长江口深水航道治理工程疏浚土综合利用

长江口深水航道治理工程疏浚土综合利用彳余兀;朱治【摘要】在总结长江口深水航道治理二期吹泥上滩工程设计和实践经验的基础上,论述长江口疏浚土综合利用的必要性、经济性，并对吹泥工艺及其设备选型、吹泥站布设和输泥管线的形式、管材及管径等方面进行了分析、比选和论证.【期刊名称】《水运工程》【年(卷)，期】2009(000)004【总页数】7页(P127-133)【关键词】长江口深水航道治理工程;疏浚土综合利用;疏浚土区段划分;疏浚工艺;吹泥站设计【作者】徐元;朱治【作者单位】中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海,200120;中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海,200120【正文语种】中文【中图分类】U616目前我国港口建设正以前所未有的势头迅速发展，未来10年或更长时期内将是沿海港口航道扩建的高峰期，相应港口航道和港池水深需大量浚深，吹填造陆工程也越来越多。据不完全统计，2006—2010年我国沿海主要港口的工程疏浚总量计划达6亿m3,常年维护量在4000多万m3以上。但国内疏浚和围海造地工程的现状是：一方面，60%以上的疏浚土处理均采用外抛入海(江)的方式；另一方面，大量的围海造地工程因苦于吹填砂料的缺乏，仍采用传统的开山炸石方式。协调经济建设与资源利用、生态环境保护的关系，是我国新一轮港口、航道开发建设中必须重视的课题。位于长江口的上海市是我国最大的工业城市，也是发展最快的城市，对土地的需求旺盛。经过建国后多次较大规模围垦，长江口区高程在3.5m以上的高滩已所剩无几。实现疏浚土的合理处理与综合利用，通过向部分较低滩地实施适度泥土上滩和围涂促淤，扩大湿地范围，已成为业界和政府的共识［1-2］。长江口北槽深水航道两侧之横沙东滩、浅滩和九段沙是长江口区可围垦和改善、提高湿地质量的最大滩涂，充分合理地利用该地区丰富的滩地资源，为上海市这个现代化大都市的发展提供用地，实现城市可持续发展，具有深远的意义。将航道治理工程的疏浚土吹填至贮泥区，并对贮泥区实施促淤造陆工程，在国内外均有先例。但一般工程的疏浚范围、年输泥量和贮泥区规模均较小，在风大、浪高、流急的长江口要完成年设计输泥量2000万m3左右的工程规模，在国内是第一次，在国外亦属罕见。1.1长江口深水航道治理工程概况长江口深水航道治理工程是我国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导堤（长49.2km）及丁坝、南导堤（长48.077km）及丁坝、潜堤3.2km和南线堤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的目标分期实施（图1）。一期工程疏浚工程基建疏浚约4100万m3，采用了全外抛方式，耙吸船挖泥作业后直接将疏浚土运至指定抛泥区抛卸。二期航道疏浚工程基建期疏浚量为6802万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）,工程结束后维护期正常年维护量约为1500万m3/a。三期航道疏浚工程基建疏浚量约为1.7亿m3，维护期正常年维护量约为2100万m3/a[4-5，8]。1.2疏浚土处理方式通过吹填疏浚土上滩实现泥土的综合利用、将疏浚土作为废弃物直接抛卸至抛泥区水域是疏浚土处理的2种主要方式。