山區(qū)河流航道整治及疏浚工藝研究

◎ 楊鵬 武漢四達工程建設(shè)咨詢監(jiān)理有限公司

蔡本林 武漢中澳工程項目管理有限責(zé)任公司

楊偉超 青島裕和建設(shè)有限公司

伴隨著水運工程的蓬勃發(fā)展，沿海區(qū)域誕生了一批按不同用途制造的專用船舶，通用性差，只能專船專用。隨著內(nèi)河航道的發(fā)展需要，該類專用船舶需要運輸至內(nèi)河航道甚至山區(qū)河流中參與工程建設(shè)。但目前江河、湖泊、沿海等水域的工程船舶的運輸渡送，主要是采用不同功能的整體式船舶，如運輸船、客輪、拖輪、輪渡和工程浮吊船等。由于其體積和重量的原因，很難從山區(qū)河流不通航水域轉(zhuǎn)入另一水域，特別是難以進入的淺水河流。隨著長江航道工程的不斷深入建設(shè)，國家發(fā)改委“十三五”計劃將長江上游山區(qū)河流進行整治提升航道等級，為西南經(jīng)濟發(fā)展助力，公司也連續(xù)中標岷江（龍溪口樞紐至宜賓合江門）航道整治一期工程以及大渡河枕頭壩二級水電站下游河道治理工程。

本課題將依托岷江航道項目部利用當?shù)貙Ｓ脗}駁船改造成為適用山區(qū)河流拋石工藝的船舶，以及大渡河河道治理項目新設(shè)計制造的組合式平臺船，將山區(qū)河流施工船舶設(shè)計制造及改造模塊化、普遍化、通用化，成功解決這些特殊地段、特殊水域的特殊施工和交通運輸難題，指導(dǎo)未來山區(qū)河流航道整治項目的船舶施工，助力國家山區(qū)河流航道發(fā)展。

1.工程概況

岷江（龍溪口樞紐至宜賓合江門）航道整治一期工程，上起龍溪口樞紐，下至屏山岷江大橋，河段全長約47公里。主要包括岷江干流龍溪口樞紐至屏山岷江大橋段全長47公里，13個灘險整治工程（含干龍子、龍溪口、老君磧、白甲灘、橫梁子、新開河、背時灘、令牌石、大浩口（含南瓜灘）、斑竹林、霸王灘、渣口石和崗子坪等）、助導(dǎo)航標志工程、環(huán)境保護和水土保持工程，以及全線的信息化系統(tǒng)、航行水尺、維護設(shè)備等配套工程和霸王灘灘群航道整治物理模型試驗研究，項目建設(shè)全部的施工圖勘察設(shè)計、采購、施工、試運行維護，直至項目竣工驗收。

項目主體壩體采用塊石進行拋筑，石料必須質(zhì)地堅硬，大體方正，無明顯風(fēng)化現(xiàn)象，浸水后不崩解，飽和抗壓強度應(yīng)大于30Mpa，并具有較好級配。填心塊石重量25～75kg占10%，75～200kg占40%，大于200 kg 占50%，大塊石重量150 kg～250 kg占40%，250kg～400kg占60%，縫隙須采用較小塊石填實卡牢，如圖1所示。

圖1 典型壩體斷面圖

本項目壩體高度約2m，施工期間恰逢枯水期，受上游降雨及水電站影響，施工水域平均水深約2m。

大渡河枕頭壩二級水電站壩址位于樂山市金口河區(qū)枕頭壩公司營地上游300m，距離上游已建成的枕頭壩一級水電站4.1km，左岸有G245國道通過，距離樂山市130km，成都市256km。

本工程擬疏浚長度約2.6km，疏浚開挖量約167 萬方，平均水深4-6m，平均開挖深度約為4m，河道疏浚開挖料以砂卵礫石為主，含漂石、大孤石。

金口河區(qū)沿途道路依河而建，道路崎嶇，大部分道路位于半山腰，古有蜀道難難于上青天之說，且大渡河不通航，對大型疏浚船舶設(shè)備進場影響甚大。本課題依托大渡河項目提出組合式平臺船在山區(qū)河流疏浚開挖中的應(yīng)用，來引導(dǎo)新船的制造。

