王晓萌

(中交(天津)疏浚工程有限公司，天津 300450)

1 工程概况

工程疏浚区位于吕四港环抱式港池西侧，吹填区位于西港池北侧，吕四港地理位置见图1。

图1 吕四港地理位置

新进绞吸船施工区设计底高程-11.5 m，边坡1:5，超深0.4 m，为保持港池围埝安全稳定，围埝侧边坡禁止超挖。吹填区呈梯形，长度为3.5 km，宽度为834 m，面积308万m2。目前吹填区平均高程为7.1 m，设计吹填高程为9.0 m，纳泥量约580万m3。根据土质勘察资料，在设计挖深以内，拟定施工区的土质自上而下主要分3层：①粉土、②1淤泥质土与粉砂互层、②2粉质黏土，按照《疏浚岩土分类标准》[1]，各层土质级别见表1。

表1 各层土质级别

2 施工背景

2018-06-06安排3 500 m3/h绞吸船进行拆坝区施工，总工程量约80万m3，其原始泥面高，部分区域泥面高度在2 m左右(按吕四理论最低潮面)，拆坝区杂物较多，主要包含抛石、水泥板、土工布以及钢丝绳等。2018-06-16—2018-06-19期间，绞吸船在吸口安装格栅进行施工时，受拆坝区杂物影响，船舶掏口34次、掏泵5次，最低时间利用率仅40%左右，较计划严重滞后。经研究决定分别试验软格栅、双防石环以及防石板3种防杂装置，并从挖掘、输送以及时间利用率等方面展开分析[2]，研究各种防杂装置的结构特点、适用的土质及杂物类型。

3 防杂装置分析

3.1 结构设计

3.1.1双防石环

双防石环是焊接在绞刀内部距吸泥口较近的环状防石结构，根据其结构又可分为单环和双环防石环，其中双环防石环是由两个环状结构之间加焊圆钢形成的结构较为复杂的防石环。

双防石环具体尺寸可根据绞刀直径利用相似三角形原理进行设计。例如，已知双绞刀环直径分别为1 710、1 200 mm，为保证一次安装成型，利用相似三角形原理计算所得大环距离大圈高度260 mm，小环距离大圈高度为530 mm。其中大圈与绞刀锥体的间距为60 mm，小圈与绞刀锥体的间距为10～60 mm，该防石环过流通道最宽处为270 mm，可保证直径≥270 mm的杂物无法通过防石环进入绞吸船的过流通道，而绞刀、泥泵过流通道最大宽度分别为385、340 mm，理论上不会发生堵口、堵泵现象，双防石环结构见图2。

图2 双防石环结构

3.1.2软格栅

软格栅在绞刀吸口下沿采用挂钩形式，上沿采用卡环形式，中间格栅使用铁链，3 500 m3/h绞吸船绞刀口长度为1 800 mm，设置5组铁链，铁链间距为400 mm。铁链下端挂在挂钩上，上沿用卡环固定。当杂物堵口后，将软格栅卸掉与杂物同时掏出吸泥口，只需将备用软格栅装上后即可恢复施工，软格栅结构见图3。

图3 软格栅结构

3.1.3改进防石板绞刀

为了将大石块挡在绞刀外，将钢板焊在刀臂背面，形成刀臂防石板，而改进防石板是在原防石板绞刀的钢板上加焊圆钢以减小板间的孔隙。

以38DS型绞刀为例，改进防石板是在绞刀的每叶刀臂加装5块钢板，当刀臂长距为1 600 mm时，防石板与前一刀臂间隔为200～230 mm，该防石板过流通道最宽处为230 mm，可保证直径≥230 mm的杂物无法通过防石环进入绞吸船的过流通道，而绞刀及泥泵过流通道最大宽度分别为385、340 mm，理论上不会发生堵口、堵泵现象，另外在绞刀第1圈和第3圈防石板上焊接圆钢，改进防石板绞刀结构见图4。

图4 改进防石板绞刀结构

3.2 土质与杂物类型分析

残坝区域施工土质主要为细粉砂，坝体结构为充沙袋，固结较好，土质较硬；杂物主要包括土工布、块石、混凝土块，另存在少量钢丝绳、尼龙绳、木桩，具体性质为：

1)土工布为机织布，抗拉强度较大，为8 kN/m，缠绕防杂装置、绞刀，撕扯破坏难度大，清理困难。

2)混凝土碎块、块石粒径为50～460 mm，抗压强度为30 MPa，施工船舶无法将其破碎，且绞刀口径为385 mm、泥泵流道宽度为340 mm，部分块石粒径大于绞刀口径及泥泵流道宽度，极易造成堵口、堵泵，并且造成防杂装置损坏。

3)钢丝绳、尼龙绳主要在绞刀和防杂装置上缠绕，清理困难。

3.3 各类防石装置的优缺点

根据各类防石设备的结构特点，可以分析出相应的防杂原理以及优缺点，见表2。

表2 各类防杂装置对比

3.4 各类防石装置施工参数分析

3.4.1防石装置局部阻力系数

根据文献[3]可得出各种防杂装置的局部阻力系数，见表3。

表3 防杂装置局部阻力系数

3.4.2施工吸入真空

根据天禹船的施工数据可以得出软格栅、双防石环、防石板的真空压力，见图5。

由图5a)可知，天禹船在使用软格栅和双防石环时，水下泵吸入真空值较大，平均在-80～-70 kPa，吸入阻力大，出现较多闷口现象；由图5b)可知，天禹船在使用防石板时，水下泵吸入真空值较小，平均为50 kPa，较双防石环明显下降，吸入阻力降低，极少发生闷口现象。

图5 真空压力

根据防杂装置真空压力得出，相对于双防石环和软格栅，防石板真空压力最小，绞刀闷口发生频率较少。

3.4.3施工挖掘分析

根据天禹船施工数据可以得出使用软格栅、双防石环、防石板的绞刀压力与转速关系，见图6。

图6 绞刀压力与绞刀转速散点图

由图6可看出，使用软格栅和双防石环时，船舶绞刀压力大部分集中在8～12 MPa，波动较小；使用防石板时，船舶绞刀压力大部分集中在8～17 MPa，压力较高且波动较大。其主要原因是相对于格栅和防石环，防石板增大绞刀的受力面积，会引起刀具表面正压力上升[4]，可以得出：防石板相对于软格栅和双防石环绞刀阻力大，不利于挖掘，但绞刀压力在作业允许范围内。

4 结语

1)从绞吸船挖掘及输送的角度，在施工杂物区时，使用软格栅以及双防石环比防石板更有利于减小绞刀阻力，适用于挖掘中密和密实性土，而防石板适用于挖掘松散砂及流动性淤泥等高流动性、密实性较小的土质；另外相对于软格栅以及双防石环，防石板吸口局部水力损失小，更有利于土质的吸入，提高船舶输送产能，减小施工土质残留，质量易保证。

2)3 500 m3/h绞吸船在块石、混凝土块杂物区施工时，防石板过流通道较双防石环小40 mm，且防石钢板外伸于绞刀壁，更有利于拨石、防止块石堵住绞吸船的过流通道，防石板绞刀为最优的防杂装置。根据吕四港西港池疏浚工程绞吸船在块石集中区的施工统计，使用防石板比防石环的平均时间利用率可提高34%。

3)3 500 m3/h绞吸船在渔网、钢丝绳杂物区施工时，软格栅为最优防杂装置，由于其具有易拆卸的特点，每次清理杂物可减少约40 min。在吕四港西港池疏浚工程中，绞吸船由于钢丝绳堵口最多达4次，故使用软格栅时间利用率可提高11.1%。