随着二期整治工程南北双导堤的逐步建成，导堤屏蔽范围内的水域不宜设置抛泥区，大量的疏浚弃土若仍采用外抛方式，运距将大大增加。因此对抛泥运距较远的挖槽段，疏浚弃土处理采用就近吹泥上滩的方式，有利于提高疏浚工效和降低疏浚成本，也有利于环境保护和泥土资源的综合利用，提高疏浚弃土的经济效益。确定上滩和外卜抛以处理疏浚土的前提是工期符合要求、经济相对合理。导堤长达数十公里，其间疏浚土的处理必然在空间上存在某个平衡点位置，确定该平衡点可以划分不同处理方式合理的区段。1.3疏浚区段划分长江口航道疏浚段自内向海分为内挖槽段(W00+000~W010+000)、圆圆沙挖槽段(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]。口内段布设有#6、#9二个抛泥区，#9抛泥区临近航槽，为应急抛泥区，#6抛泥区面积有限且位于南槽上口，不宜倾倒过多疏浚弃土，因此内挖槽和圆圆沙挖槽段疏浚土宜尽可能采用上滩处理方式。根据疏浚土的分布，取圆圆沙挖槽下段8km的范围，即W19+000以下段采用吹泥上滩的形式处理，其以上段为上口抛泥。受南北导堤和丁坝掩护，北槽上段的施工工况条件较下段临近口外区域明显改善[6]。为保证吹泥上滩工程正常的可作业天数，最外侧的吹泥站位置不宜超过N6丁坝。根据导堤、航槽以及口夕卜抛泥区的平面位置，以2500m3绞吸挖泥船作为吸吹泥的代表船型，按工况四级条件，对挖槽不同位置疏浚土采用不同处理方式测算的单方疏浚土处理单价变化曲线见图2。可见，采用4500m3耙吸船+2500绞吸船的抛吹方式实施吹泥上滩，与采用9000m3耙吸船和12000m3耙吸船实施外抛处理的经济平衡点分别在W39+000和W36+000位置。考虑上述2种耙吸船均有实际施工的可能，挖槽下段上滩土方与外抛土的经济平衡点取其综合平均位置，为W37+000。以上是从单方疏浚土处理的角度对航槽下段疏浚土上滩与外抛的经济平衡点进行的测算。鉴于目前国内外吹泥设备的能力现状，设计从三期工程后维护疏浚土方处理整体经济最优的角度，以单站吹泥能力400万m3/a和500万m3/a作为比选对象，进一步分析、确定分航槽下段界点位置［3］。由表1可以看出，从长期性维护疏浚土处理经济性的角度，布设4个单站年吹泥能力500万m3的吹泥站具有较好的经济性，相应下段上滩疏浚土与外抛疏浚土的分界点确定在W34+000。根据以上确定的航槽上、下段经济平衡点位置，上滩与外抛疏浚土区段划分见表2。相应二期、三期基建期上滩疏浚土约为3216万m3和7868万m3，分别占二期、三期基建总方量的47%和46%。二期、三期维护期上滩疏浚土方约为1150万m3/a和1540万m3/a，分别占全航槽总维护方量的77%和73%［3］。1.4对吹泥站能力的需求根据上述对经济平衡点的测算、论证以及对上滩与外抛疏浚土区段的划分，在W114+000~W34+000上滩疏浚土区段内布设4个单站年吹泥能力500万m3的吹泥站具有较好的经济性。横沙东滩、浅滩吹泥区邻近挖槽，挖槽南侧的7m等深线与北导堤工程轴线距离—般在2.5~3km,上游近横沙岛东南角处距离最近，约2km。为了实现吹送疏浚土越堤上滩、避免因出泥口距离导堤过近而可能产生的上滩泥土回流航槽等不利影响，充分考虑各站输泥管线排布的需要和泥土管线输送中的水力损失，吹泥站配备吸吹设备的设计吹距要求大于5km,上游近横沙岛东南角处如具备布设吹泥站的条件，可降低吹距要求至3.5km。随着滩面抬高和吹填造陆的要求，可通过加设接力泵站等措施提高管线的吹距。