長江口深水航道治理工程疏浚土綜合利用

長江口深水航道治理工程疏浚土綜合利用彳余兀;朱治【摘要】在總結(jié)長江口深水航道治理二期吹泥上灘工程設計和實踐經(jīng)驗的基礎上,論述長江口疏浚土綜合利用的必要性、經(jīng)濟性，并對吹泥工藝及其設備選型、吹泥站布設和輸泥管線的形式、管材及管徑等方面進行了分析、比選和論證.【期刊名稱】《水運工程》【年(卷)，期】2009(000)004【總頁數(shù)】7頁(P127-133)【關鍵詞】長江口深水航道治理工程;疏浚土綜合利用;疏浚土區(qū)段劃分;疏浚工藝;吹泥站設計【作者】徐元;朱治【作者單位】中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海,200120;中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海,200120【正文語種】中文【中圖分類】U616目前我國港口建設正以前所未有的勢頭迅速發(fā)展，未來10年或更長時期內(nèi)將是沿海港口航道擴建的高峰期，相應港口航道和港池水深需大量浚深，吹填造陸工程也越來越多。據(jù)不完全統(tǒng)計，2006—2010年我國沿海主要港口的工程疏?？偭坑媱澾_6億m3,常年維護量在4000多萬m3以上。但國內(nèi)疏浚和圍海造地工程的現(xiàn)狀是：一方面，60%以上的疏浚土處理均采用外拋入海(江)的方式；另一方面，大量的圍海造地工程因苦于吹填砂料的缺乏，仍采用傳統(tǒng)的開山炸石方式。協(xié)調(diào)經(jīng)濟建設與資源利用、生態(tài)環(huán)境保護的關系，是我國新一輪港口、航道開發(fā)建設中必須重視的課題。位于長江口的上海市是我國最大的工業(yè)城市，也是發(fā)展最快的城市，對土地的需求旺盛。經(jīng)過建國后多次較大規(guī)模圍墾，長江口區(qū)高程在3.5m以上的高灘已所剩無幾。實現(xiàn)疏浚土的合理處理與綜合利用，通過向部分較低灘地實施適度泥土上灘和圍涂促淤，擴大濕地范圍，已成為業(yè)界和政府的共識［1-2］。長江口北槽深水航道兩側(cè)之橫沙東灘、淺灘和九段沙是長江口區(qū)可圍墾和改善、提高濕地質(zhì)量的最大灘涂，充分合理地利用該地區(qū)豐富的灘地資源，為上海市這個現(xiàn)代化大都市的發(fā)展提供用地，實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展，具有深遠的意義。將航道治理工程的疏浚土吹填至貯泥區(qū)，并對貯泥區(qū)實施促淤造陸工程，在國內(nèi)外均有先例。但一般工程的疏浚范圍、年輸泥量和貯泥區(qū)規(guī)模均較小，在風大、浪高、流急的長江口要完成年設計輸泥量2000萬m3左右的工程規(guī)模，在國內(nèi)是第一次，在國外亦屬罕見。1.1長江口深水航道治理工程概況長江口深水航道治理工程是我國迄今最大的河口治理工程，包括整治建筑工程和疏浚工程，其中整治建筑工程包括北導堤（長49.2km）及丁壩、南導堤（長48.077km）及丁壩、潛堤3.2km和南線堤1.6km，在一、二期工程中完成；疏浚工程按一期航道深度8.5m，二期10.0m，三期12.5m的目標分期實施（圖1）。