世界最大全电驱可拆装环保绞吸船——“浚澜”船今年4月在官厅水库清淤试点工程中投用。
“浚澜”船采用了独特的模块化设计。图为“浚澜”船在岸边拼装。
一名工作人员在“浚澜”船驾驶舱内操作。
官厅水库全景。 受访单位供图
京冀之交，官厅水库犹如一颗璀璨的蓝宝石，镶嵌在燕山脚下。水面上，船长付海宏带着6名船员，紧盯“浚澜”船作业情况，适时记录、作出调整。
“浚澜”船是目前世界最大、最先进的全电驱可拆装环保绞吸船，集“绿色、高效、智能、环保”的设计理念于一体，拥有多项“独门绝技”。作为中国交通建设集团有限公司为官厅水库治理量身定制的“清淤利器”，该船前不久已正式投入官厅水库清淤试点工程。
“浚澜”船的“独门绝技”是如何练成的？与其他绞吸船相比，这一“清淤利器”有何独特之处？从“浚澜”船的设计者与使用者口中或许能找到答案。
独特模块化设计提升疏浚能力
建于20世纪50年代的官厅水库，总库容41.6亿立方米，是新中国成立后我国自行勘测、设计、施工的第一座大型水库，在保障流域生态安全、防洪及综合治理与生态恢复建设等方面发挥了巨大作用。尽管已“年过七旬”，官厅水库仍担负着重要使命——根据《北京城市总体规划（2016年—2035年）》，2035年，官厅水库将恢复饮用水源功能。
然而，水库现状却并不乐观。由于建库以来未进行过系统性治理，官厅水库淤积泥沙总量已达6.5亿立方米，且中重度及以上底泥污染区域总面积达2300万平方米。清淤扩容势在必行。
“官厅水库清淤试点工程已于2024年4月正式启动，该试点工程包括陆上疏挖和水下清淤，其中水下清淤区域包含拦门沙坎、重金属区和坝前漏斗区三个部分，清淤工程量达930.62万立方米。”中交天津航道局有限公司官厅水库清淤试点工程项目部常务副经理闫志生介绍，前期投入的4艘绞吸船主要集中在拦门沙坎、重金属区作业，“浚澜”船投产后极大地提高了清淤能力，目前已基本完成这两处作业区水下清淤任务的50%。接下来，“浚澜”船不仅要领衔清理上述区域，还将承担坝前漏斗区域的全部作业任务。
把坝前漏斗区交给“浚澜”船有着特殊考虑。闫志生进一步解释，该区域形似漏斗，是水库下游疏水泄洪洞前的冲刷区，也是淤泥淤积平均厚度最大的水下区域，目前平均厚度已达16米、最深达32米，传统疏浚船舶由于挖深不足，很难完成清淤任务，但对于“浚澜”船而言却易如反掌。
针对官厅水库水下清淤区域面积较广、挖深大、土质复杂、输送距离远等特点，设计团队为“浚澜”船“升级”了装备模块，以提升施工能力。“独特的模块化设计，就像是给‘浚澜’船配备了可延展的‘大长腿’，增加拼装相应模块后，可将船只挖深从25米增至60米。”中交天津航道局有限公司疏浚技术与装备研发中心主任杨正军介绍，对于官厅水库这类不具备通航条件、船只无法通过水路直接抵达的情况，“浚澜”船特有的模块化设计，能够以“积木式拼装”的方式抵达各个作业点。
灵活的运输方式为“浚澜”船施工作业奠定了良好基础，而让它能成为“清淤利器”的关键之一，则是大功率、高效率的疏浚能力。据了解，“浚澜”船配备了世界“江河湖库”疏浚装备领域当前最强的电力驱动挖掘输送系统，绞刀功率可达600千瓦，挖掘效率是以往装备的3倍，每小时的标准疏浚量可以达到2000立方米，相当于每小时挖空一座标准游泳池。
“官厅水库库底的土质包括淤泥、硬质黏土、中等密实砂土等7种难挖掘土质，这是水库与平原湖泊最大的区别。”杨正军解释道，软硬不均的土质要求绞刀“吃软又吃硬”，研发团队为此采用国际先进的薄片化设计理念，自主研制了五臂通用绞刀，在进一步提升15%挖掘效率的同时，确保绞刀作业时能如“水下金刚钻”一般，以更好应对各类土质的考验。
疏浚作业光挖掘破碎水底的淤泥还不够，还需要将泥沙传输至堆场。为了给大功率绞刀寻找合适的“搭档”，研发团队针对水库的特殊工况，自主研制的新一代泥泵较上一代国产泥泵输送效率提升10%以上，叠加水下泵和舱内泵“串联接力”，能将淤泥一口气“快递”到5公里以外，输送效率和输送距离都得到大幅提升。
全电驱、零泄漏实现绿色施工
“打造世界最先进、最绿色环保的绞吸船”，是研发团队为“浚澜”船确定的一个目标定位。在他们看来，以“全电驱”成就“浚澜”船的绿色环保设计理念再适合不过。