在长江口区的工况条件下实施吹泥上滩工程，必须选择能够适应较强风浪流作用、吹泥效率较高、符合长江口工程整体要求的科学、合理的吹泥工艺，以满足吹泥站单站设计吹泥能力500万m3/a和总吹泥能力2900万m3/a的总体要求。2.1自吹工艺自吹工艺由耙吸挖泥船直接实现疏浚土上滩，过程简单，避免抛泥作业中的泥土流失，如耙吸船具有艏吹装置，则更无需增设辅助靠泊设施。但目前国内具备自吹功能的大型耙吸船吃水较大，且船配排距有限，本工程仅有上游近横沙岛东南角处可布置耙吸船自吹站。耙吸船自吹作业的缺点是在较大程度上降低了疏浚作业的效率。具备自吹功能的大型耙吸船均具有较强的抗风浪、水流能力，可适应的工况条件为：锚泊抗风能力9级，施工抗风能力7级，抗浪能力波高1.5m，施工限制流速1.5m/s。目前，国内具备自吹能力的耙吸船只有舱容为12888m3的“新海龙”耙吸船能满足长江口吹泥站的能力要求。2.2抛吹工艺耙吸挖泥船从航槽内挖泥后，将疏浚土运至吹泥站，抛卸在吹泥站的贮泥坑内，尔后由设置在吹泥站的专用吹泥船机实施完成吸吹作业。一个吹泥站一般设置2个贮泥坑，当耙吸挖泥船在一个贮泥坑抛泥时，吹泥船机在另一个贮泥坑吸泥、吹泥。待一个贮泥坑抛满后，将吹泥船移至该坑继续吸、吹泥，而耙吸船也改往吸空的贮泥坑抛泥。抛吹工艺充分发挥了挖泥船和吹泥船机各自的能力，挖泥与吹泥作业均有较高的效率，但该工艺较自吹工艺多出抛泥和吸泥2道工序，疏浚土有一定的流失率。吹泥船机与端点站的连接型式因吹泥船坑内吸泥的可移动要求，需采用水上浮管的输泥管型式，水上浮管的允许作业条件、合适的输泥管线是决定该工艺工况适应性的主要因素，其生产能力主要由选择的吹泥船机决定，吹泥排距由吹泥站配备的泥泵功率决定。2.3挖、运、吹工艺自航耙吸船在航槽中挖泥的同时两侧拖带2只方驳（多为自航式），将疏浚土挖起后吸至方驳内，由方驳直接转运至吹泥平台，最后由平台上的吹泥设备和输泥管线输送至吹泥区。该工艺改由泥驳转运疏浚土至吹泥站，大大降低了原大型耙吸船深吃水对吹泥站位置的水深要求，工艺相对简单而无抛泥和泥坑吸泥工序。但转运泥驳频繁来往于航槽与吹泥站之间，影响航槽内的船只的通航和安全，泥驳靠、离耙吸船作业不易且影响耙吸船正常的挖泥效率，对风浪较大海况适应性较差，抗风能力一般为6级。为满足500万m3/a的吹泥上滩要求，必须采用较大的转运泥驳，并通过高效率的吹泥设备，经测算，需达到1800m3/h的吹泥效率，同时提高转运泥驳的装舱泥沙浓度。2.4吸、吹泥设备选型上述吹泥工艺中抛吹工艺和挖、运、吹工艺均涉及吸、吹泥设备选择，其中尤为重要的是吸、吹泥设备系统中气动泵或离心泵的选择。气动泵不需要另行配备增压泵即可完成高强度、高排量、吹距远的吹泥作业，主要的代表泵型为劲马泵。主要特点有：泥浆浓度可高达50%以上，排距远，适用土质广，输送能量损失小，耐久性好，可用于长时间连续作业。经比选，其1200/150MVS型号较为合适长江口吹泥上滩。按一艘船配置2台1200/150MVS型气动泵疏浚系统作业，有效作业时间为14.4h/d，年产量可达到620万m3/a。离心泵系统是一种成熟的、有广泛应用的吸排泥系统，传统的绞吸挖泥船采用的即是离心泵系统。目前，能适应较大风浪并能连续施工的大型绞吸挖泥船国内主要有1750m3/h和2500m3/h二种（表3）。可见，采用2500m3绞吸挖泥船作为吸吹设备其单站生产能力能满足长江口吹泥站500万m3/a的上滩土方量要求。气动泵系统较离心泵系统可降低吸排泥土的单方处理成本，具有广阔的工程应用前景，但作为一种新型的吸排泥设备，在国内的工程应用还不广泛。