一期工程疏浚工程基建疏浚約4100萬m3，采用了全外拋方式，耙吸船挖泥作業(yè)后直接將疏浚土運至指定拋泥區(qū)拋卸。二期航道疏浚工程基建期疏浚量為6802萬m3，主要分布在上航道挖槽（W20+000~W221+050）和下航道挖槽段（W30+000~W325+400）,工程結(jié)束后維護期正常年維護量約為1500萬m3/a。三期航道疏浚工程基建疏浚量約為1.7億m3，維護期正常年維護量約為2100萬m3/a[4-5，8]。1.2疏浚土處理方式通過吹填疏浚土上灘實現(xiàn)泥土的綜合利用、將疏浚土作為廢棄物直接拋卸至拋泥區(qū)水域是疏浚土處理的2種主要方式。隨著二期整治工程南北雙導堤的逐步建成，導堤屏蔽范圍內(nèi)的水域不宜設置拋泥區(qū)，大量的疏浚棄土若仍采用外拋方式，運距將大大增加。因此對拋泥運距較遠的挖槽段，疏浚棄土處理采用就近吹泥上灘的方式，有利于提高疏浚工效和降低疏浚成本，也有利于環(huán)境保護和泥土資源的綜合利用，提高疏浚棄土的經(jīng)濟效益。確定上灘和外卜拋以處理疏浚土的前提是工期符合要求、經(jīng)濟相對合理。導堤長達數(shù)十公里，其間疏浚土的處理必然在空間上存在某個平衡點位置，確定該平衡點可以劃分不同處理方式合理的區(qū)段。1.3疏浚區(qū)段劃分長江口航道疏浚段自內(nèi)向海分為內(nèi)挖槽段(W00+000~W010+000)、圓圓沙挖槽段(W10+000~W117+000)、上挖槽段(W20+000~W221+800)、下挖槽段(W30+000~W325+400)和外挖槽段(W40+000~W418+000)[5]?？趦?nèi)段布設有#6、#9二個拋泥區(qū)，#9拋泥區(qū)臨近航槽，為應急拋泥區(qū)，#6拋泥區(qū)面積有限且位于南槽上口，不宜傾倒過多疏浚棄土，因此內(nèi)挖槽和圓圓沙挖槽段疏浚土宜盡可能采用上灘處理方式。根據(jù)疏浚土的分布，取圓圓沙挖槽下段8km的范圍，即W19+000以下段采用吹泥上灘的形式處理，其以上段為上口拋泥。受南北導堤和丁壩掩護，北槽上段的施工工況條件較下段臨近口外區(qū)域明顯改善[6]。為保證吹泥上灘工程正常的可作業(yè)天數(shù)，最外側(cè)的吹泥站位置不宜超過N6丁壩。根據(jù)導堤、航槽以及口夕卜拋泥區(qū)的平面位置，以2500m3絞吸挖泥船作為吸吹泥的代表船型，按工況四級條件，對挖槽不同位置疏浚土采用不同處理方式測算的單方疏浚土處理單價變化曲線見圖2?？梢?，采用4500m3耙吸船+2500絞吸船的拋吹方式實施吹泥上灘，與采用9000m3耙吸船和12000m3耙吸船實施外拋處理的經(jīng)濟平衡點分別在W39+000和W36+000位置?？紤]上述2種耙吸船均有實際施工的可能，挖槽下段上灘土方與外拋土的經(jīng)濟平衡點取其綜合平均位置，為W37+000。以上是從單方疏浚土處理的角度對航槽下段疏浚土上灘與外拋的經(jīng)濟平衡點進行的測算。鑒于目前國內(nèi)外吹泥設備的能力現(xiàn)狀，設計從三期工程后維護疏浚土方處理整體經(jīng)濟最優(yōu)的角度，以單站吹泥能力400萬m3/a和500萬m3/a作為比選對象，進一步分析、確定分航槽下段界點位置［3］。由表1可以看出，從長期性維護疏浚土處理經(jīng)濟性的角度，布設4個單站年吹泥能力500萬m3的吹泥站具有較好的經(jīng)濟性，相應下段上灘疏浚土與外拋疏浚土的分界點確定在W34+000。