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疏浚工程

疏浚工程,是指采用挖泥船或其他机具以及人工进行水下挖掘,为拓宽和加深水域而进行的土石方工程。疏浚工程的挖槽设计应力图通过改变河道水流几何边界,引起水流内部结构的变化,使得新形成的水流结构,不但可以保证泥沙不再淤积在航道内(至少在下一个汛期到来之前不再淤积),而且能将进人挖槽内的泥沙输送到下深槽中去,维持航道稳定。 [1]

按规定范围和深度挖掘航道或港口水域的水底泥、沙、石等并加以处理的工程。疏浚工程是开发、改善和维护航道、港口水域的主要手段之一。

中国传说中的部落领袖夏禹(大禹),据后人记载,约在公元前22世纪末从事治水,疏通入海河道。公元前5世纪中国开挖的邗沟,是现代北京至杭州的大运河的一段。公元前 6世纪埃及人开挖了第一条沟通尼罗河和红海的运河。古代的疏浚方法是人在木船或竹筏上使用长竿泥袋、长柄斗勺等简单工具捞取水底泥沙。15世纪荷兰人采用了搅动泥沙的疏浚方法,把犁系于航行的船尾,耙松河底泥沙,使其悬浮于水中,利用水流将泥沙带到深水处沉淀。16世纪荷兰人又创造出一种“泥磨”,施工时,用人力或畜力转动平底木船上的大鼓轮,通过循环链条带动木刮板,将水底泥沙刮起,经溜泥槽卸入泥驳。17世纪初用铜制斗勺代替木刮板,成为现代链斗挖泥船的雏形。18世纪中国制造了名为清河龙的人力挖泥船,船上设有绞盘柱,柱下端围以铁齿,能插入泥沙中。作业时,用人力转动绞盘柱,带动铁齿挖泥。18世纪末出现了以蒸汽机为动力的挖泥船以后,疏浚机具得到不断改进。受工业革命的影响,开辟或维护大船航道,主要使用挖泥船来进行疏浚了。

我国疏浚行业的发展已有数百年的历史,在经济全球化浪潮以及国际贸易快速发展的推动下,为适应集装箱及油轮运输大型化发展的需求,我国各地纷纷兴建港口、拓宽并挖深沿海航道,以提高通航能力,疏浚行业得到了快速的发展。与此同时,随着港口、航道、农田水利及沿海城市的发展,疏浚作业领域也得到了较大程度的延伸,从传统的港口航道疏浚及维护、江河湖泊治理及水利设施兴建,先后拓展至农田水利与水库建设及维护、国防工程建设、环境保护疏浚、吹填造陆等领域。

2009年全球疏浚行业总收入为109.33亿欧元,较2000年增长了超过3倍。相比之下,我国的疏浚工程行业增速更快,2000-2009年,我国疏浚行业整体收入增长超过5倍,疏浚工程量也大大增加,以基建疏浚和维护疏浚为例,2009年全国基建疏浚量约为9.3亿立方米,而维护疏浚则达到了7060万立方米。未来,我国疏浚工程行业仍将保持快速发展,主要得益于以下几个因素:港口建设投资保持增长;沿海城市规模扩大催生填海造地仍将持续;内陆河流航道的维护;各种水利工程设施建设投资加快;河流、湖泊等区域生态环境的改善需求增加。由此,疏浚行业发展增速快,前景看好。

然而,由于业务资质、资金、技术装备等原因,我国的疏浚工程企业的业务能力未能实现同步快速增长,行业需求存在一定的缺口。对于行业内的企业,只要抓住机会,充分了解市场、合理把握投资机会、准确出击就一定能够行业中崛起、壮大。 [2]

拓宽和浚深航道和港口水域,应该先进行规划设计。进行疏浚工程会破坏原来的自然平衡。自然力总是趋向于恢复固有的平衡状态。在内河水流、河口和海岸的潮流、沿岸流、异重流、波浪等动力作用下,泥沙不断运动并在挖槽中沉积,造成回淤,导致疏浚的成果丧失或减少。所以在进行规划设计时,要了解和掌握挖泥区各种动力因素与泥沙运动的关系,考虑减淤措施。航道疏浚设计包括挖槽定线,挖槽断面尺寸的确定,挖泥船的选择和弃土处理方法等。 [3]