为满足长江口二期工程基建期疏浚土上滩的紧迫性要求，采用相邻吹泥站组合生产能力达到1000万m3/a的方式（即2500m3绞吸船组合1750m3绞吸船的方式）以满足单站500万m3/a的设计吹泥能力要求。2.5推荐吹泥工艺艏吹工艺和抛吹工艺均具有相对的优势和不足。艏吹工艺简单、可靠，减少了抛泥环节并避免了抛泥过程中的泥土流失。但目前国内疏浚市场繁荣和大型耙吸船设备不足的矛盾突出，采用艏吹工艺上滩土方成本必然增加，因此现阶段不宜采用艏吹工艺。吹泥上滩试验工程的实践证明，抛吹工艺是合理、可行的。现阶段可采用离心'泵系统作为吹泥设备，但同时应加强以气动泵为代表的其他系统调研和试验，力求取得工程实践经验，满足长期性吹泥站使用的效率和降低成本要求。各种工艺的综合比较见表4。3.1平面布置因实施吹泥上滩作业均采用抛吹工艺，吹泥站位置既要考虑经济运距，又主要取决于相应贮泥坑的平面布置。同时，为降低在贮泥坑抛泥过程中的泥土流失率，并兼顾治导线内水域的通航要求，贮泥坑应尽可能布设在丁坝坝头连线中点位置的治导线附近，贮泥坑纵轴线走向也基本与水流主向一致。为满足4500m3耙吸式挖泥船进坑抛泥的要求，并兼顾三期工程后维护期疏浚可能采用更大型耙吸船作业的吃水要求，根据工程区域最新的水深测图，吹泥站（贮泥坑）均布设于7m等深线附近，并采用数学模型、物理模型对布置方案进行预测（图1）。以三期工程维护期为代表，各疏浚区段挖槽至吹泥站的平均运距见表5[3]。3.2贮泥坑尺度贮泥坑平面尺度主要取决于抛泥船和吹泥机具同时作业的要求，设计深度、边坡和贮泥厚度需根据试验工程观测分析得出的回淤率、成槽率以及贮泥量与流失率的关系确定。设计取用的贮泥坑尺度为700mx180mx4.5m（长x宽x深度），纵向边坡1:20，横向边坡1:10，设计贮泥厚度为3.5m。按允许贮泥量约为50万m3,抛泥区与吸泥区分别为25万m3,根据吹泥设备的生产能力，日吹泥方量为2.3万m3，耙吸船年工作日按270d计算，日抛泥量2.0万m3。抛、吸泥作业时间分别为12.5d和10.8d，相差近2d的时间，作为富余用于吹泥设备的检修、拆移和大风浪条件下的吹泥作业缓冲时间。3.3输泥管线型式与材质、管径长江口区水流急、风浪大，施工条件较差，吹泥站位置距离吹泥区的管线达2~3km，若采用通常的水面浮管输泥形式，不能满足吹泥上滩工程所必要的管线可靠性和输泥工效要求。根据长江口治理工程航槽二侧河床动态调整的特点，工程采用经济性好、对工程条件变化的可调整性和适应性优的水下输泥管线方案。吹泥站年设计吹泥能力为500万m3，输泥方量要求远高于常规的中小型吹填工程，输泥管线的耐久性、管壁摩阻、重量以及柔韧性是确保疏浚土输送经济、可靠、高效，同时降低管线布设、维修施工难度的重要因素。目前国内外疏浚、管线输送工程中通常采用的典型管材主要有钢管、全塑聚乙烯管、钢塑复合管。聚乙烯管和钢塑复合管虽然在理论上具有抗腐蚀、质量轻、柔韧性好、摩阻小、耐磨等优点，但据国内疏浚业的部分实践，其在疏浚工程中的应用可靠性尚需进一步试验取得经验。为保证长江口二期工程疏浚土上滩工程的成功实施，推荐采用通过橡胶管连接钢制管材作为吹泥上滩的输泥管。同时在二期吹泥上滩#1输泥管线导堤北侧150m浮管中采用了超高分子聚乙烯管进行现场试验。吹泥上滩工程采用管道输送泥浆至吹泥区，管径的大小不仅直接影响到管内泥浆的流速、管路泥浆水头损失以及泥浆是否产生堵管，而且在不同的吹泥设备和输泥功率条件下，适配的管径也有所不同。根据每个吹泥站年输泥量500万m3、排距为5km的总体要求，结合大型绞吸船离心泵系统的工作特点和生产效率，对不同管径条件下的临界流速、经济流速、水头损失等各种参数进行了测算、比较，推荐采用内径中800的输泥管。