航道工程疏浚方法对比分析

2020-06-01殷浩翔广州港建设工程有限公司

珠江水运 2020年8期

殷浩翔广州港建设工程有限公司

1.引言

由于时间的推移，水利航道淤泥堆积现象会逐渐的严重，为了保证航道正常通航，为航道中水上作业工程提供良好的作业环境，水利部门需要定期或不定期对航道进行疏浚，以防影响其他的水上作业。在航道疏浚中，需要多种作业设备，例如挖泥船，其也是航道疏浚过程中最重要的设备。挖泥船主要作用就是进行挖出航道中沉积的淤泥，减少淤泥对航道的影响，给过往船舶提供一个顺畅的通行条件。挖泥船的作业方式包括如下几种：斗轮式、抓斗式、链斗式、铲斗式以及耙吸式和绞吸式，本论文重点介绍后两种作业方式。

2.工作原理对比分析

2.1 绞吸式挖泥船

挖泥船在对航道淤泥进行清理时，使用最多的作业方式就是绞吸式。其工作原理阐述如下：在挖泥船吸水管前端设置旋转铰刀，利用其搅动河底淤泥，同时对河底淤泥进行切割，之后将泥沙淤泥通过吸泥管运输到淤泥堆积场。这种作业方式的优势为可以连续作业，挖泥、运泥以及卸泥可以一体化完成，这些环节可以依次推进，因此其工作效率较高，且能够降低花费。在水下淤泥疏浚时，通常使用该方法。

2.2 耙吸式挖泥船

采用粑吸式作业方式的挖泥船，通常在船体尾部或者船体两舷处放置粑头，航道淤泥就会通过粑头吸入船体。这种作业方式优势在于其具有较高的抗风浪能力，工作效率高，在处理淤泥时不会对船体的航行产生影响，因此主要应用于沿海港口等。

2.3 链斗式挖泥船

采用链斗式作业方式的挖泥船其船体斗链上都带有挖斗，挖斗在斗桥上会随着导轮的转动而转动，通过这种方式将沉积于河道中的淤泥运输到水面上，同时将锚缆向船体四周抛出，船体会随着锚缆而移动。挖泥船将淤泥从水底移向水面之后，接着会将其运输到塔顶，最终倒入泥阱。

2.4 铲斗式挖泥船

采用铲斗式作业方式的挖泥船可以将所有功率都集中在铲斗上，因此其非常适用于开挖硬度较大的淤泥。这种挖泥船在作业的过程中会将铲斗深入河道中，挖出河道中沉积的淤泥，然后利用吊杆将淤泥和铲斗同时提升，利用回旋装置将淤泥卸除到淤泥堆积点。

2.5 抓斗式挖泥船

采用抓斗式作业的挖泥船工作原理为：将泥斗悬挂于钢索和吊杆上，由于泥斗自身的重力，其会下沉到海底处，并在海底处进行淤泥的开挖。挖出淤泥后，抖索绞车将会启动。抓斗将会通过吊杆滑轮在吊斗锁的作用下升起，转动挖泥机将会吊斗中的淤泥卸到淤泥池中。

3.使用场景及方法对比分析

当前，挖泥船在对航道淤泥进行清理时，使用最多的两种作业方式为粑吸式和绞吸式，本章重点对上述两种作业方式的优缺点以及使用场景进行分析。

从挖泥作业位置到卸泥场之间的距离来看，粑吸式要远于绞吸式。绞吸式作业方式优势在于其挖掘轮廓准确，并且能够进行不同淤泥的开挖。绞吸式挖泥船型号种类多样，功率各不相同，最大和最小的功率相差近4000KW，但这种作业方法最大的缺陷就是无法进行深水挖泥，最大挖泥深度仅仅为30m。

由于绞吸式挖泥属于静态挖泥的一种，因此在其工作时需要两套以上的锚缆系统，但过多的锚缆却影响航道其他船舶的通行。为了解决这一问题，有的挖泥机安装了推进器，避免在作业时被“绊住”。推进器可以实现挖泥船在不同工作点间的移动，帮助挖泥船驶离作业区域。