根據(jù)以上確定的航槽上、下段經(jīng)濟平衡點位置，上灘與外拋疏浚土區(qū)段劃分見表2。相應二期、三期基建期上灘疏浚土約為3216萬m3和7868萬m3，分別占二期、三期基建總方量的47%和46%。二期、三期維護期上灘疏浚土方約為1150萬m3/a和1540萬m3/a，分別占全航槽總維護方量的77%和73%［3］。1.4對吹泥站能力的需求根據(jù)上述對經(jīng)濟平衡點的測算、論證以及對上灘與外拋疏浚土區(qū)段的劃分，在W114+000~W34+000上灘疏浚土區(qū)段內(nèi)布設4個單站年吹泥能力500萬m3的吹泥站具有較好的經(jīng)濟性。橫沙東灘、淺灘吹泥區(qū)鄰近挖槽，挖槽南側(cè)的7m等深線與北導堤工程軸線距離—般在2.5~3km,上游近橫沙島東南角處距離最近，約2km。為了實現(xiàn)吹送疏浚土越堤上灘、避免因出泥口距離導堤過近而可能產(chǎn)生的上灘泥土回流航槽等不利影響，充分考慮各站輸泥管線排布的需要和泥土管線輸送中的水力損失，吹泥站配備吸吹設備的設計吹距要求大于5km,上游近橫沙島東南角處如具備布設吹泥站的條件，可降低吹距要求至3.5km。隨著灘面抬高和吹填造陸的要求，可通過加設接力泵站等措施提高管線的吹距。在長江口區(qū)的工況條件下實施吹泥上灘工程，必須選擇能夠適應較強風浪流作用、吹泥效率較高、符合長江口工程整體要求的科學、合理的吹泥工藝，以滿足吹泥站單站設計吹泥能力500萬m3/a和總吹泥能力2900萬m3/a的總體要求。2.1自吹工藝自吹工藝由耙吸挖泥船直接實現(xiàn)疏浚土上灘，過程簡單，避免拋泥作業(yè)中的泥土流失，如耙吸船具有艏吹裝置，則更無需增設輔助靠泊設施。但目前國內(nèi)具備自吹功能的大型耙吸船吃水較大，且船配排距有限，本工程僅有上游近橫沙島東南角處可布置耙吸船自吹站。耙吸船自吹作業(yè)的缺點是在較大程度上降低了疏浚作業(yè)的效率。具備自吹功能的大型耙吸船均具有較強的抗風浪、水流能力，可適應的工況條件為：錨泊抗風能力9級，施工抗風能力7級，抗浪能力波高1.5m，施工限制流速1.5m/s。目前，國內(nèi)具備自吹能力的耙吸船只有艙容為12888m3的“新海龍”耙吸船能滿足長江口吹泥站的能力要求。2.2拋吹工藝耙吸挖泥船從航槽內(nèi)挖泥后，將疏浚土運至吹泥站，拋卸在吹泥站的貯泥坑內(nèi)，爾后由設置在吹泥站的專用吹泥船機實施完成吸吹作業(yè)。一個吹泥站一般設置2個貯泥坑，當耙吸挖泥船在一個貯泥坑拋泥時，吹泥船機在另一個貯泥坑吸泥、吹泥。待一個貯泥坑拋滿后，將吹泥船移至該坑繼續(xù)吸、吹泥，而耙吸船也改往吸空的貯泥坑拋泥。拋吹工藝充分發(fā)揮了挖泥船和吹泥船機各自的能力，挖泥與吹泥作業(yè)均有較高的效率，但該工藝較自吹工藝多出拋泥和吸泥2道工序，疏浚土有一定的流失率。吹泥船機與端點站的連接型式因吹泥船坑內(nèi)吸泥的可移動要求，需采用水上浮管的輸泥管型式，水上浮管的允許作業(yè)條件、合適的輸泥管線是決定該工藝工況適應性的主要因素，其生產(chǎn)能力主要由選擇的吹泥船機決定，吹泥排距由吹泥站配備的泥泵功率決定。2.3挖、運、吹工藝自航耙吸船在航槽中挖泥的同時兩側(cè)拖帶2只方駁（多為自航式），將疏浚土挖起后吸至方駁內(nèi)，由方駁直接轉(zhuǎn)運至吹泥平臺，最后由平臺上的吹泥設備和輸泥管線輸送至吹泥區(qū)。