2013年岩土工程师综合辅导：疏浚技术的最新发展方向

会计考友

1、前言
　　几个世纪以来，水一直都是人类的朋友和对手，我们利用水来进行货运和客运，但在风暴和洪灾期间，我们又要设法逃生。我们兴建港口航道以满足运输需要；兴建堤坝和其它建筑物以抵抗洪水以及在海上吹填造陆，等等。因此，疏浚设备是必不可少的工具。
　　近来疏浚工程不断发生变化，规模扩大，致使疏浚设备也不断发展和创新，以满足不断增加的疏浚机具需求。
　　2、耙吸挖泥船的设计
　　对于疏浚业来说，吹填造陆是其中一个主要业务领域。在世界许多地方，工业园区的需求在不断增加，例如机场、集装箱码头或工业厂房、住宅区等。新加坡吹填工程和阿联酋迪拜棕榈岛ⅰ、Ⅱ期大型吹填工程就是一些大规模吹填造地的例子。工程必须开挖和运送千百万方砂来填筑吹填区和连接岛屿；现有航道必须浚深以通航更大型船舶；环保、地理和政治因素也可能会导致挖泥船运距加长和必须在更深水域施工等。
　　这些限制条件都要求有更大舱容和更高效率的大型耙吸挖泥船来施工，尤其是当航距不断增加的情况下，大舱容耙吸船比小舱容耙吸船的采砂成本更低。1992年以前，耙吸船的最大舱容都不超过10000m3，其后，舱容则不断增加。
　　1994年，IHC公司建造了“Pearl River”号（17000m3）、1998年“Volvox Terranova”号（20000m3）、2001年“HAM318”号（23700m3）、2000年“Vasco da Gama”号（33000m3），最近又完成了“WD Fairway”号扩改为350003的工程，而“Vasco da Gama”号舱容将增加至440003.填砂护滩以及近岸抛沙都要求耙吸船靠岸施工，“Waterway”号（2000年造）和“Coastway”号（2002年造）满载吃水只有66m，都可以靠近海施工。
　　3、开沟和开挖深坑开沟是海床管线铺设的预备工作。
　　视土质情况而定，开沟方法多种多样，其中一项就是采用疏浚方法。
　　在完成开沟和铺管工作后，有时还需要覆盖，以保护管线。覆盖施工方法很多，例如抛石法、自然海流法和通过耙吸船吸管回埋法。借助吸管将沙从泥舱泵送到沟槽进行回埋作业。
　　现在，许多大型耙吸船都拥有深水开沟或为保护海上油气开采设备的进行所谓的大深坑开挖功能。
　　“Vasco da Gama”号安装了挖深达160m的深水开挖设备。为达到160m挖深并保证足够的泥泵吸入压力以维持泥泵正常功能，该船的1400mm直径吸管上安装了功率高达6500kW的高效潜水泵。
　　4、有限元法
　　在挖泥船设计过程中，有限元法（FE法）是必不可少的。这些计算方法的专业应用可获得强固的船体结构，同时重量却相对较轻，使船船获得更多的装载量。
　　由于在外海环境下疏浚施工以及连续不断的装舱卸舱过程，耙吸挖泥船的船体要在强侵蚀环境下经受各种周期性荷载。耙吸船的设计特点包括较小的舱容/船长比，这意味着荷载主要集中在船中部，导致较大的船体大梁弯矩和高剪切强度。
　　此外，由于采用大功率挖掘设备以及带舱底泥门的泥舱结构布置，不可避免地要求船体采用大量不连续性设计。
　　为优化船体的应力重量比以及最大化船体细部结构的强度和疲劳寿命，采用了有限元计算方法。
　　大型绞吸挖泥船在开敞水域施工时要承受因波浪和开挖岩石时船体振动而产生的大幅波动的荷载。
　　船舶与海床之间以及桥梁耳轴与定位桩台车之间的船体形成（挠性）连接的位置上发生裂纹的概率相对较高。
　　应用有限元计算法可最大限度地减少应力集中出现并提高疲劳寿命。有限元计算法进一步应用于优化绞刀桥梁与定位桩的强度和硬度。为了避免因振动产生的共振或过度变形，目前IHC公司正在建立一个绞刀桥梁与船体的有限元模型以判断这种振动特性。