圖2 大渡河疏浚施工平面圖

圖3 工程船主視圖

圖4 工程船俯視圖

2.組合式平臺船疏浚工藝

2.1 船舶設(shè)計

由于受船舶運輸限制，節(jié)點工期在即，陸域無法直接開挖，本次設(shè)計中考慮采用組合工程船進行疏浚施工。

組合式工程船為鋼質(zhì)焊接船，船類為工程船，作業(yè)于山區(qū)河流航道，作為水下挖掘、河道疏浚施工作業(yè)工程。

2.1.1 主要尺度及參數(shù)

總長：19.80m

型深：1.80m

型寬：10.8m（組合式）

設(shè)計吃水：1.20m

船舶類型:Ⅲ類工程船

作業(yè)水域:B 級航區(qū)

挖掘深度：10.0m

船員人數(shù)：2 人

2.1.2 結(jié)構(gòu)

本船由 3 個箱式片體組合形式。全船總體為單底甲板船，縱骨架式。全船肋距 0.5m；每間隔 1.5m 設(shè)置實肋板、強橫梁和強肋骨，并構(gòu)成船體強框架。

每個片體在 3、9、24、36 號肋位處設(shè)置橫向水密艙壁，船中有縱向桁架，將全船分割為 15 個水密艙。

結(jié)構(gòu)計算依《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016），按單底甲板船及工程船有關(guān)規(guī)定進行。

2.1.3 總體布置

船體在 3、9、24、36 號肋位處設(shè)置橫向水密艙壁，船中有縱向桁架，全船 15 個水密艙。每個密封艙在主甲板上開水密人孔。中間片體 14-23#艙內(nèi)設(shè)有燃油艙、污油柜、污水柜，0-3、3-19#為壓載水艙，其他艙為空艙。

每個艙設(shè)通氣管一個，高度大于 200mm。

主浮箱尾部 9#中間、邊浮箱 24#肋位左右舷各安裝布置 1 根定位樁和液壓升降裝置。船首 8m 范圍是挖機活動區(qū)域。

圖5 平臺船運輸圖（1）

圖6 平臺船運輸圖（2）

圖7 平整場地

圖8 船舶拼裝

由于該船需要流動作業(yè)施工，在中部放置集裝箱貨柜 1 個，里面分別放置工具、消防救生設(shè)施、信號設(shè)施等。

集裝箱貨柜頂面布置船名牌、桅桿、信號設(shè)施。

2.1.4 干舷及穩(wěn)性

經(jīng)計算本船最小干舷 469.4mm。實取 700mm。

穩(wěn)性經(jīng)估算滿足《內(nèi)河小型船舶檢驗技術(shù)規(guī)則》（2016）有關(guān)要求，穩(wěn)性干舷經(jīng)合理調(diào)整浮態(tài)后滿足 700mm。

結(jié)構(gòu)計算吃水 1100mm。

2.1.5 消防設(shè)備

根據(jù)《內(nèi)河小型船舶檢驗技術(shù)規(guī)則》2016，§7.3.2，本船配置5kg 干粉滅火器 2 只；消防水桶 2 只；沙箱 1 只（0.03m^3）；太平斧1 把。

2.1.6 救生設(shè)施船體設(shè)計說明

根據(jù)《內(nèi)河小型船舶檢驗技術(shù)規(guī)則》2016，§9.4.1 本船救生配備救生衣 2 件，救生圈 2 個。

2.1.7 錨泊及系泊設(shè)備

根據(jù)《內(nèi)河小型船舶檢驗技術(shù)規(guī)則》2016，考慮到本船實際作業(yè)時具體條件，§9.3.3.8，本船用定位樁（相當于插杠）代替錨設(shè)備。

系纜：φ9mm＊50m 鋼纜 2 根。

全船設(shè) 4 個帶纜樁。纜樁選φ108＊10 鋼管制作。

圖9 工程船實物圖

2.1.8 信號

根據(jù)《內(nèi)河小型船舶檢驗技術(shù)規(guī)則》2016，§9.7.2.1 要求配置：

紅白旗各 1 面(尺寸不小于 0.4m ＊0.6m)；黑色球體號型 1 只；手電筒1 只。

2.1.9 環(huán)保

本船不設(shè)機電設(shè)備，工程機械的維修保養(yǎng)一律上岸。

本船不設(shè)船員生活設(shè)施，有岸上解決。

配置 3 個垃圾桶，將產(chǎn)生的垃圾打包交岸上專業(yè)回收處理機構(gòu)。

2.1.10 輪機、電氣

本船不設(shè)動力裝置，非自航。定位樁升降動力有隨船工程機械液壓站提供。

2.2 方案比選

在山區(qū)河流疏浚過程中普遍采用的方案有先改移河道，然后再筑鋼板樁圍堰，從而進行干施工，本課題中改移河道以及施打鋼板樁，將會大大增加了施工成本以及材料成本，對環(huán)境影響也很大。