4.1吹泥上滩试验为研究论证抛吹工艺处理疏浚土的切实可行性，为吹泥上滩工程提供、积累实践依据，2002年2—8月在N4丁坝附近安排了吹泥上滩试验工程［7］。工程在7m等深线附近顺水流方向布设了一个尺度为250mx120mx3m（底长x底宽x深度）的贮泥坑，采用橡胶管连接钢管的水下输泥管型式，实现泥土由贮泥坑向吹泥区横沙东滩窜沟的输送，输泥管线总长2760m,管径中700。工程由2条4500m3耙吸船和1艘1600m3/h绞吸船对附近一期航道维护性疏浚土实施抛、吹作业。试验工程期间，在贮泥坑附近和吹泥区域安排了多次有针对性的水深测量和水文测验工作，并监测、统计了抛、吹、输泥各环节船机设备的营运状况，取得了可供后期工程设计参考的有价值的资料和成果。1）在长江口深水航道南北整治建筑物之间选择河势相对稳定的水域，开挖抛吹作业必需的贮泥坑是可行的，贮泥坑的成槽率较高。2）贮泥坑的泥土流失率与泥坑的相对深度密切相关，适当加大贮泥坑的设计深度可提高贮泥坑的存泥效率。疏浚弃土在抛卸过程中部分悬浮的泥沙随水流方向向坑外扩散输移，当水流流速较大时（如大汛期），扩散输移的强度较大。流速小时（即小汛期），扩散输移的强度较小。但方向平行于航道，故对航道的回淤影响较小。3）在长江口风浪水流较大的水域中，采用水下管和端点站形式是成功的。4） 绞吸船的自浮管有时会随水流漂移，对耙吸船进坑抛泥作业产生影响，可适当加大贮泥坑尺度和二坑间距。此外，受自浮管的牵引，绞吸挖泥船的稳定和生产效率受到影响，应设法减小自浮管的受力从而减弱对挖泥船的牵引力。5） 在开敞的吹泥区排泥，出口区泥沙在短期内能形成管口堆积体，吹排的部分泥沙亦随水流有一定的扩散范围，但基本不会返回北槽航道增加航道的回淤及降低泥土处理的效果。向导堤北面吹泥上滩不会对生态环境造成较明显的负面影响。经过本次抛吹工艺的实地试验表明，在长江口北槽航道风浪流较大、泥沙条件复杂的环境下，采用大型耙吸船抛泥、大型绞吸船或专用吸泥船吹排泥的抛吹工艺进行泥土处理是可行的。4.2二期吹泥上滩工程在目前已顺利竣工的长江口深水航道治理二期工程中，对挖槽中段（W113+000~W34+000）的疏浚土采用二次搬运的抛、吹工艺进行处理。工程共布设吹泥站4座，均采用水下输泥管型式。其中，#1,#3吹泥站的设计输泥能力约为400万m3/a,#2和#4站约为600万m3/a。先后实施吹泥作业的有5艘绞吸船，分别为2艘1600m3/h绞吸船和1750m3/h,2000m3/h,2500m3/h绞吸船各1艘。二期工程的实践表明[5]:1）上滩与外抛疏浚土处理区段划分合理，有效地降低了疏浚成本，提高了疏浚工效。2） 采用的端点站形式及水下钢制输泥管线合理、可靠，端点站和管线建成后经受多次风浪考验，使用状况保持良好。3） 贮泥坑开挖后的成槽效果良好。4）泥沙上滩后落淤效果较好。2004年8月，北侧堤距北导堤500m处的断面测量结果显示，北侧堤西侧的滩面高程较工程前抬高了1m。但由于二期工程实施的紧迫性和目前国内大型吹填船机配备能力的相对不足，目前吹泥站均采用常规的绞吸船作为吸吹设备实现泥土上滩，其工况适应性和作业效率均不能充分满足土方处理要求，需抓紧设计、建造或引进针对于长江口疏浚土处理条件的高效率、低能耗、远排距的专用船机设备，满足三期工程及其维护性疏浚土方的处理要求。二期工程中铺设的水下输泥管线采用的是橡胶管接钢管型式，其使用期限和输泥水力损失亦不能满足长期性吹泥站的要求，仍需进一步开展管