5月的官廳水庫，風(fēng)平浪靜，碧波蕩漾。岸邊不遠(yuǎn)處，一艘紅黃相間的“大家伙”正在水面上四處游弋。雖然水面之上波瀾不驚，但水下早已是一派熱火朝天的景象。快速旋轉(zhuǎn)的絞刀正將水底淤泥打碎成“泥漿豆腐腦”，緊接著，泥泵強(qiáng)大的吸力將泥水混合物抽吸上來，經(jīng)過長長的排泥管不斷輸送至遠(yuǎn)處堆場。中交天津航道局有限公司疏浚裝備中心主任楊正軍告訴記者，這艘正在作業(yè)的“大家伙”是由中交集團(tuán)自主設(shè)計(jì)建造的世界最大全電驅(qū)可拆裝環(huán)保絞吸船——“浚瀾”船。不久前，“浚瀾”船在官廳水庫清淤試點(diǎn)工程正式投入使用。

量身定制的疏浚裝備

絞吸船的工作原理是通過巨大的絞刀將水底淤泥進(jìn)行挖掘破碎，再借助泥泵將底泥吸入封閉管道，最后遠(yuǎn)程傳輸至堆場。其主要用于各類江河湖庫清淤工程。

官廳水庫位于永定河河北省與北京市交界處，是新中國成立后我國自行勘測、設(shè)計(jì)、施工的第一座大型水庫，也是永定河上最大的控制性水利樞紐工程，對保障流域生態(tài)安全、防洪及綜合治理與生態(tài)恢復(fù)建設(shè)等均具有重大意義。

但由于長期未進(jìn)行系統(tǒng)性治理，官廳水庫淤積泥沙總量已達(dá)6.5億立方米，防洪供水以及生態(tài)涵養(yǎng)功能嚴(yán)重下降。清淤擴(kuò)容、升級改造成為官廳水庫持續(xù)發(fā)揮功能的必要選擇。

楊正軍介紹，官廳水庫清淤試點(diǎn)工程計(jì)劃清除庫底污染底泥1153.87萬立方米，該工程面臨挖深大、土質(zhì)復(fù)雜、輸送距離遠(yuǎn)、環(huán)保要求高等諸多技術(shù)難題。

“針對官廳水庫的特點(diǎn)，我們?yōu)椤憽鋫淞丝刹鹧b疏浚裝備領(lǐng)域目前最強(qiáng)的電力驅(qū)動(dòng)挖掘輸送系統(tǒng)，絞刀功率可達(dá)600千瓦，能夠輕松開挖中高強(qiáng)度的土質(zhì)，挖掘效率是以往裝備的3倍。”楊正軍說，“浚瀾”船每小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)疏浚量可以達(dá)到2000立方米，相當(dāng)于每小時(shí)可挖出一座標(biāo)準(zhǔn)游泳池。此外“浚瀾”船專為深水湖庫清淤設(shè)計(jì)，挖掘深度可至25米，加裝深水模塊后最大挖深可達(dá)60米。

“浚瀾”船不僅能挖，還能運(yùn)。為了保護(hù)水庫周邊環(huán)境，挖掘出的淤泥要進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送堆放。為此，“浚瀾”船配備了自主研制的新型泥泵，該泥泵較上一代泥泵輸送效率提升10%以上。工作時(shí)，水下泵先將泥水混合物吸入艙內(nèi)，隨后艙內(nèi)泵通過連接的管道一口氣將淤泥“快遞”到5公里外，兩者“串聯(lián)接力”，輸送效率和距離都得到大幅提升。

此外，為了應(yīng)對官廳水庫不通航、船只無法通過水路直接抵達(dá)的特點(diǎn)，“浚瀾”船采用獨(dú)特的模塊化設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)“樂高積木”式拆裝。分拆后的九大模塊可以通過陸路運(yùn)輸，抵達(dá)各處作業(yè)地點(diǎn)。對于通航水域，“浚瀾”船則可以直接在A級航區(qū)內(nèi)拖航，實(shí)現(xiàn)來去自如。

會(huì)“思考”的“水下手術(shù)刀”

