09-26期间，采取装舱后溢流时间延长的施工方法，施工效率明显降低，由此可见单纯挖泥时间并利用溢流的方法增加航道水深的方式并不适合该工程。

表4 挖泥效率Table 4 The dredging efficiency

3.2 施工质量

以8 月27 日测图与9 月6 日测图为例，对该船舶施工区段水深、浅点数量、平整度进行统计，分析船舶的施工质量，两期测图水深断面对比及施工质量分别见图5 和表5。

图5 施工区段水深断面图Fig.5 Water depth section of construction section

表5 施工质量Table 5 The dredging quality

根据图中水深断面曲线显示，施工后的航道底槽平整度较差，局部出现垄沟，主要由于该船舶为单耙施工，操作难度大。相比双耙耙吸船，单耙耙吸挖泥船在施工质量控制上需要采取更加有针对性的措施：

1）船舶走线应按照计划布线，避免在同一位置重复布线，做到布线均匀。

2）操耙手注重定深控制，注意耙头姿态。

3）在施工环境允许条件下，开启自动控制模式，由计算机算法自动调整耙臂姿态，减少人为操作的随意性。

4 结语

通过对国内较为典型的单耙耙吸式挖泥船在神华黄骅港地区的施工工艺和施工效果分析，给出了单耙耙吸式挖泥船粉土疏浚施工在该工况条件下的施工工艺流程和参数确定方式、提高施工效率应改进的方向：

1）施工船舶首先通过效率测试确定典型施工工艺参数，其中对粉土施工效率影响最大的参数是高压冲水压力。

2）过度提高挖泥时间并不能明显提高施工区段生产效率，不利于航道水深的增加，施工船舶应当通过一段时间的数据积累，按照施工船舶运转周期内最大施工效率确定最佳装舱时间。

3）施工过程应特别注意施工平整度的控制，单耙耙吸式挖泥船施工操作难度较高，较容易出现局部漏挖现象。

4）单耙耙吸式挖泥船在国内使用经验较少，需要在施工中逐渐积累在不同土质条件下的施工效率，确定最适合的土质。