該工藝改由泥駁轉(zhuǎn)運疏浚土至吹泥站，大大降低了原大型耙吸船深吃水對吹泥站位置的水深要求，工藝相對簡單而無拋泥和泥坑吸泥工序。但轉(zhuǎn)運泥駁頻繁來往于航槽與吹泥站之間，影響航槽內(nèi)的船只的通航和安全，泥駁靠、離耙吸船作業(yè)不易且影響耙吸船正常的挖泥效率，對風浪較大海況適應性較差，抗風能力一般為6級。為滿足500萬m3/a的吹泥上灘要求，必須采用較大的轉(zhuǎn)運泥駁，并通過高效率的吹泥設備，經(jīng)測算，需達到1800m3/h的吹泥效率，同時提高轉(zhuǎn)運泥駁的裝艙泥沙濃度。2.4吸、吹泥設備選型上述吹泥工藝中拋吹工藝和挖、運、吹工藝均涉及吸、吹泥設備選擇，其中尤為重要的是吸、吹泥設備系統(tǒng)中氣動泵或離心泵的選擇。氣動泵不需要另行配備增壓泵即可完成高強度、高排量、吹距遠的吹泥作業(yè)，主要的代表泵型為勁馬泵。主要特點有：泥漿濃度可高達50%以上，排距遠，適用土質(zhì)廣，輸送能量損失小，耐久性好，可用于長時間連續(xù)作業(yè)。經(jīng)比選，其1200/150MVS型號較為合適長江口吹泥上灘。按一艘船配置2臺1200/150MVS型氣動泵疏浚系統(tǒng)作業(yè)，有效作業(yè)時間為14.4h/d，年產(chǎn)量可達到620萬m3/a。離心泵系統(tǒng)是一種成熟的、有廣泛應用的吸排泥系統(tǒng)，傳統(tǒng)的絞吸挖泥船采用的即是離心泵系統(tǒng)。目前，能適應較大風浪并能連續(xù)施工的大型絞吸挖泥船國內(nèi)主要有1750m3/h和2500m3/h二種（表3）?？梢?，采用2500m3絞吸挖泥船作為吸吹設備其單站生產(chǎn)能力能滿足長江口吹泥站500萬m3/a的上灘土方量要求。氣動泵系統(tǒng)較離心泵系統(tǒng)可降低吸排泥土的單方處理成本，具有廣闊的工程應用前景，但作為一種新型的吸排泥設備，在國內(nèi)的工程應用還不廣泛。為滿足長江口二期工程基建期疏浚土上灘的緊迫性要求，采用相鄰吹泥站組合生產(chǎn)能力達到1000萬m3/a的方式（即2500m3絞吸船組合1750m3絞吸船的方式）以滿足單站500萬m3/a的設計吹泥能力要求。2.5推薦吹泥工藝艏吹工藝和拋吹工藝均具有相對的優(yōu)勢和不足。艏吹工藝簡單、可靠，減少了拋泥環(huán)節(jié)并避免了拋泥過程中的泥土流失。但目前國內(nèi)疏浚市場繁榮和大型耙吸船設備不足的矛盾突出，采用艏吹工藝上灘土方成本必然增加，因此現(xiàn)階段不宜采用艏吹工藝。吹泥上灘試驗工程的實踐證明，拋吹工藝是合理、可行的?，F(xiàn)階段可采用離心'泵系統(tǒng)作為吹泥設備，但同時應加強以氣動泵為代表的其他系統(tǒng)調(diào)研和試驗，力求取得工程實踐經(jīng)驗，滿足長期性吹泥站使用的效率和降低成本要求。各種工藝的綜合比較見表4。3.1平面布置因?qū)嵤┐的嗌蠟┳鳂I(yè)均采用拋吹工藝，吹泥站位置既要考慮經(jīng)濟運距，又主要取決于相應貯泥坑的平面布置。同時，為降低在貯泥坑拋泥過程中的泥土流失率，并兼顧治導線內(nèi)水域的通航要求，貯泥坑應盡可能布設在丁壩壩頭連線中點位置的治導線附近，貯泥坑縱軸線走向也基本與水流主向一致。為滿足4500m3耙吸式挖泥船進坑拋泥的要求，并兼顧三期工程后維護期疏?？