选择航行便利、安全和回淤率小的挖槽轴线必须考虑水流动力条件和自然演变趋势。如内河浅滩,挖槽位置应选在水流输沙能力最强的区域,走向与枯水流向一致,交角不宜大于15°,使上游来沙顺利通过以保持挖槽稳定。潮汐河口挖槽,应选在落潮主流深泓线上;在有多条叉道时则应选取其中输沙量较少、平面较稳定、涨落潮流路较一致、落潮流占优势的主流线上,以利泥沙出海。海岸港口挖槽轴线方向的选定尤其要考虑水文、气象和船舶操纵性能等因素,避免航道方向与强风、大浪方向的夹角过大。如港址在沿岸漂沙严重地区,须筑堤拦沙或用喷射泵从沿岸流上方吸取漂沙经海底管线越过航道输往下方。

航道挖槽断面尺寸既要满足船舶安全行驶,又要避免尺寸过大导致疏浚量过多。航道挖槽宽度的确定应根据船舶的类型和航行性能,风、浪、流的漂移作用,航行密度所要求的单线或双线,由于避免岸吸和船吸作用船与岸、两船交会所需间距,以及助航设施等。通常单航线挖槽底宽取5~7倍船宽,双航线取 8~10倍船宽。限制性航道或环境条件差的采用高值;弯曲段应有附加的富裕宽度。挖槽深度的确定应根据船舶满载吃水再加上船的纵倾、横摇、航速所引起的下坐和考虑底质软硬所需的最小的富裕水深。维护性疏浚尚须预留同两次施工间断时期的回淤厚度相适应的备淤水深。挖槽形状通常为对称的梯形断面,采用挖区土质在水中和动力条件下自行稳定的边坡。如果横流或水流同挖槽轴线交角较大,可采用不对称的横断面,即在来水来沙一侧超深挖一、二条垄沟,用以截留泥沙并经常清除淤积,既可免致挖槽横向位移,又可减少挖淤和航行的相互干扰。

疏浚选用何种挖泥船,主要取决于疏浚物质的性质以及施工区气象、水文、地理环境等条件。在风浪大又无掩护的滨海和河口地区,宜选用自航式耙吸挖泥船;结合吹填的常采用带输泥管线的绞吸挖泥船;水底为硬土的用铲斗挖泥船;作业面小的情况下,例如在港口的码头前沿,宜用抓斗挖泥船。挖泥船作业时,要避免妨碍运输船舶航行,注意安全操作和设施的齐备。在现场要标定挖槽的准确位置,布设水位讯号、挖泥和卸泥区标志,经常进行水深测量,提高挖泥船运转时间,研究改进挖泥方法。

保证疏浚成效的重要环节之一是处理好弃土。务使挖出来的泥沙不能回至挖槽造成人为的回淤,也不允许影响邻近航道、港口。弃土处理方法大致分为两类,即水中抛卸和送泥上岸。水中抛卸在内河施工中是用弃土填充丁坝、顺坝等整治建筑物的堤心或抛卸于深潭;在河口和港湾的浅水区施工中多用弃土填筑人工岛或造陆,这样须先筑围堤以防弃土流失;深水抛卸通常在外海进行。送泥上岸要选择好吹填地,主要要考虑岸坡的稳定性、容泥量;河流边上填泥造陆时不能影响河道的稳定,大多先筑围埝,高岸则采用泥泵管线吹填。弃土处理方式的选取既要根据疏浚工程整体要求因地制宜,又要作经济合理性比较。 [4]

对于不同的疏浚项目,往往根据疏浚目的、泥沙特性、水文环境以及施工条件等各方面的因素而采用不同的施工工艺和设备,疏浚作业的过程也各不相同,通常来说,均包含水下泥沙挖掘、疏浚泥沙垂向提升、泥沙水平输送和处置等主要环节或阶段,不同阶段的施工作业将对环境产生不同的影响。