功率大、效率高，只是“浚瀾”船的特點(diǎn)之一。官廳水庫作為北京市總庫容超過40億立方米的兩座水庫之一，環(huán)保作業(yè)要求高。如何在清淤時(shí)保證水體不被淤泥污染，也是絞吸船設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問題。

楊正軍告訴記者：“簡單來說，我們的絞刀配有一個(gè)外罩。外罩的開口大小可以根據(jù)切泥的厚度進(jìn)行精確調(diào)整，讓整個(gè)切泥過程都在封閉空間內(nèi)進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)泥水分離。絞刀挖掘軌跡平整、空間定位精準(zhǔn)，堪稱‘水下手術(shù)刀’。”他介紹，團(tuán)隊(duì)通過理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等綜合分析方法，實(shí)現(xiàn)了對水、泥、機(jī)具的耦合分析，制定了絞刀的精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)控制策略。憑借研制出的新型環(huán)保絞刀，“浚瀾”船的挖掘作業(yè)如同一場精準(zhǔn)的外科手術(shù)，能夠?qū)⑺w擾動(dòng)降至最低，有效避免了水體污染。

此外，“浚瀾”船配備了高壓岸電接入模塊，可以采用全電力驅(qū)動(dòng)挖掘系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)施工作業(yè)零碳排放。在水下工作的設(shè)備更是采用了電力驅(qū)動(dòng)取代液壓驅(qū)動(dòng)，從源頭上確保不對水庫水質(zhì)造成影響。

“浚瀾”船不僅“四肢”足夠發(fā)達(dá)，“頭腦”同樣不簡單。

“別看‘浚瀾’船是個(gè)大塊頭，其實(shí)操作起來簡單又智能。”楊正軍說的正是“浚瀾”船內(nèi)置的“智慧大腦”控制系統(tǒng)，它可以根據(jù)不同土質(zhì)自主優(yōu)化作業(yè)參數(shù)，對船體進(jìn)行遠(yuǎn)程操控和監(jiān)測，甚至實(shí)現(xiàn)無人化作業(yè)。

在挖掘作業(yè)前，施工團(tuán)隊(duì)會(huì)收集挖掘區(qū)域的土質(zhì)類型、水下地形等影響作業(yè)效率的關(guān)鍵信息，借助疏浚BIM（建筑信息模型）開展數(shù)字化建模，生成底泥排送距離、作業(yè)區(qū)域、運(yùn)行路徑等作業(yè)數(shù)據(jù)，錄入該船的控制系統(tǒng)。此時(shí)，“浚瀾”船便仿佛有了導(dǎo)航地圖，可以按照預(yù)設(shè)好的路線和施工參數(shù)等進(jìn)行自動(dòng)化疏浚作業(yè)。

雖然聽起來簡單，但楊正軍告訴記者，“浚瀾”船在作業(yè)中所面臨的水下情況千變?nèi)f化。例如，官廳水庫的土質(zhì)就有淤泥、黏土、粉土、砂土等多種，工況挖深在3至25米不等。此外，水流速度、浪高、風(fēng)速等也在隨時(shí)變化。為此，“浚瀾”船會(huì)隨時(shí)調(diào)整其作業(yè)時(shí)的切厚、絞刀轉(zhuǎn)速、橫移速度、水下泥泵轉(zhuǎn)速、艙內(nèi)泥泵轉(zhuǎn)速等參數(shù)，適應(yīng)不斷變化的環(huán)境狀況。

除了能自主作業(yè)，“浚瀾”船配備的“智慧大腦”還可以不斷學(xué)習(xí)、進(jìn)化。借助配備的多型傳感器，“浚瀾”船可以記錄作業(yè)時(shí)的土質(zhì)信息、施工參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等數(shù)據(jù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)沉淀為數(shù)據(jù)庫，這樣，“智慧大腦”就有了“記憶”。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)后續(xù)不同作業(yè)需求，“智慧大腦”可以自主學(xué)習(xí)過往數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化后續(xù)作業(yè)流程。

楊正軍表示，官廳水庫的工況在國內(nèi)眾多水庫中具有一定代表性，“浚瀾”船能夠在官廳水庫成功應(yīng)用，意味著其可以適用于國內(nèi)80%以上的水庫疏浚工程。

（科技日報(bào)）