绞吸式挖泥船用环保绞刀疏浚技术研究(中)

绞吸挖泥船用环保绞刀疏浚技术研究
武剑博 黄引平
中国船舶重工集团公司第十二研究所 陕西兴平44信箱 邮编713102
摘 要：在疏浚过程中,由于机械扰动、溢流、洒漏等原因,造成疏浚物悬浮,导致施工区域水体浑浊度增加、透明度下降，影响水域环境；或者疏浚物中的气体挥发和散逸,影响空气环境。

本文阐述了绞吸式挖泥船疏浚作业时的污染机理及环保疏浚的技术要求，设计了绞吸式挖泥船用环保绞刀，满足了湖泊污染底泥环保疏浚的需要，有效的解决了疏浚作业时的“二次”污染问题。

关键词：疏浚 污染 环保 绞刀
疏浚是人类发展史上出现较早的一项生产活动,绞吸式挖泥船仍是挖掘和输送泥土最频繁使用的一种挖泥船，与其它类型挖泥船比较，挖掘各种土质的能力和精度是它的主要优点。

近年来,随着水运事业的发展和港口大量增加及河湖等水域清淤工程的开展,人们越来越多重视研究港口航道开挖及河湖水域清淤对环境的影响。

在疏浚过程中,由于机械扰动、溢流、洒漏等原因,造成疏浚物悬浮,导致施工区域水体浑浊度增加、透明度下降,影响水域环境；或者疏浚物中的气体挥发和散逸,影响空气环境。

疏浚作业时对环境的影响是多方面的，包括施工区的土壤特性、水流条件、疏浚设备等等,不同类型的挖泥船由于其施工工艺,作业方式不同,施工过程中悬浮疏浚物发生源的强弱及扩散影响范围存在着较大差异。

因此,分析挖泥船施工时污染物的发生机理,研究其扩散规律，对疏浚工程的设备选型及环保绞刀的设计具有重要意义。

1、绞吸挖泥船疏浚作业时污染机理
绞吸挖泥船是利用离心泵原理，通过叶轮在泵壳内的旋转产生吸入真空和排出压力进行吸排泥工作。

疏松的泥浆通过泥泵吸泥管道而被吸入泥泵中心，继而在离心力作用下,泥浆被甩离叶轮向四周射出,使之在泵壳内速度变慢压力增大,最后将泥浆压入排泥管，从排泥口压出，即可装入挖泥船的泥舱内、辅助船舶或方驳上，也可经排泥管输送到岸上或水下排泥区。

泵吸挖泥船特别适用于挖掘有大量泥沙的地方，绞吸挖泥船疏浚作业时，泥沙悬浮的原因是：
（1）绞刀头对泥土的切削扰动；
（2）绞刀头旋转速度过大，破碎的泥沙量大于吸口的吸入能力，旋转的泥浆向周围水体扩散造成；
（3）绞刀架移动的速度过大造成破碎泥沙的过量留存。

绞吸挖泥船施工时基本上是定点作业，悬浮疏浚物的扩散机理类似于连续点源扩散。

施工时由于绞刀头的扰动造成底泥悬浮并随流扩散，在施工区域形成羽状浑浊水体。

疏浚是一个过程，一个将疏浚物挖掘、提升、输送和处理的活动过程，因此，湖泊污染底泥疏浚对环境影响的特征就是它移动和扩大了污染物存在的范围。

湖泊污染底泥的疏浚常常是表层和浅层的，有些污染底泥具有较强的吸附性，极易吸附在细颗粒泥砂表面。

细颗粒物质孔隙大，表面积也大，吸附的污染物质较多。

疏浚极易使表层的细颗粒泥沙携带污染物悬浮起来，污染物在水中由于离子作用或其他原因释放出来，显示出污染物的活化特性；另一方面，污染物中的细菌也会随细颗粒物质的悬浮而扩大其活动范围。

因此，为避免湖泊污染底泥疏浚中对环境的影响，就要把握住这个特征，在疏浚过程中设法防止污染物的活动，使之尽可能处于稳定、静止和封闭状态之中。

如何保证湖泊污染底泥疏浚时不造成二次污染？就需要实施环保疏浚。

2、环保疏浚的技术要求
环保疏浚是解决湖泊内源污染的重要途径，旨在清除湖泊水体中的污染底泥，并为水生生态系统的恢复创造条件，而工程疏浚则主要为某种工程的需要如疏通航道、增容等而进行的疏浚。