对于中小型挖泥船，其可以设计为可拆卸式，这种挖泥船主要用于无水路航道的挖泥。例如在建筑工地或者内陆航道挖掘石子和沙粒。

图1 典型绞吸式挖泥船平面布局图

图2 绞吸式挖泥船最大挖泥深度与自重的关系

图3 绞刀功率与平底船最大吃水的关系

绞吸式挖泥船的挖掘工具为外船体顶部的铰刀或者铰刀头，当其深入到航道底部时，首先切割航道中沉积的淤泥，之后挖泥船将会以绞盘上固定的锚缆为中心进行圆弧形旋转。这一特点使其有别于吸扬式挖泥机，吸扬式挖泥机虽然有固定的缆绳定位，但其并不是定位桩，没有定位桩定位。

在进行绞吸式挖泥船设计时，必须考虑的设计因素为挖泥深度，设计师必须给出具体的最大和最小工作深度，挖泥船的挖泥深度将决定挖泥船的使用情境。挖泥船吃水深度将会随着挖泥深度的增加而增加，而最小挖泥深度将会随着船体吃水深度的增加而增加。因此当挖泥深度增加时，船体最小挖泥深度也会增加，在设计时必须考虑这一因素。

在绞吸式挖泥船作业时，铰刀头在挖掘河道淤泥产生的作用力将会通过定位桩传给河道，随着挖泥深度的增加，河道淤泥所受到的力矩也会变大，这就要求船体重量更重、体积更大，船体结构会显得异常笨重。另外，铰刀支臂结构的设计也应该考虑最小挖泥深度，因为在检修时，要求船体的铰刀支臂离开作用面。

挖泥船设计者在进行最小挖泥深度设计时，必须同时考虑铰刀支臂结构、船体进水口结构以及船体吃水深度。绞吸式挖泥船在进行最小挖泥深度作业时，其船体底部不应该紧贴地面，而应该和水面具有一定的距离。为了满足这一条件，如果绞吸式挖泥船最小深度设计的比较小，其船体宽度就要设计成大尺寸。船体吃水值最多要比最小挖泥深度大1m。冷水入口位置和船底的距离应该大于最小挖泥深度，因为只有这样才能避免淤泥进入到冷水入口。

在进行绞吸式挖泥船设计时，还应考虑作业土壤状况，因为土壤状况不同，绞吸式挖泥船的钢桩、平底船以及铰刀就不同。除此之后，作业土壤状况还会对输泥管和吸泥管的设计产生影响。当作业功率相同，切削量相同时，绞吸式挖泥机在岩石型土壤的作业功率要远远大于在泥沙型土壤的作业功率，因此如果作业土壤为岩石型，输泥管直径设计值就要小一点。

绞吸式挖泥船生产效率将会随着淤泥混合物含量的增加而增加。保持挖泥船效率不变，在提高运输淤泥混合物含量的同时，可以减少泥泵运输功率。但泥泵运输功率的增加会带来溢流量的增加，因此在设计时必须全盘考虑，综合衡量。

绞吸式挖泥船作业过程中驳船的使用需要同时考虑泥泵功率以及运输距离。当作业区域和卸泥区域距离较大时，需使用驳船，当作业区域和卸泥区域距离比较短，则无需使用驳船。

为了提高绞吸式挖泥船的作业功率，有的绞吸式挖泥船要求使用时配备外加水泵。水泵功率的选择方法为在驳船装卸过程中，确保只有水泵工作能够达到要求。另外，管道长度的设计以及作业土壤类型的选择也需要考虑此因素。当驳船作业功率比较高时，建议使用者选择安装水下泵，利用水下泵进行污泥的运输。安装水下泵后，泥泵功率除了可以用于污泥的运输，也可以用于污泥的卸下。对于安装了水下泵的挖泥船，其最大作业压力取决于水下泵密封性。当前，比较常见挖泥船的作业压力大概在25到30bar之间。