“全电驱”指的是全船主要动力由功率集中管理的电站提供，所有施工设备，包括舱内泥泵、水下泥泵、绞刀、液压泵站等，采用由集中电站供电的各种电机驱动。“国内很多水库兼具水电站功能，周围有良好的供电条件。采用全电驱动力，可以使船只接入岸电施工，在降低一半以上成本、减少碳排放的同时，避免设备漏油，从源头上降低水体污染的风险。”杨正军解释道。
以全电驱作为动力配置，“浚澜”船并非独一份。近年来，随着绿色、环保理念融入船舶生产制造各个环节，全电驱技术在沿海大型绞吸船领域得到推广应用。以我国自主设计并建造的“天鲲号”为例，作为国内率先采用全电驱动力的重型自航绞吸船，其优秀的可靠性、灵活的动力调配性和宽广的工况适应性，得到了业界的认可，这也为“浚澜”船的动力设计提供了必要技术支持。
但将全电驱设计用在可拆装环保绞吸船上，可不是“复制粘贴”这么简单，而是凸显了场景化定制的研发思路。
全电驱的可拆装环保绞吸挖泥船，其设备数量更多，为了能够同时满足全电驱、陆路运输的要求，每个分段尺寸和重量都有限制，研发团队既做“加减法”又做“乘法”——先根据功能和运输环境，将燃油系统、液压系统、封水系统、泥泵系统等设备进行分类布局；再以陆路运输要求为框架，结合船体结构设计，调整设备尺寸，扩容舱内和甲板利用空间；最后优化船舶布置空间，确保各设备模块间连接便捷合理、重量分配适宜。
作为北京市主要地表水源地之一，官厅水库有一项重要功能是跨流域生态调水。这就要求清淤作业不仅要挖得快，还要清得净，才能保证其水体不受影响。
除了配备环保动力装置，研发团队还开发了“浚澜”船的绿色施工技能。例如，研发了全封闭淤泥新型环保绞刀，相当于为绞刀配备“隔离罩”，可实现“零泄漏挖掘”。杨正军向记者介绍，通过对水、泥、机具的耦合分析，可根据切泥的厚度精准控制外罩的开口大小，确保切泥过程都在封闭空间内进行，从而实现泥水分离。
又如，自主研制了电学层析成像技术，通过微弱电流检测输送管道中浆体的浓度变化，并利用特定数学手段逆推被测物体内部的电特性参数分布，从而实时监测管道中情况的变化，及时反馈水下作业状况。“与传统放射源检测技术相比，电学层析成像技术就像是给输送的浆体做CT，看得更全面、更细致。”杨正军说。
“智慧大脑”自主优化不同工况作业参数
“浚澜”船总长67米，宽11.95米，总装机功率4520千瓦。尽管船只体格颇大，操作却十分简单。
“浚澜”船调试期间，付海宏每天总会在驾驶舱内待上很长一段时间，目不转睛地盯着舱内的大屏幕。“随着设备运转，挖掘效率、输送流量、轮机运行等各项参数都会同步显示在屏幕上，哪儿出现什么问题一目了然。”让他不禁点赞的，还有完成作业任务后的“成果小结”，“能够自动显示排距、产量，都不用人工再去计算，十分方便。”
通过一个屏幕，了解船载各设备的作业状态，如此便捷智能的疏浚作业环境，得益于研发团队为“浚澜”船搭建的“智慧船舶疏浚监控系统”。它如同“浚澜”船的“智慧大脑”，不仅可以按照预设参数自主运行，还能根据不同土质自主优化作业参数，对船舶进行远程操控和监测，甚至实现无人化作业。
据了解，“智慧船舶疏浚监控系统”由智能感知系统、自主决策系统、远程操控系统、变频驱动系统四大部分构成。其中，智能感知系统可以通过高精度传感器网络，实时监测土质、水流、设备状态等数据。在杨正军看来，它就像“浚澜”船的一双“眼睛”，在监测船舶作业运行状态的同时，也在“学习”，并将“学习”成果形成相关数据库，再通过“感知-决策-执行”闭环运用在自主决策系统中。
杨正军进一步解释说，智能感知系统“学习”的内容，主要是不同工况条件下的土质信息、疏浚作业的各项参数。船只在作业施工时，上述数据会自动被记录，并在进行下一段施工时，自动分析比对工况变化，调整绞刀转速、横移速度、水下泥泵转速等参数，从而保证船舶高效运转。
记者了解到，“浚澜”船的无人化作业主要是为土质参数明确、环境稳定的区域作业，或深水、污染底泥区等人员难以近距离操作情况设计。在官厅水库清淤试点工程中，该船目前已在库区成功进行多次无人化作业测试。
“近二十年来，随着国内绞吸挖泥船装备技术不断进步，有力地推进了我国绞吸挖泥船装备的国产化进程。‘浚澜’船的‘智慧大脑’在推动我国疏浚技术革新的同时，也刷新了我国高端疏浚装备‘智造’新高度。”杨正军表示，目前研发团队正致力于研发基于数字孪生的虚拟调试功能，通过3D建模预演施工过程，同时探索与北斗导航的深度融合，实现绞吸船作业的高精度定位与路径规划。（本报记者 陈瑶 初英杰）