环保疏浚具有以下特点：
2.1有较高的施工精度
一般情况下，湖底是不规则的，沉积物的分布不均，各处的淤泥厚度也不尽相同。

环保疏浚既要除去湖底的污染底泥，又要避免超挖、漏挖，还要尽量减少底泥的运输和处理费用。

因此，环保疏浚的施工精度远远高于普通工程疏浚的施工精度。

通常环保疏浚的施工精度为5～10cm，而工程疏浚的精度为50cm。

2.2合理控制疏浚深度
在环保疏浚中，疏浚太浅可能达不到预期的效果，而疏浚太深又会破坏原有的生态系统，使生态修复更加困难。

因此，疏浚前应进行详细的水域勘察和必要的科学实验，不仅要考虑底泥的垂直分布特性，而且要考虑湖底植物恢复的生存条件，合理选定疏浚深度。

2.3避免二次污染
疏浚过程中的二次污染主要体现在两个方面：
（1）疏挖时由于绞刀的搅动导致局部区域底泥中污染物的释放和扩散，其中底泥中氮、磷污染物的释放速率较静止状态提高数倍，造成水体的二次污染；
（2）底泥堆放场泥浆中含有重金属及氮、磷等污染物，在自然降雨及地表冲刷情况下，可能会随径流下渗或侧渗，对地下水、地面水环境及周围环境可能造成二次污染。

为了防止疏浚作业时水体受到二次污染，湖泊污染底泥疏浚时应选用装有防扩散装置的环保绞刀进行施工作业。

3、环保绞刀的设计
由于环保疏浚的特殊性，湖泊污染底泥实施疏浚时需要采用环保挖泥船，而环保绞刀是环保绞吸式挖泥船的关键部件，我所根据国内江河湖泊底泥污染情况，设计了绞吸式挖泥船用可调绞刀（环保绞刀）疏浚装置。

其外形呈长锥体，四周设有纵向螺旋刀片，内部为泥浆腔体，上方加设防护罩，通过液压油缸调节，可使绞刀头绕绞接点转动，以确保不同深度、不同坡面下，防护罩底边周围始终与湖泊污染底泥表面贴合，既防止因绞刀扰动造成的污染微粒向罩外周围水体扩散造成的二次污染，也有助于提高吸入浓度。

图1所示，绞刀组件12在液压驱动装置4的驱动下旋转，绞刀组件12的刀臂先接触底泥，刀臂上的刀刃随绞刀的旋转疏松泥土并聚集进刀腔，绞刀组件12中的螺旋输送机构使聚集进刀腔的泥土顺其螺旋面导流至吸泥管口，在泥泵的吸力下，疏浚泥土通过吸泥管、排泥管被依次输送至卸泥区。

该绞刀具有以下特点：
3.1挖掘精度高
针对环保绞刀的挖掘精度要求，采用液压驱动，刀头可调，以满足不同深度、不同坡面下绞刀母线与淤泥基面贴合，有效清除污染底泥，满足了环保疏浚的挖掘精度要求。

图2所示，液压油缸3在压力油的作用下，活塞杆伸缩，刀架6绕铰接点轴销13进行转动，实现绞刀12与湖泊底泥适时保证贴平，以满足不同深度、不同坡面下绞刀母线与淤泥基面贴合，有效地清除污染底泥。

液压油缸3的压力油来自于驾驶室，根据水下断面
轮廓监视仪的显示情况，控制液压油缸3的进出油流量和流向，来实现绞刀头的调平。

3.2防止扰动和扩散
为了减缓绞刀旋转对水体的扰动而造成的污染物扩散，在绞刀头上方加设防护罩，防止绞刀头腔内旋转的水流由于离心力的作用向罩外水体扩散造成二次污染，也有助于提高吸入浓度。

3.3防护罩开启
在防护罩上加设铰链机构，液压控制实现防护罩自动开启功能，便于清理绞刀头上的堵塞物，提高了工作效率。

图3所示，液压油缸8安装在防护罩组件11和刀架组件6上，通过轴销7和轴销10连接，防护罩组件11通过绕铰链9的转动，实现防护罩的启闭功能。

液压油缸8的液压能来自于驾驶室，绞刀出现堵塞需要清理时，可通过控制油路，控制液压缸8的流量和流向，实现防护罩的开启与关闭。

4、结论
绞刀的作用是切削、疏松泥土。

而我所设计的环保绞刀还有以下功能：其一，绞刀头的角度可以调整，保证绞刀切削轮廓始终与污染底泥相吻合提高了挖掘精度，能有效清除污染底泥；其二，机械地切削泥土，并形成适合吸泥管水力输送的泥土和水的混合物；其三，防止绞刀腔内旋转的水流由于离心力的作用向罩外水体扩散造成二次污染，并有助于提高吸入浓度，降低水体的混浊，能够满足环保疏浚的技术要求。

参考文献
［1］金相灿等.湖泊污染底泥疏浚工程技术—滇池草海底泥疏挖及处置 《环境科学研究》1999.5
［2］莫孝翠等.湖泊内源污染治理中的环保疏浚浅析 《人民长江》 2003.12
［3］武剑博等.环保绞刀探析中国第一届国际疏浚技术发展会议 2003.11
［4］《疏浚工程学》 天津航道局 1997。