水下沉箱在大厚度浮泥区域水下施工中的应用分析

张 伟 薛方 张宇 黄一峰 黄立

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

某些特定水域在许多因素的共同作用下，易使软浮泥聚集，且软浮泥不易驱散或清理。例如在近岸的海滩、栈桥下相对封闭区域中，软泥较易聚集，经过扰动会形成大量浮泥，导致该区域的水下能见度低、固体颗粒浓度高、浮泥密度大。在该区域进行潜水作业风险较高，可能会给潜水员带来人身伤害。

在传统的作业过程中，面对海床软泥的不断回淤及浮泥干扰，现场作业时不得不缩短潜水作业时间，通过反复吸泥来减少浮泥带来的影响。甚至随着作业不断推进，吸泥设备需要升级，增加排量，以应对越来越严重的浮泥聚集情况。吸泥这种方法成本高、效率低，因此借鉴“干式舱”的工作思路，建立一种可以在水下隔离浮泥的“水下沉箱”，创建适合潜水作业的环境，保证潜水作业人员的安全。

1 软泥、浮泥的影响

1.1 软泥、浮泥聚集环境的形成

浮泥是指近底高含沙水体，是一种悬沙落淤或土体液化起悬的中间产物，普遍存在于淤泥质沉积环境中，其密度或含沙量变化较大，每立方米含沙量可为10 至数百千克。

浮泥是由于黏性细颗粒泥沙为主的固态颗粒处于群体沉降或阻滞沉降阶段时，水沙混合体排水速率小于水体内泥沙净输入速率而产生的，是床面淤积过程或新淤淤泥发生液化的床面侵蚀过程的中间过渡产物。其形成的必要的条件包括：持续的细颗粒泥沙供给，较弱的水动力环境以及细颗粒泥沙絮凝。

在国外某处栈桥登陆海管的安装过程中，近岸作业区形成了大量浮泥。结合作业环境及工况分析后可知，客观环境和人为因素加剧了现场的浮泥聚集。海浪在海岸沙滩上的反复冲刷带回大量细颗粒泥沙及人类生活垃圾，为悬沙絮凝创造了物质条件；当地海底涌浪呈现长波涌现象，即涌浪周期长、频率低、流速小，且现场海岸边建造了登陆栈桥，进一步阻挡了涌浪，客观上为浮泥形成创造了相对稳定的环境。为了方便对已经入泥的海管进行起吊，现场使用作业拖轮在作业区域进行了1个月的气举吸泥作业。该种吸泥方式只能将排除的泥沙抛洒在作业区域周边，这进一步丰富了细颗粒泥沙的供给。施工1个月后发现浮泥厚度已达3 m，且伴随施工进行和不断吸排泥，浮泥越积越厚，影响了现场潜水作业。

1.2 浮泥对潜水的不利影响

在商业潜作业水中，水下流速不超过0.514 m/s时方可进行作业，而流水速率较低是浮泥的形成条件之一。浮泥聚集使该区域重度、能见度都明显区别于常规水域的潜水区域，对潜水作业存在多方面的影响：

（1）水下能见度降低。浮泥混杂了大量细颗粒物质，使水下能见度降至20 cm以下，严重影响了水下作业的效率。且在低能见度的水下进行某些作业时，作业人员面临较大的挤压伤和碰撞风险，在含有较多渔网、垃圾等杂物的水域作业时，潜水员易被绞缠。

（2）浮泥含沙量高，密度大，对于潜水员下潜形成较大阻力；在应急情况下，也增大了出水难度。

（3）浮泥中含有大量细颗粒物质，容易导致潜水头盔、潜水面罩的减压器、排气阀等堵塞失效，对潜水员供气造成严重影响。

（4）在大比重浮泥中进行作业时，潜水员移动、作业的阻力较大，水下作业效率受到显著影响。

为了应对这种不利情况，除了常规的更换吸泥方式、增大吸泥频率，或者更换防污染的潜水装具外，设计了一种“水下沉箱”，通过物理隔绝浮泥的方式，为潜水员水下作业创造相对适宜的区域，确保作业安全，同时提高了作业效率。

2 水下沉箱

2.1 水下沉箱的设计原理

水下沉箱的设计原理与海管干式维修中使用的“干式舱” 类似，通过物理隔离的方式，建立适合潜水作业的局部区域。通过设计较高的侧壁和底部挡泥板创建隔离区，形成相对封闭的区域，隔绝了周围的软泥和浮泥。

