郭志勇，楊建華，陳九肖

（中交天津港航勘察設(shè)計研究院有限公司，天津 300457）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，環(huán)境問題越發(fā)凸顯，尤其是各大江河湖泊的污染更是觸目驚心。因此，環(huán)保疏浚勢在必行，而環(huán)保疏浚不同于普通的工程疏浚[1]，它是將常規(guī)施工中的疏挖行為與水土護理、生態(tài)重建、環(huán)境整治和資源利用等環(huán)保內(nèi)容相結(jié)合，通過綜合治理，最終實現(xiàn)清除湖泊污染內(nèi)源和創(chuàng)造有利于生態(tài)恢復條件的雙重目標[2]。

為了提高環(huán)保疏浚的效率，好的疏浚裝備必不可少，世界上第一臺環(huán)保疏浚設(shè)備是1969年由意大利PNEUMA公司研發(fā)的氣力泵挖泥船[3]，隨后，荷蘭IHC公司、BOSKALIS疏浚公司、HAM公司和國際上其他疏浚公司分別成功地研制出帶罩式環(huán)保絞刀、立式圓盤環(huán)保絞刀、螺旋環(huán)保絞刀和掛掃吸頭等多種環(huán)保絞刀[4]。這些環(huán)保型絞刀雖然都具有防止污染底泥泄露和擴散的功能，但實際使用過程中也存在著一些問題，如吸口位置不合理，擴散罩開度不可調(diào)，大量使用油脂潤滑軸承，易產(chǎn)生二次污染。

本文通過對環(huán)保疏浚施工過程的分析研究，并結(jié)合已有環(huán)保絞刀施工過程中出現(xiàn)的問題，設(shè)計出一款新型環(huán)保絞刀。該新型環(huán)保絞刀實船試驗后，取得不錯的使用效果，顯示出廣闊的應用前景。

1 研究內(nèi)容及技術(shù)難點

1.1 主要研究內(nèi)容

以減少環(huán)保疏浚施工中的二次污染，提高環(huán)保施工效率與疏浚精度為研究方向和主要內(nèi)容開展新型環(huán)保絞刀的優(yōu)化設(shè)計，并通過現(xiàn)場實物試驗對研究成果進行驗證。主要研究內(nèi)容如下：

1）環(huán)保絞刀在污染底泥挖掘過程中二次污染擴散機理與有效預防技術(shù)；

2）環(huán)保絞刀防雜物堵塞與快速清理雜物技術(shù)與裝置；

3）環(huán)保絞刀一次挖泥深度控制技術(shù)與裝置。

1.2 技術(shù)難點

1）二次污染機理研究

由于環(huán)保疏浚中所疏挖的對象一般是較松軟的污染底泥，有時還是處于半流動狀態(tài)的淤泥，此性質(zhì)的污染底泥本身具有易擴散性，另一方面，影響二次污染的因素很多，如疏浚過程中挖泥絞刀的旋轉(zhuǎn)、船體的左右擺動和前移、泥泵吸入性能等都和二次污染密切相關(guān)。

2）可調(diào)挖泥深度的結(jié)構(gòu)設(shè)計

一般環(huán)保絞刀一次挖泥深度為固定值，要做到一次挖泥深度可調(diào)，不僅需要對絞刀結(jié)構(gòu)做大的調(diào)整，還要增加必要的機械裝置，而絞刀外形尺寸、重量以及動力傳動方式等還要受現(xiàn)有挖泥船的制約。

由此看出，對二次污染機理的研究以及可調(diào)挖泥深度的結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有研究復雜程度高、設(shè)計難度大的特點。

2 環(huán)保型絞刀設(shè)計

2.1 設(shè)計原則與思路

依托天津航道局“浚湖”號環(huán)保挖泥船，在維持現(xiàn)有環(huán)保絞刀驅(qū)動液壓馬達功率以及環(huán)保絞刀基本外形尺寸不變的前提下，環(huán)保絞刀將根據(jù)以下思路進行設(shè)計：

