張攀飛 中交廣州航道局有限公司

在以前，由于社會(huì)還未像如今這么發(fā)達(dá)，疏浚底泥主要是無(wú)機(jī)顆粒，密度較大，易于泥水分離，因此對(duì)疏浚精度要求不高，使用傳統(tǒng)的疏浚技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)高效的疏浚效果，也無(wú)需擔(dān)心污染底泥會(huì)過(guò)度懸浮擴(kuò)散。近年來(lái)，環(huán)境污染加劇污染底泥含有大量難以分解的重金屬及有機(jī)污染物，使用傳統(tǒng)的疏浚技術(shù)難以達(dá)到疏浚要求。為此，有必要對(duì)河道底泥疏浚技術(shù)及其處理方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在反鏟絞刀架和絞刀軸安裝傳感器，來(lái)采集夾角及轉(zhuǎn)角信息，根據(jù)這些信息確保疏浚精度，再計(jì)算出水域水體水質(zhì)擴(kuò)散情況下絞刀頭的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的臨界值。為驗(yàn)證該設(shè)計(jì)流程的效果，以脫水后含泥率以及重金屬含量為指標(biāo)，做出相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比設(shè)計(jì)的處理流程以及常規(guī)處理流程下脫水后含泥率以及重金屬含量。

1.河道底泥環(huán)保疏浚技術(shù)

1.1 設(shè)定道底泥環(huán)保疏浚方式

本文設(shè)計(jì)的環(huán)保疏浚技術(shù)是以傳統(tǒng)工程疏浚為基礎(chǔ)的。其目的是清除水域系統(tǒng)中的污染底泥，并對(duì)河道生態(tài)系統(tǒng)的改善起到一定作用。表1為集合傳統(tǒng)環(huán)保疏浚方式優(yōu)化后的疏浚方式。

由表1可以看出，基于傳統(tǒng)疏浚技術(shù)，優(yōu)化后的環(huán)保疏浚技術(shù)的挖泥厚度要求較高，要達(dá)到小于1.5米的挖泥厚度，就必須保證疏浚精度的準(zhǔn)確性，以避免超挖現(xiàn)象的發(fā)生，影響水生生物的生長(zhǎng)，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞，這就要求疏浚船反鏟絞刀架和絞刀軸包括平面位置、垂直位置以及船體方位角等信息的采集需準(zhǔn)確。

表1 河道底泥環(huán)保疏浚方式

1.2 環(huán)保絞刀優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)河道底泥疏浚精度的嚴(yán)格控制，和傳統(tǒng)河道底泥疏浚技術(shù)不同的是，在反鏟絞刀架安裝垂直角度傳感器，對(duì)其與水平面的夾角信息進(jìn)行采集，在絞刀軸的液壓桿處安裝垂直角度傳感器，實(shí)現(xiàn)其與水平轉(zhuǎn)角信息的采集。為確保絞刀的切削邊界與河道底泥處于同一水平線(xiàn)上，規(guī)律有序地切削土壤，確保工作效率。絞刀罩的外輪廓邊界也要始終與污河道泥處于同一水平線(xiàn)。環(huán)保絞刀的工作示意圖如圖1所示。

圖1 環(huán)保絞刀的工作示意圖

絞刀頭在河道底泥工作轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生離心力，該離心力的大小由其轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，為防止底泥中重金屬等混合物擴(kuò)散污染，需要保證泥泵產(chǎn)生的作用力能夠克服該離心力。根據(jù)所采集的水平轉(zhuǎn)角信息，精準(zhǔn)計(jì)算出每次進(jìn)刀量，嚴(yán)格控制挖泥的厚度，防止由于進(jìn)刀量的誤差造成泥沙及其重金屬混合物從罩殼內(nèi)向外擴(kuò)散。吸泥管位于挖掘頭一側(cè)，由于泥土離心方向和吸口的相對(duì)位置不一樣，吸泥的效果不一樣.，因此要根據(jù)垂直角度傳感器和水平角度傳感器所采集的信息測(cè)算最佳位置，以達(dá)到最好吸泥效果，確保疏浚精度。

2.河道底泥處理方法設(shè)計(jì)