1、水下泥沙挖掘

该步骤的主要目的是将待疏浚泥沙从原位置移除,采用挖斗、铲斗、铰刀、耙头等工具进行挖掘,在上述装置的挤压、切削作用下,床面泥沙凝聚力被破坏并发生移位,部分泥沙被疏浚设备输送至其他地方待进一步处理,部分泥沙散落在疏浚点附近,部分泥沙悬浮至水体中。在挖掘泥沙的过程中,对环境的影响包括:(1)增加悬浮泥沙浓度,在疏浚设备的旋转切削作用下部分泥沙进入悬浮状态,悬浮泥沙浓度取决于底泥基本特性、疏浚设备的类型、挖掘能量、垂向提升方法及其他施工参数;(2)释放污染物,悬浮在水体中的污染泥沙将通过解吸作用向水体中释放污染物,释放强度及速率受悬浮泥沙浓度、泥沙本底吸附值、水体物理化学环境、吸附动力学特性;(3)疏浚残留泥沙若含有污染物则将成为新的污染源。

2、疏浚泥沙垂向提升

疏浚过程的第二个关键环节是将挖取的泥沙提升至水面,可采用机械方法或水力方法,与采用的疏浚船舶相关。当采用机械式挖泥船时,疏浚泥沙被置于泥斗之中被提升至水面,而采用水力式挖泥船时,通常采用吸泥管吸取疏浚泥沙,在离心泵作用下,泥水混合物被吸入吸泥管并通过排泥管线输送至目的地。挖取的泥沙在提升过程中对环境的影响包括:(1)若采用开敞式挖泥斗进行机械输送,提升过程中将不可避免与水体接触,在水体的稀释和冲刷作用下,水体悬浮泥沙浓度将增大,悬浮泥沙浓度受挖泥斗类型及容量、提升速度等因素影响;(2)而采用水力输送时,其主要影响因素为吸泥管的吸入能力,若吸入能力不足以输送全部的挖掘泥沙,则将生成大量的疏浚残留污染环境;(3)若采用耙吸式挖泥船或泥驳装载泥水混合物时,溢流将使得水体中的悬浮泥沙和污染物的浓度增加。

3、疏浚泥沙水平输送

从床面挖取并提升至水面的泥沙需运输到目的地进行进一步处置或处理,其水平输送方式包括耙吸式挖泥船输送、泥驳运输和水力管线输送,一般而言,机械疏浚采用泥驳运输,水力式挖泥船采用管线输送,耙吸式挖泥船可直接用船舶输送。相比其他阶段而言,疏浚泥沙的水平输送对环境的影响较为微小,其主要风险来自于疏浚泥沙泄漏。

4、疏浚泥沙处置

疏浚泥沙被输送至目的地后,根据疏浚目的、泥沙特性及可利用程度进行进一步处置,包括吹填陆域、岸滩养护、海上弃置、陆上弃置、隔离弃置等。疏浚泥沙处置是疏浚工程的最后阶段,处置位置不同,其对环境的影响不同:(1)若采用水下处置,在水动力作用下,细颗粒泥沙将不同程度的向四周扩散和运动;(2)若采用陆上处置,如吹填陆域、岸滩养护,其主要污染主要来自于泥水分离过程中的余水排放和溢流;(3)此外,如若没有采取相应的保护措施,陆上处理疏浚泥沙也将可能对处置点附近地下水水质带来负面影响。

随着疏浚市场的蓬勃发展和科学技术的飞速进步,为了满足不同工程的施工要求,各船舶公司研制了不同类型的疏浚船舶投入使用,在工程中较为常见的挖泥船可分为机械式和水力式两大类。机械式挖泥船主要运用挖掘机具进行水下挖掘,利用机具本身进行垂向提升以达到疏浚目的,主要包括抓斗挖泥船、铲斗挖泥船和链斗挖泥船等;水力式挖泥船则利用机械旋转切割水下土层,将泥沙与水混合形成一定浓度的泥浆,通过输泥管道输送上岸,包括吸扬式挖泥船、绞吸式挖泥船和耙吸式挖泥船等。 [5]


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