或?qū)⒋笮痛扒懈顬樾K，分塊運輸，到達施工現(xiàn)場后，在進行焊接，該方法對船舶使用壽命及安全性影響較大，大型船舶切割、運輸、組裝、驗收會耗費很多時間，大渡河每年6至10月為汛期，汛期不進行施工，船舶駛離河道。

本工程中疏浚工程量為167 萬方，且河道最寬處160m，單純考慮陸上開挖是無法滿足施工要求，項目部多次拜訪當?shù)卮肮荆约艾F(xiàn)場踏勘后，決定設(shè)計制造一種可以滿足當?shù)剡\輸條件以及靈活拆卸，易于組裝的船舶。

組合式工程船的出現(xiàn)有效解決了由于船舶體積大，無法直接在山區(qū)道路上運輸?shù)碾y題以及組裝拆卸簡單，能快速應(yīng)變大渡河水環(huán)境，汛期駛離，枯水期下水施工。

2.3 施工方案

2.3.1 船舶加工

本合同段施工中組合式工程船由宜賓市順水船舶技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司設(shè)計加工，船舶加工完成后，使用加長平板車運輸至施工現(xiàn)場組裝。

2.3.2 船舶運輸

平臺船運輸考慮分塊運輸，每一塊為19.8＊3.6＊1.8m，到達現(xiàn)場后再進行現(xiàn)場拼接，平臺船設(shè)計時考慮到當?shù)剡\輸條件有限，在不影響結(jié)構(gòu)的前提下，分塊設(shè)計，使用高強螺栓鏈接，平臺船運輸使用加長平板車，夜間錯峰運輸至現(xiàn)場。

2.3.3 船舶組裝

大渡河流域金口河區(qū)域由于上游水電站影響，水流量忽高忽低，最大水流量2800m/s時流速達到3.5m/s，若平臺組裝在水中進行時，水流速太大，無法準確安裝螺栓，故平臺組裝考慮陸地組裝，漲水自浮后拖至疏浚區(qū)域。組裝平臺船前，在低水位情況下，平整出平臺組裝場地如圖7。

船舶加工過程中在兩岸分別埋設(shè)2根地錨，使用250t汽車吊將工程船左邊浮箱吊至水中，使用纜繩將邊浮箱固定，然后依次下吊主浮箱，右邊浮箱，使用高強螺栓將浮箱連接起來，將纜繩重新系在邊浮箱系纜位置，安裝錨樁等相應(yīng)附屬設(shè)備，工程船組裝完成后將工程船移至岸邊，挖掘機移動至工程船指定位置，加入壓艙水，待水位上漲后，船舶漂浮起來，將平臺船拖至指定位置。

2.3.4 船舶施工

在正常施工下，平臺船使用3根定位樁進行固定，大渡河極限水流3.5m/s情況下可以正常施工，在船舶移位情況下，使用2根28鋼絲繩制作的八字纜進行固定，經(jīng)過受力計算，滿足現(xiàn)場需求。

以樞紐區(qū)域右幅開挖最大寬度60m計，水上開挖最大寬度30m。水上開挖使用施工工程船配備SY550H18m長臂挖機逆流開挖，沿河道方向分條式縱向開挖，分五條基槽（5m+10m+5m+5m+5m)進行開挖施工。

本項目疏浚施工為167萬方，其中水上工程船施工方量約為55萬方，施工工期為21個月，擬投入設(shè)備2艘組合式工程船施工。

2.4 船舶設(shè)計驗算

100%燃料備品正常作業(yè)（表1）；

表1 100%燃料備品正常作業(yè)

100%燃料備品正常作業(yè)下計入自由液面影響的初穩(wěn)高度為5.23m，根據(jù)《內(nèi)河船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則》（2019），要求初穩(wěn)性高度應(yīng)不小于0.2m。此工況下計算得初穩(wěn)性高為5.23m>0.2m，符合規(guī)范要求。

