山区河流航道整治及疏浚工艺研究

◎ 杨鹏 武汉四达工程建设咨询监理有限公司

蔡本林 武汉中澳工程项目管理有限责任公司

杨伟超 青岛裕和建设有限公司

伴随着水运工程的蓬勃发展，沿海区域诞生了一批按不同用途制造的专用船舶，通用性差，只能专船专用。随着内河航道的发展需要，该类专用船舶需要运输至内河航道甚至山区河流中参与工程建设。但目前江河、湖泊、沿海等水域的工程船舶的运输渡送，主要是采用不同功能的整体式船舶，如运输船、客轮、拖轮、轮渡和工程浮吊船等。由于其体积和重量的原因，很难从山区河流不通航水域转入另一水域，特别是难以进入的浅水河流。随着长江航道工程的不断深入建设，国家发改委“十三五”计划将长江上游山区河流进行整治提升航道等级，为西南经济发展助力，公司也连续中标岷江（龙溪口枢纽至宜宾合江门）航道整治一期工程以及大渡河枕头坝二级水电站下游河道治理工程。

本课题将依托岷江航道项目部利用当地专用仓驳船改造成为适用山区河流抛石工艺的船舶，以及大渡河河道治理项目新设计制造的组合式平台船，将山区河流施工船舶设计制造及改造模块化、普遍化、通用化，成功解决这些特殊地段、特殊水域的特殊施工和交通运输难题，指导未来山区河流航道整治项目的船舶施工，助力国家山区河流航道发展。

1.工程概况

岷江（龙溪口枢纽至宜宾合江门）航道整治一期工程，上起龙溪口枢纽，下至屏山岷江大桥，河段全长约47公里。主要包括岷江干流龙溪口枢纽至屏山岷江大桥段全长47公里，13个滩险整治工程（含干龙子、龙溪口、老君碛、白甲滩、横梁子、新开河、背时滩、令牌石、大浩口（含南瓜滩）、斑竹林、霸王滩、渣口石和岗子坪等）、助导航标志工程、环境保护和水土保持工程，以及全线的信息化系统、航行水尺、维护设备等配套工程和霸王滩滩群航道整治物理模型试验研究，项目建设全部的施工图勘察设计、采购、施工、试运行维护，直至项目竣工验收。

项目主体坝体采用块石进行抛筑，石料必须质地坚硬，大体方正，无明显风化现象，浸水后不崩解，饱和抗压强度应大于30Mpa，并具有较好级配。填心块石重量25～75kg占10%，75～200kg占40%，大于200 kg 占50%，大块石重量150 kg～250 kg占40%，250kg～400kg占60%，缝隙须采用较小块石填实卡牢，如图1所示。

图1 典型坝体断面图

本项目坝体高度约2m，施工期间恰逢枯水期，受上游降雨及水电站影响，施工水域平均水深约2m。

大渡河枕头坝二级水电站坝址位于乐山市金口河区枕头坝公司营地上游300m，距离上游已建成的枕头坝一级水电站4.1km，左岸有G245国道通过，距离乐山市130km，成都市256km。

本工程拟疏浚长度约2.6km，疏浚开挖量约167 万方，平均水深4-6m，平均开挖深度约为4m，河道疏浚开挖料以砂卵砾石为主，含漂石、大孤石。

金口河区沿途道路依河而建，道路崎岖，大部分道路位于半山腰，古有蜀道难难于上青天之说，且大渡河不通航，对大型疏浚船舶设备进场影响甚大。本课题依托大渡河项目提出组合式平台船在山区河流疏浚开挖中的应用，来引导新船的制造。