赡懿捎酶笮桶椅鳂I(yè)的吃水要求，根據(jù)工程區(qū)域最新的水深測圖，吹泥站（貯泥坑）均布設于7m等深線附近，并采用數(shù)學模型、物理模型對布置方案進行預測（圖1）。以三期工程維護期為代表，各疏浚區(qū)段挖槽至吹泥站的平均運距見表5[3]。3.2貯泥坑尺度貯泥坑平面尺度主要取決于拋泥船和吹泥機具同時作業(yè)的要求，設計深度、邊坡和貯泥厚度需根據(jù)試驗工程觀測分析得出的回淤率、成槽率以及貯泥量與流失率的關系確定。設計取用的貯泥坑尺度為700mx180mx4.5m（長x寬x深度），縱向邊坡1:20，橫向邊坡1:10，設計貯泥厚度為3.5m。按允許貯泥量約為50萬m3,拋泥區(qū)與吸泥區(qū)分別為25萬m3,根據(jù)吹泥設備的生產(chǎn)能力，日吹泥方量為2.3萬m3，耙吸船年工作日按270d計算，日拋泥量2.0萬m3。拋、吸泥作業(yè)時間分別為12.5d和10.8d，相差近2d的時間，作為富余用于吹泥設備的檢修、拆移和大風浪條件下的吹泥作業(yè)緩沖時間。3.3輸泥管線型式與材質(zhì)、管徑長江口區(qū)水流急、風浪大，施工條件較差，吹泥站位置距離吹泥區(qū)的管線達2~3km，若采用通常的水面浮管輸泥形式，不能滿足吹泥上灘工程所必要的管線可靠性和輸泥工效要求。根據(jù)長江口治理工程航槽二側(cè)河床動態(tài)調(diào)整的特點，工程采用經(jīng)濟性好、對工程條件變化的可調(diào)整性和適應性優(yōu)的水下輸泥管線方案。吹泥站年設計吹泥能力為500萬m3，輸泥方量要求遠高于常規(guī)的中小型吹填工程，輸泥管線的耐久性、管壁摩阻、重量以及柔韌性是確保疏浚土輸送經(jīng)濟、可靠、高效，同時降低管線布設、維修施工難度的重要因素。目前國內(nèi)外疏浚、管線輸送工程中通常采用的典型管材主要有鋼管、全塑聚乙烯管、鋼塑復合管。聚乙烯管和鋼塑復合管雖然在理論上具有抗腐蝕、質(zhì)量輕、柔韌性好、摩阻小、耐磨等優(yōu)點，但據(jù)國內(nèi)疏浚業(yè)的部分實踐，其在疏浚工程中的應用可靠性尚需進一步試驗取得經(jīng)驗。為保證長江口二期工程疏浚土上灘工程的成功實施，推薦采用通過橡膠管連接鋼制管材作為吹泥上灘的輸泥管。同時在二期吹泥上灘#1輸泥管線導堤北側(cè)150m浮管中采用了超高分子聚乙烯管進行現(xiàn)場試驗。吹泥上灘工程采用管道輸送泥漿至吹泥區(qū)，管徑的大小不僅直接影響到管內(nèi)泥漿的流速、管路泥漿水頭損失以及泥漿是否產(chǎn)生堵管，而且在不同的吹泥設備和輸泥功率條件下，適配的管徑也有所不同。根據(jù)每個吹泥站年輸泥量500萬m3、排距為5km的總體要求，結(jié)合大型絞吸船離心泵系統(tǒng)的工作特點和生產(chǎn)效率，對不同管徑條件下的臨界流速、經(jīng)濟流速、水頭損失等各種參數(shù)進行了測算、比較，推薦采用內(nèi)徑中800的輸泥管。4.1吹泥上灘試驗為研究論證拋吹工藝處理疏浚土的切實可行性，為吹泥上灘工程提供、積累實踐依據(jù)，2002年2—8月在N4丁壩附近安排了吹泥上灘試驗工程［7］。工程在7m等深線附近順水流方向布設了一個尺度為250mx120mx3m（底長x底寬x深度）的貯泥坑，采用橡膠管連接鋼管的水下輸泥管型式，實現(xiàn)泥土由貯泥坑向吹泥區(qū)橫沙東灘竄溝的輸送，輸泥管線總長2760m,管徑中700。