安裝角度傳感器完成疏浚后，絞刀頭在水中的轉(zhuǎn)速對(duì)下一步河道底泥的處理也起著關(guān)鍵性作用。被疏浚的泥沙及其重金屬混合物由于形態(tài)小且輕，因此在水流及挖掘頭的工作時(shí)還沒(méi)通過(guò)吸泥管吸到設(shè)備中就已經(jīng)擴(kuò)散到相鄰水體，從而造成二次污染。鉸刀裝置作為底泥疏浚及處理過(guò)程中的銜接裝置，為此對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化，以防止河道泥沙過(guò)多，造成河道底泥污染擴(kuò)散。

絞刀頭在水中作業(yè)時(shí)，當(dāng)距中心線(xiàn)徑向距離r為時(shí)絞刀頭切向速度V為：

式（1）中，w為絞刀頭的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；V切向速度；r為距中心線(xiàn)徑向距離；

絞刀頭內(nèi)的水流速度是處于不斷變化中的，但是，無(wú)論是哪一種轉(zhuǎn)速構(gòu)成的水流變化部分，甚至是平均徑向速度，均遠(yuǎn)小于平均切向速度要。由此可進(jìn)一步推算出流體壓力與流體速度的關(guān)系：

式(2)中p為絞刀頭內(nèi)部的作用力；μ為泥沙的密度；V為流體的速度。

徑向壓力梯度可表示為：

在式（3）中，基于壓力貼近絞刀外界邊緣線(xiàn)，呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì)，徑向壓力梯度最終會(huì)得出負(fù)值。作用于流體體積的作用力等于：

式（4）中，F(xiàn)r為作用于流體體積的作用力；

該作用力作用于流體要素，使流體能夠充分受力于絞刀頭，防止其擴(kuò)散。

通過(guò)吸泥管口的流量為：

式（5）中R0為吸泥管口的半徑；Vm為吸泥管口的流速。

利用連續(xù)方程可得出作用于體積的流體要素引向吸口的力：

利用方程(6)除以方程（5），并由方程(4)，得到流體要素引向吸口的力與同一流體要素的離心力之比：

3.疏浚處理實(shí)踐分析

以脫水后含泥率、重金屬含量為指標(biāo)，針對(duì)設(shè)定的某段河流為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)踐分析。選取常規(guī)兩種疏浚處理方式為參照方法，均采用板框壓濾裝置進(jìn)行底泥的脫水干化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，統(tǒng)一使用WATERMASTER650疏浚船，通過(guò)燒杯攪拌實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行底泥化學(xué)調(diào)制劑（氯化鐵、聚鋁，陰、陽(yáng)離子 PAM）粗篩，以分子量為11000左右的陽(yáng)離子 PMA（該離子能達(dá)到較好的沉降效果）進(jìn)行機(jī)械脫水。二者實(shí)驗(yàn)組均安裝角度傳感器，其余設(shè)置條件均相同。比較三種方法脫水后含泥率以及重金屬含量，并進(jìn)行記錄，圖2為實(shí)驗(yàn)匯總結(jié)果對(duì)比圖像。

圖2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

通過(guò)圖2 脫水后含泥率進(jìn)行比較，可發(fā)現(xiàn)在本方案設(shè)計(jì)的疏浚技術(shù)脫水后含泥率明顯要高于傳統(tǒng)的疏浚技術(shù)，隨著脫水時(shí)間的增加，甚至達(dá)到了80%以上。通過(guò)重金屬含量對(duì)比，相較于傳統(tǒng)處理方法，本方案處理方法也明顯占有優(yōu)勢(shì)，重金屬含量已經(jīng)超出了60%。

4.結(jié)束語(yǔ)

為彌補(bǔ)傳統(tǒng)河道底泥疏浚技術(shù)及其處理方法的不足，在反鏟絞刀架和絞刀軸安裝垂直角度傳感器和水平角度傳感器，可以有效控制疏浚精度，基于此優(yōu)化鉸刀裝置，計(jì)算出擴(kuò)散情況下絞刀頭的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的臨界值，能夠減小對(duì)底泥的擾動(dòng)，防止擴(kuò)散。該疏浚技術(shù)與處理方法為其相關(guān)研究者提供了相關(guān)依據(jù)。