图2 大渡河疏浚施工平面图

图3 工程船主视图

图4 工程船俯视图

2.组合式平台船疏浚工艺

2.1 船舶设计

由于受船舶运输限制，节点工期在即，陆域无法直接开挖，本次设计中考虑采用组合工程船进行疏浚施工。

组合式工程船为钢质焊接船，船类为工程船，作业于山区河流航道，作为水下挖掘、河道疏浚施工作业工程。

2.1.1 主要尺度及参数

总长：19.80m

型深：1.80m

型宽：10.8m（组合式）

设计吃水：1.20m

船舶类型:Ⅲ类工程船

作业水域:B 级航区

挖掘深度：10.0m

船员人数：2 人

2.1.2 结构

本船由 3 个箱式片体组合形式。全船总体为单底甲板船，纵骨架式。全船肋距 0.5m；每间隔 1.5m 设置实肋板、强横梁和强肋骨，并构成船体强框架。

每个片体在 3、9、24、36 号肋位处设置横向水密舱壁，船中有纵向桁架，将全船分割为 15 个水密舱。

结构计算依《钢质内河船舶建造规范》（2016），按单底甲板船及工程船有关规定进行。

2.1.3 总体布置

船体在 3、9、24、36 号肋位处设置横向水密舱壁，船中有纵向桁架，全船 15 个水密舱。每个密封舱在主甲板上开水密人孔。中间片体 14-23#舱内设有燃油舱、污油柜、污水柜，0-3、3-19#为压载水舱，其他舱为空舱。

每个舱设通气管一个，高度大于 200mm。

主浮箱尾部 9#中间、边浮箱 24#肋位左右舷各安装布置 1 根定位桩和液压升降装置。船首 8m 范围是挖机活动区域。

图5 平台船运输图（1）

图6 平台船运输图（2）

图7 平整场地

图8 船舶拼装

由于该船需要流动作业施工，在中部放置集装箱货柜 1 个，里面分别放置工具、消防救生设施、信号设施等。

集装箱货柜顶面布置船名牌、桅杆、信号设施。

2.1.4 干舷及稳性

经计算本船最小干舷 469.4mm。实取 700mm。

稳性经估算满足《内河小型船舶检验技术规则》（2016）有关要求，稳性干舷经合理调整浮态后满足 700mm。

结构计算吃水 1100mm。

2.1.5 消防设备

根据《内河小型船舶检验技术规则》2016，§7.3.2，本船配置5kg 干粉灭火器 2 只；消防水桶 2 只；沙箱 1 只（0.03m^3）；太平斧1 把。

2.1.6 救生设施船体设计说明

根据《内河小型船舶检验技术规则》2016，§9.4.1 本船救生配备救生衣 2 件，救生圈 2 个。

2.1.7 锚泊及系泊设备

根据《内河小型船舶检验技术规则》2016，考虑到本船实际作业时具体条件，§9.3.3.8，本船用定位桩（相当于插杠）代替锚设备。

系缆：φ9mm＊50m 钢缆 2 根。

全船设 4 个带缆桩。缆桩选φ108＊10 钢管制作。

图9 工程船实物图

2.1.8 信号

根据《内河小型船舶检验技术规则》2016，§9.7.2.1 要求配置：

红白旗各 1 面(尺寸不小于 0.4m ＊0.6m)；黑色球体号型 1 只；手电筒1 只。

2.1.9 环保

本船不设机电设备，工程机械的维修保养一律上岸。

本船不设船员生活设施，有岸上解决。

配置 3 个垃圾桶，将产生的垃圾打包交岸上专业回收处理机构。

2.1.10 轮机、电气

本船不设动力装置，非自航。定位桩升降动力有随船工程机械液压站提供。

2.2 方案比选

在山区河流疏浚过程中普遍采用的方案有先改移河道，然后再筑钢板桩围堰，从而进行干施工，本课题中改移河道以及施打钢板桩，将会大大增加了施工成本以及材料成本，对环境影响也很大。

或将大型船舶切割为小块，分块运输，到达施工现场后，在进行焊接，该方法对船舶使用寿命及安全性影响较大，大型船舶切割、运输、组装、验收会耗费很多时间，大渡河每年6至10月为汛期，汛期不进行施工，船舶驶离河道。

本工程中疏浚工程量为167 万方，且河道最宽处160m，单纯考虑陆上开挖是无法满足施工要求，项目部多次拜访当地船舶公司，以及现场踏勘后，决定设计制造一种可以满足当地运输条件以及灵活拆卸，易于组装的船舶。

组合式工程船的出现有效解决了由于船舶体积大，无法直接在山区道路上运输的难题以及组装拆卸简单，能快速应变大渡河水环境，汛期驶离，枯水期下水施工。

2.3 施工方案

2.3.1 船舶加工

本合同段施工中组合式工程船由宜宾市顺水船舶技术服务有限责任公司设计加工，船舶加工完成后，使用加长平板车运输至施工现场组装。

2.3.2 船舶运输

平台船运输考虑分块运输，每一块为19.8＊3.6＊1.8m，到达现场后再进行现场拼接，平台船设计时考虑到当地运输条件有限，在不影响结构的前提下，分块设计，使用高强螺栓链接，平台船运输使用加长平板车，夜间错峰运输至现场。