在该有限空间内，吸泥效率得到明显提升，且整个作业的吸泥时间和频次大大降低了。另外该隔离区域可有效阻挡浮泥，创建区域的浮泥浓度较低，能见度相比周围环境有明显提升，对于提高潜水员在浑水区域作业的安全性，提升作业效率都有明显作用。

图1 水下沉箱工作原理示意图

2.2 水下沉箱的设计及制造

水下沉箱的设计及制造以创造隔离区域、为潜水员水下作业提供安全环境为原则，对以下几方面进行了综合考虑：

（1）应该根据环境特点，尽量做到早设计、早使用，避免缺少计划性的吸排泥作业，导致浮泥大量聚集在作业区。

（2）设计足够高度的侧壁和挡泥板，有效阻挡外围的浮泥。应根据浮泥情况，在能阻挡浮泥从上部涌入的前提下，尽量降低挡板高度，方便潜水员进出，同时减少面对水流的截面积。在底部也设计挡泥板，通过外围布置的裙板来减缓底部软泥在吸泥过程中及潜水作业过程中渗入。

（3）设计合理的挡泥板，增加底座面积，使水下沉箱在海床上保持相对稳定。

（4）为潜水员提供足够的操作空间。应该结合水下作业的具体需求，例如作业结构的特殊形状、空间需求，对沉箱的横向尺寸进行设计。原则上，水下沉箱的设计尺寸需满足潜水员水下作业提供足够的自由度以及避让吸泥作业的空间。

（5）水下沉箱为潜水员工作提供庇护，同时其本身受到水流冲击影响，应该确保其设计、制造具备一定强度。

（6）沉箱内部应在合适的位置设置方便潜水员进出的扶手，扶手设计时需要考虑尽量降低潜水员被绞缠的风险。

3 水下沉箱相关的风险及控制

水下沉箱是一种临时保障潜水员工作的环境的设施，其降低了浮泥对潜水作业的影响，但也形成了相对封闭的区域，在其中作业的潜水员，可能无法及时感知周边环境变化情况。同时该结构本身也面临水流冲击，存在一定的结构失效风险。综合考虑以上因素，在使用时应注意以下风险及控制措施：

（1）在水下沉箱中，潜水员仍然存在受浮泥污染的风险，因此在连续潜水作业中，应确保下水的个人潜水装具及个人劳保工具上浮泥清洗干净，包括靴子、脖套、手套等。

（2）应根据作业工况考虑增加潜水头盔或面罩的清洗、测试频率。

（3）水下沉箱应该明确其适用的作业环境，尤其是适用的流速极限。为了确保水流速率在可接受范围内，可以考虑使用水下测流仪监控流速。

（4）水下沉箱形成的区域虽然为非受限空间，但应考虑增加守护潜水员人数，监控水下流速及沉箱状态，控制潜水员作业脐带，以在沉箱崩塌失效时，确保作业潜水员能及时撤离。

4 水下沉箱的应用实例

在尼日利亚某项目中，计划在海岸栈桥上安装8套整体立管，需要潜水员水下探摸管线状态，标记管头位置，同时在起吊点位置吹出一个工作坑以连接起吊索具。在作业过程中，由于作业区域靠近沙滩，水下的浮泥掺杂各类垃圾在海床上形成了一层密度较大的浮泥。随着现场吸泥作业的推进，浮泥层厚度达到了3 m左右，潜水员水下作业困难，同时也面临了较大的安全风险。为了应对这种情况，现场预制了一套水下沉箱，长为6 m、宽为4 m、高为4 m，挡泥板在4个方向从底部外延60 cm。将其放置在被浮泥覆盖的海床上，创造了相对封闭的区域，使用吸泥设备吸泥后，可维持较长时间的“无污染”区域。

在实际作业过程中，该沉箱有效降低了反复吸泥的时间，提高了潜水员下水作业的效率，同时保证了潜水员的安全。据统计，在现场作业过程中，使用该水下沉箱后，立管的安装用时为未使用时安装工时的一半。

5 结论

水下沉箱结构简单，提升了在大厚度浮泥区域进行潜水作业的安全性，同时提升了水下吸排泥、潜水作业的效率。但同时水下沉箱创造了一个相对封闭的作业空间，因此也需要采取格外的措施来确保工作潜水员的安全。