1）針對國外進口環(huán)保絞刀存在的問題，新研制的環(huán)保絞刀將對泥漿吸入口結(jié)構(gòu)重新設(shè)計，以增加泥漿吸入性能；

2）設(shè)計挖泥厚度可調(diào)裝置，根據(jù)工程需要調(diào)節(jié)一次挖泥厚度；

3）對絞刀片的結(jié)構(gòu)進行改進，增加其抗沖擊強度；

4）采取新的技術(shù)，降低環(huán)保施工中的二次污染。

2.2 防擴散罩結(jié)構(gòu)與作用原理

相對進口環(huán)保絞刀，新型環(huán)保絞刀防擴散罩將以往的整體結(jié)構(gòu)改進為三部分，主體部分是薄鋼板和加強筋板焊接結(jié)構(gòu)，在其上設(shè)計了液壓缸支撐座。此部分的作用一方面起到絞刀挖掘過程中阻止污泥擴散作用，另一方面還是絞刀刀片、液壓馬達、傳動軸等的支撐結(jié)構(gòu)。另外，在防擴散罩左右兩側(cè)設(shè)計2個活動擋水板，該擋水板為曲面形狀，通過鉸鏈與防擴散罩主體結(jié)構(gòu)連接。每個擋水板由1個液壓缸驅(qū)動完成開啟和關(guān)閉動作，液壓缸一端通過銷軸和擋水板連接，另一端也通過銷軸和防擴散罩上部的軸承座連接。這樣，當其在完全閉合狀態(tài)時與防擴散罩配合形成一個整體結(jié)構(gòu)，起到防擴散作用，當其在開啟狀態(tài)時污泥由此進入絞刀內(nèi)部，見圖1。

圖1 新型環(huán)保絞刀動作原理圖Fig.1 Operating principleof the new type environmental cutter

在實施疏浚過程中，根據(jù)需要疏挖的泥層厚度，可預先設(shè)定擋水板的轉(zhuǎn)動角度，使挖泥一側(cè)的擋水板抬起的高度符合一次挖泥厚度。例如當環(huán)保絞刀向右擺動時（見圖1），由設(shè)置在船舶操縱室內(nèi)的按鈕控制液壓缸收縮，將右側(cè)擋水板抬高至所需高度H，這時絞刀刀片伸出防擴散罩的高度亦即絞刀挖泥深度H。絞刀刀片由液壓馬達（序號7）驅(qū)動下做旋轉(zhuǎn)運動，刀片的旋轉(zhuǎn)運動和絞刀向右的擺動使右側(cè)的泥面不斷被挖下并由絞刀內(nèi)部的吸口吸入。在右側(cè)擋水板抬起的同時，液壓系統(tǒng)控制環(huán)保絞刀左側(cè)的擋水板下放同樣的高度，這樣就控制了左側(cè)進入絞刀的水量，從而達到提高挖泥濃度的目的。

3 試驗成果

該新型環(huán)保型絞刀安裝到“浚湖”號挖泥船上，在無錫太湖現(xiàn)場進行實際挖泥試驗（圖2），通過大約2個月的現(xiàn)場試驗，該絞刀運轉(zhuǎn)正常，挖泥效果較原絞刀有顯著提升，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

圖2 現(xiàn)場施工照片F(xiàn)ig.2 The site construction photo

1）挖泥濃度大幅提高

對同一工地施工使用不同類型絞刀挖泥船排出的泥漿進行采樣實測濃度（見表1），其中A樣是與“浚湖”號同類型環(huán)保船排出的泥漿，B樣和C樣是“浚湖”號挖泥船安裝新型環(huán)保型絞刀后排出的泥漿，其中B樣沒有使用液壓調(diào)節(jié)裝置，C樣使用了液壓調(diào)節(jié)裝置。

表1 挖泥濃度實測結(jié)果Table 1 The measured resultsof dredging density

2）挖泥平整度提高

水深測量結(jié)果表明，新型環(huán)保型絞刀的挖泥平整度較原絞刀明顯提高。

3）挖泥時間利用率提高

使用新型環(huán)保型絞刀后，絞刀頭堵塞頻率明顯減小，且堵塞后易清理，挖泥時間利用率明顯提高。

4 結(jié)語

該環(huán)保型絞刀的使用，既可提高環(huán)保施工的挖泥濃度和挖泥精度，又減少了環(huán)保疏浚施工過程中的二次污染，挖泥濃度的提高可減小堆場容積和堆場建設(shè)費用以及堆場余水處理費用，該環(huán)保型絞刀具有廣闊的應用前景。

[1] 莫孝翠，楊開，袁德玉.湖泊內(nèi)源污染治理中的環(huán)保疏浚淺析[J].人民長江，2003，34（12）：47-49.MOXiao-cui,YANGKai,YUANDe-yu.Analysison environmental dredgingfor inner pollution regulation of lakes[J].Yangtze River,2003,34(12):47-49.

[2]張建專.絞吸式挖泥船環(huán)保清淤刀具的設(shè)計與模擬試驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007.ZHANG Jian-zhuan.Design and simulation test of environmental conservation clearing silt cutter for cutter suction dredger[D].Harbin:Harbin Engineering University,2007.

[3] 朱玉強.環(huán)保疏浚與環(huán)保疏浚設(shè)備探析[J].水利科技與經(jīng)濟，2010，16（10）：1 118-1 120.ZHUYu-qiang.Analysis on environmental dredging and dredging equipment[J].Water Conservancy Science and Technology and Economy,2010,16(10):1 118-1 120.

[4] 李進軍.污染底泥環(huán)保疏浚技術(shù)[J].中國港灣建設(shè)，2005（6）：46-47.LIJin-jun.Technology for environmental dredgingof contaminated bottomsilt[J].China Harbour Engineering,2005(6):46-47.