2.3.3 船舶组装

大渡河流域金口河区域由于上游水电站影响，水流量忽高忽低，最大水流量2800m/s时流速达到3.5m/s，若平台组装在水中进行时，水流速太大，无法准确安装螺栓，故平台组装考虑陆地组装，涨水自浮后拖至疏浚区域。组装平台船前，在低水位情况下，平整出平台组装场地如图7。

船舶加工过程中在两岸分别埋设2根地锚，使用250t汽车吊将工程船左边浮箱吊至水中，使用缆绳将边浮箱固定，然后依次下吊主浮箱，右边浮箱，使用高强螺栓将浮箱连接起来，将缆绳重新系在边浮箱系缆位置，安装锚桩等相应附属设备，工程船组装完成后将工程船移至岸边，挖掘机移动至工程船指定位置，加入压舱水，待水位上涨后，船舶漂浮起来，将平台船拖至指定位置。

2.3.4 船舶施工

在正常施工下，平台船使用3根定位桩进行固定，大渡河极限水流3.5m/s情况下可以正常施工，在船舶移位情况下，使用2根28钢丝绳制作的八字缆进行固定，经过受力计算，满足现场需求。

以枢纽区域右幅开挖最大宽度60m计，水上开挖最大宽度30m。水上开挖使用施工工程船配备SY550H18m长臂挖机逆流开挖，沿河道方向分条式纵向开挖，分五条基槽（5m+10m+5m+5m+5m)进行开挖施工。

本项目疏浚施工为167万方，其中水上工程船施工方量约为55万方，施工工期为21个月，拟投入设备2艘组合式工程船施工。

2.4 船舶设计验算

100%燃料备品正常作业（表1）；

表1 100%燃料备品正常作业

100%燃料备品正常作业下计入自由液面影响的初稳高度为5.23m，根据《内河船舶法定检验技术规则》（2019），要求初稳性高度应不小于0.2m。此工况下计算得初稳性高为5.23m>0.2m，符合规范要求。

100%燃料迁移状态（表2）；

表2 100%燃料迁移状态

100%燃料备品迁移状态下计入自由液面影响的初稳高度为15.667m，根据《内河船舶法定检验技术规则》（2019），要求初稳性高度应不小于0.2m。此工况下计算得初稳性高为15.667m>0.2m，符合规范要求。

2.5 组合式平台船关键技术

组合式平台船的设计施工有效的解决山区河流疏浚大型专用船舶无法进入施工现场，也为未来一船多用提供一定的思路，船舶设计时可以按固定模块设计制造，使用时按照所需功能进行组装，将大型专业化船机设备通过模块设计拼装，实现普遍化、通用化。

2.6 工艺实施效果

组合式工程船在大渡河枕头坝二级水电站下游河道治理工程项目实施中，极大限度的降低了由于船舶运输所浪费的时间和成本，使该工程的疏浚施工工期压力得到了很大的改善，大大解决了山区河流疏浚施工过程中由于不通航且道路崎岖，大型设备无法直接通行等问题。在山区河流疏浚施工中积累了宝贵经验，可以在今后山区河流施工中借鉴和应用。

3.仓驳船改造抛石工艺

根据水深和基床特点，结合施工工效和施工精度要求，原计划采用定位方驳上配备反铲挖掘机的方式进行抛石，将挖掘机固定于平板驳上，平板驳定位完成后仓驳船将石料运输至平板驳附近，固定于平板驳周围，挖掘机进行抛填，抛填完成后，运输船驶离，平板驳等待下一仓驳船靠船抛石。施工过程中，实时记录现场施工部位流速、水深情况以及各抛区抛投量；并根据抛后测量标高复核高出的抛石位置及超高量，适当调整抛石的提前量。挖机反铲抛石完成后进行顶面找平和补抛施工，如图10所示。

图10 原方案抛石示意图

3.1 存在问题

根据原方案采用平板驳进行定位，但在岷江山区河流水系受水流流速较大且水深较小，当地无平板驳及自航平板运输驳，无法按照原方案进行实施，经过对当地水系区域进行考察，确定当地水系区域主要以吃水较小的运输仓驳为主，如图11所示。

图11 当地仓驳图

针对上述仓驳调查分析，仓驳载重大约300吨，舱深为2m以上，而采用此类仓驳可进行石料运输，但在卸载完成石料后，挖掘机无法从舱内直接爬出，且在抛填过程中驾驶员视觉受限制无法准确抛填，极大影响施工效率与质量，因此亟需对仓驳进行改装，以便抛石设备的上下及抛填施工。