100%燃料遷移狀態(tài)（表2）；

表2 100%燃料遷移狀態(tài)

100%燃料備品遷移狀態(tài)下計入自由液面影響的初穩(wěn)高度為15.667m，根據(jù)《內(nèi)河船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則》（2019），要求初穩(wěn)性高度應(yīng)不小于0.2m。此工況下計算得初穩(wěn)性高為15.667m>0.2m，符合規(guī)范要求。

2.5 組合式平臺船關(guān)鍵技術(shù)

組合式平臺船的設(shè)計施工有效的解決山區(qū)河流疏浚大型專用船舶無法進入施工現(xiàn)場，也為未來一船多用提供一定的思路，船舶設(shè)計時可以按固定模塊設(shè)計制造，使用時按照所需功能進行組裝，將大型專業(yè)化船機設(shè)備通過模塊設(shè)計拼裝，實現(xiàn)普遍化、通用化。

2.6 工藝實施效果

組合式工程船在大渡河枕頭壩二級水電站下游河道治理工程項目實施中，極大限度的降低了由于船舶運輸所浪費的時間和成本，使該工程的疏浚施工工期壓力得到了很大的改善，大大解決了山區(qū)河流疏浚施工過程中由于不通航且道路崎嶇，大型設(shè)備無法直接通行等問題。在山區(qū)河流疏浚施工中積累了寶貴經(jīng)驗，可以在今后山區(qū)河流施工中借鑒和應(yīng)用。

3.倉駁船改造拋石工藝

根據(jù)水深和基床特點，結(jié)合施工工效和施工精度要求，原計劃采用定位方駁上配備反鏟挖掘機的方式進行拋石，將挖掘機固定于平板駁上，平板駁定位完成后倉駁船將石料運輸至平板駁附近，固定于平板駁周圍，挖掘機進行拋填，拋填完成后，運輸船駛離，平板駁等待下一倉駁船靠船拋石。施工過程中，實時記錄現(xiàn)場施工部位流速、水深情況以及各拋區(qū)拋投量；并根據(jù)拋后測量標高復(fù)核高出的拋石位置及超高量，適當調(diào)整拋石的提前量。挖機反鏟拋石完成后進行頂面找平和補拋施工，如圖10所示。

圖10 原方案拋石示意圖

3.1 存在問題

根據(jù)原方案采用平板駁進行定位，但在岷江山區(qū)河流水系受水流流速較大且水深較小，當?shù)責(zé)o平板駁及自航平板運輸駁，無法按照原方案進行實施，經(jīng)過對當?shù)厮祬^(qū)域進行考察，確定當?shù)厮祬^(qū)域主要以吃水較小的運輸倉駁為主，如圖11所示。

圖11 當?shù)貍}駁圖

針對上述倉駁調(diào)查分析，倉駁載重大約300噸，艙深為2m以上，而采用此類倉駁可進行石料運輸，但在卸載完成石料后，挖掘機無法從艙內(nèi)直接爬出，且在拋填過程中駕駛員視覺受限制無法準確拋填，極大影響施工效率與質(zhì)量，因此亟需對倉駁進行改裝，以便拋石設(shè)備的上下及拋填施工。

3.2 解決方案

針對上述問題，項目部根據(jù)多年在長江水系及沿海港口施工經(jīng)驗，對倉駁采用設(shè)置挖掘機作業(yè)平臺的方案，在倉駁中間位置根據(jù)挖掘機履帶寬度加設(shè)挖掘機平臺，提升挖掘機的作業(yè)高度及通道，便于挖掘機上下及拋填。

平臺采用[15槽鋼及8mm鋼板加工而成，采用中間4倒豎向槽鋼及2道斜向槽鋼，并在平臺頂面焊接抗滑槽鋼，如圖12平臺加工圖所示及圖13挖掘機平臺站位圖。

圖12 倉駁平臺加工圖

圖13 倉駁平臺站位圖

圖14 倉駁平臺拋石圖

3.3 驗證計算

選擇典型運輸船舶進行計算，主要設(shè)計參數(shù)如表3。

表3 典型運輸船主要參數(shù)