工程由2條4500m3耙吸船和1艘1600m3/h絞吸船對附近一期航道維護性疏浚土實施拋、吹作業(yè)。試驗工程期間，在貯泥坑附近和吹泥區(qū)域安排了多次有針對性的水深測量和水文測驗工作，并監(jiān)測、統(tǒng)計了拋、吹、輸泥各環(huán)節(jié)船機設備的營運狀況，取得了可供后期工程設計參考的有價值的資料和成果。1）在長江口深水航道南北整治建筑物之間選擇河勢相對穩(wěn)定的水域，開挖拋吹作業(yè)必需的貯泥坑是可行的，貯泥坑的成槽率較高。2）貯泥坑的泥土流失率與泥坑的相對深度密切相關，適當加大貯泥坑的設計深度可提高貯泥坑的存泥效率。疏浚棄土在拋卸過程中部分懸浮的泥沙隨水流方向向坑外擴散輸移，當水流流速較大時（如大汛期），擴散輸移的強度較大。流速小時（即小汛期），擴散輸移的強度較小。但方向平行于航道，故對航道的回淤影響較小。3）在長江口風浪水流較大的水域中，采用水下管和端點站形式是成功的。4） 絞吸船的自浮管有時會隨水流漂移，對耙吸船進坑拋泥作業(yè)產(chǎn)生影響，可適當加大貯泥坑尺度和二坑間距。此外，受自浮管的牽引，絞吸挖泥船的穩(wěn)定和生產(chǎn)效率受到影響，應設法減小自浮管的受力從而減弱對挖泥船的牽引力。5） 在開敞的吹泥區(qū)排泥，出口區(qū)泥沙在短期內(nèi)能形成管口堆積體，吹排的部分泥沙亦隨水流有一定的擴散范圍，但基本不會返回北槽航道增加航道的回淤及降低泥土處理的效果。向?qū)У瘫泵娲的嗌蠟┎粫ι鷳B(tài)環(huán)境造成較明顯的負面影響。經(jīng)過本次拋吹工藝的實地試驗表明，在長江口北槽航道風浪流較大、泥沙條件復雜的環(huán)境下，采用大型耙吸船拋泥、大型絞吸船或?qū)Ｓ梦啻蹬拍嗟膾伌倒に囘M行泥土處理是可行的。4.2二期吹泥上灘工程在目前已順利竣工的長江口深水航道治理二期工程中，對挖槽中段（W113+000~W34+000）的疏浚土采用二次搬運的拋、吹工藝進行處理。工程共布設吹泥站4座，均采用水下輸泥管型式。其中，#1,#3吹泥站的設計輸泥能力約為400萬m3/a,#2和#4站約為600萬m3/a。先后實施吹泥作業(yè)的有5艘絞吸船，分別為2艘1600m3/h絞吸船和1750m3/h,2000m3/h,2500m3/h絞吸船各1艘。二期工程的實踐表明[5]:1）上灘與外拋疏浚土處理區(qū)段劃分合理，有效地降低了疏浚成本，提高了疏浚工效。2） 采用的端點站形式及水下鋼制輸泥管線合理、可靠，端點站和管線建成后經(jīng)受多次風浪考驗，使用狀況保持良好。3） 貯泥坑開挖后的成槽效果良好。4）泥沙上灘后落淤效果較好。2004年8月，北側(cè)堤距北導堤500m處的斷面測量結(jié)果顯示，北側(cè)堤西側(cè)的灘面高程較工程前抬高了1m。但由于二期工程實施的緊迫性和目前國內(nèi)大型吹填船機配備能力的相對不足，目前吹泥站均采用常規(guī)的絞吸船作為吸吹設備實現(xiàn)泥土上灘，其工況適應性和作業(yè)效率均不能充分滿足土方處理要求，需抓緊設計、建造或引進針對于長江口疏浚土處理條件的高效率、低能耗、遠排距的專用船機設備，滿足三期工程及其維護性疏浚土方的處理要求。二期工程中鋪設的水下輸泥管線采用的是橡膠管接鋼管型式，其使用期限和輸泥水力損失亦不能滿足長期性吹泥站的要求，仍需進一步開展管