3.2 解决方案

针对上述问题，项目部根据多年在长江水系及沿海港口施工经验，对仓驳采用设置挖掘机作业平台的方案，在仓驳中间位置根据挖掘机履带宽度加设挖掘机平台，提升挖掘机的作业高度及通道，便于挖掘机上下及抛填。

平台采用[15槽钢及8mm钢板加工而成，采用中间4倒竖向槽钢及2道斜向槽钢，并在平台顶面焊接抗滑槽钢，如图12平台加工图所示及图13挖掘机平台站位图。

图12 仓驳平台加工图

图13 仓驳平台站位图

图14 仓驳平台抛石图

3.3 验证计算

选择典型运输船舶进行计算，主要设计参数如表3。

表3 典型运输船主要参数

挖掘机站位为运输船的横向船中进行石料抛投。挖掘机型号为日立300，总重量30T，臂长6.5米，旋转半径4米，底座链条外宽2.8米，长3米。

本计算书计算挖掘机纵向运动至重心距离定位船左舷1m时，定位船的浮态及稳性。

计算结果如表4。

表4 平台稳定性计算结果表

根据《内河船舶法定检验技术规则》（2019），要求初稳性高度应不小于0.2 m。此工况下计算得初稳性高为6.425m>0.2 m，符合规范要求。

3.4 现场实施

按照上述方案实施后，仓驳抛石效率较直接在仓驳内效率提升50%，同时挖掘机可自由上下相邻仓驳，安全性能大幅提升，驾驶员视野宽阔，限制度降低，为岷江山区河流航道坝体建设提供有利的设备保障，如图3-5仓驳平台抛石图。

3.5 仓驳船改造工艺创新点

项目利用当地现有仓驳船改造升级抛石施工，因地制宜，利用现有船机设备通过设计改造，运用与航道施工过程中，减少了专用船舶的调遣，将山区河流施工船舶作业普遍化，指导未来山区河流航道整治项目的实施，减少不必要的专用船机设备的投入以及调遣运输，助力国家山区河流航道发展。

4.工艺实施效果

4.1 经济效果

组合式平台船的设计施工，大大降低了运输成本的投入，同时也减少专用船舶的投入，使用高强螺栓连接，减少切割焊接施工，安全性能有效提高，相比传统挖泥船，在不通航水域转运时，需通过切割运输然后组装，经济效益明显提高，安全风险明显降低。

仓驳船改造工艺在岷江航道一期施工中，仓驳抛石效率较直接在仓驳内效率提升50%，同时挖掘机可自由上下相邻仓驳，安全性能大幅提升，驾驶员视野宽阔，限制高度降低，为岷江山区河流航道坝体建设提供有利的设备保障，同时仓驳船改造后减少了为挖掘机提供作业平台的平板驳，施工成本大幅降低。

4.2 社会效果

大渡河枕头坝二级水电站下游河道治理工程策划中，通过与船舶公司多次咨询以及现场考察后设计制造了组合式平台船，组合式平台船的快速投入使用，赢得了业主极大的认可，业主对项目部的快速反应能力以及设备投入表示充分的认可，同时也减小了节点工期压力。

岷江航道一期工程通过改造仓驳船进行抛石施工，让业主看到了项目部在资源短缺的条件下，因地制宜，充分利用现有资源，通过改造升级，解决施工困境的能力，为项目按期完工提供强有力的的保障。

5.总结

结合岷江航道项目现场实施情况，仓驳改造抛石工艺将会大幅度降低山区河流航道整治专业化船机设备的需求，最大限度因地制宜将施工工艺普遍化，降低非常规船机设备的调遣周期及实施的局限性，为未来山区河流航道整治工艺选择提供借鉴，助力山区河流航道建设，也为专用船舶的未来提供一个新思路。

结合组合式工程船在大渡河枕头坝二级水电站下游河道治理工程项目疏浚的快速投入实施，使该工程的节点工期压力得到了很大的改善，成本得到有效控制，成功解决了由于山区河流不通航造成船舶转用困难等问题。该组装工程船设计理念可以在今后山区河流疏浚施工中借鉴和应用。在以后的船舶设计制造中可尽量减少专用大型船舶制造，将大型船机设备模块化、通用化、普遍化。