挖掘機站位為運輸船的橫向船中進行石料拋投。挖掘機型號為日立300，總重量30T，臂長6.5米，旋轉(zhuǎn)半徑4米，底座鏈條外寬2.8米，長3米。

本計算書計算挖掘機縱向運動至重心距離定位船左舷1m時，定位船的浮態(tài)及穩(wěn)性。

計算結(jié)果如表4。

表4 平臺穩(wěn)定性計算結(jié)果表

根據(jù)《內(nèi)河船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則》（2019），要求初穩(wěn)性高度應(yīng)不小于0.2 m。此工況下計算得初穩(wěn)性高為6.425m>0.2 m，符合規(guī)范要求。

3.4 現(xiàn)場實施

按照上述方案實施后，倉駁拋石效率較直接在倉駁內(nèi)效率提升50%，同時挖掘機可自由上下相鄰倉駁，安全性能大幅提升，駕駛員視野寬闊，限制度降低，為岷江山區(qū)河流航道壩體建設(shè)提供有利的設(shè)備保障，如圖3-5倉駁平臺拋石圖。

3.5 倉駁船改造工藝創(chuàng)新點

項目利用當?shù)噩F(xiàn)有倉駁船改造升級拋石施工，因地制宜，利用現(xiàn)有船機設(shè)備通過設(shè)計改造，運用與航道施工過程中，減少了專用船舶的調(diào)遣，將山區(qū)河流施工船舶作業(yè)普遍化，指導(dǎo)未來山區(qū)河流航道整治項目的實施，減少不必要的專用船機設(shè)備的投入以及調(diào)遣運輸，助力國家山區(qū)河流航道發(fā)展。

4.工藝實施效果

4.1 經(jīng)濟效果

組合式平臺船的設(shè)計施工，大大降低了運輸成本的投入，同時也減少專用船舶的投入，使用高強螺栓連接，減少切割焊接施工，安全性能有效提高，相比傳統(tǒng)挖泥船，在不通航水域轉(zhuǎn)運時，需通過切割運輸然后組裝，經(jīng)濟效益明顯提高，安全風(fēng)險明顯降低。

倉駁船改造工藝在岷江航道一期施工中，倉駁拋石效率較直接在倉駁內(nèi)效率提升50%，同時挖掘機可自由上下相鄰倉駁，安全性能大幅提升，駕駛員視野寬闊，限制高度降低，為岷江山區(qū)河流航道壩體建設(shè)提供有利的設(shè)備保障，同時倉駁船改造后減少了為挖掘機提供作業(yè)平臺的平板駁，施工成本大幅降低。

4.2 社會效果

大渡河枕頭壩二級水電站下游河道治理工程策劃中，通過與船舶公司多次咨詢以及現(xiàn)場考察后設(shè)計制造了組合式平臺船，組合式平臺船的快速投入使用，贏得了業(yè)主極大的認可，業(yè)主對項目部的快速反應(yīng)能力以及設(shè)備投入表示充分的認可，同時也減小了節(jié)點工期壓力。

岷江航道一期工程通過改造倉駁船進行拋石施工，讓業(yè)主看到了項目部在資源短缺的條件下，因地制宜，充分利用現(xiàn)有資源，通過改造升級，解決施工困境的能力，為項目按期完工提供強有力的的保障。

5.總結(jié)

結(jié)合岷江航道項目現(xiàn)場實施情況，倉駁改造拋石工藝將會大幅度降低山區(qū)河流航道整治專業(yè)化船機設(shè)備的需求，最大限度因地制宜將施工工藝普遍化，降低非常規(guī)船機設(shè)備的調(diào)遣周期及實施的局限性，為未來山區(qū)河流航道整治工藝選擇提供借鑒，助力山區(qū)河流航道建設(shè)，也為專用船舶的未來提供一個新思路。

結(jié)合組合式工程船在大渡河枕頭壩二級水電站下游河道治理工程項目疏浚的快速投入實施，使該工程的節(jié)點工期壓力得到了很大的改善，成本得到有效控制，成功解決了由于山區(qū)河流不通航造成船舶轉(zhuǎn)用困難等問題。該組裝工程船設(shè)計理念可以在今后山區(qū)河流疏浚施工中借鑒和應(yīng)用。在以后的船舶設(shè)計制造中可盡量減少專用大型船舶制造，將大型船機設(shè)備模塊化、通用化、普遍化。