張攀飛 中交廣州航道局有限公司

在以前，由于社會還未像如今這么發(fā)達，疏浚底泥主要是無機顆粒，密度較大，易于泥水分離，因此對疏浚精度要求不高，使用傳統(tǒng)的疏浚技術(shù)就可以實現(xiàn)高效的疏浚效果，也無需擔(dān)心污染底泥會過度懸浮擴散。近年來，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污染物，使用傳統(tǒng)的疏浚技術(shù)難以達到疏浚要求。為此，有必要對河道底泥疏浚技術(shù)及其處理方法進行優(yōu)化設(shè)計。在反鏟絞刀架和絞刀軸安裝傳感器，來采集夾角及轉(zhuǎn)角信息，根據(jù)這些信息確保疏浚精度，再計算出水域水體水質(zhì)擴散情況下絞刀頭的轉(zhuǎn)動角速度的臨界值。為驗證該設(shè)計流程的效果，以脫水后含泥率以及重金屬含量為指標，做出相關(guān)實驗，對比設(shè)計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，要達到小于1.5米的挖泥厚度，就必須保證疏浚精度的準確性，以避免超挖現(xiàn)象的發(fā)生，影響水生生物的生長，對生態(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

為了實現(xiàn)對河道底泥疏浚精度的嚴格控制，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，對其與水平面的夾角信息進行采集，在絞刀軸的液壓桿處安裝垂直角度傳感器，實現(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。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)動時，會產(chǎn)生離心力，該離心力的大小由其轉(zhuǎn)速決定，為防止底泥中重金屬等混合物擴散污染，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，精準計算出每次進刀量，嚴格控制挖泥的厚度，防止由于進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算最佳位置，以達到最好吸泥效果，確保疏浚精度。

2.河道底泥處理方法設(shè)計

安裝角度傳感器完成疏浚后，絞刀頭在水中的轉(zhuǎn)速對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還沒通過吸泥管吸到設(shè)備中就已經(jīng)擴散到相鄰水體，從而造成二次污染。鉸刀裝置作為底泥疏浚及處理過程中的銜接裝置，為此對其進一步優(yōu)化，以防止河道泥沙過多，造成河道底泥污染擴散。

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

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

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，均遠小于平均切向速度要。由此可進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，呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢，徑向壓力梯度最終會得出負值。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，防止其擴散。

通過吸泥管口的流量為：

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.疏浚處理實踐分析

以脫水后含泥率、重金屬含量為指標，針對設(shè)定的某段河流為實驗對象，設(shè)定實驗參數(shù)進行實踐分析。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行底泥的脫水干化實驗。實驗過程中，統(tǒng)一使用WATERMASTER650疏浚船，通過燒杯攪拌實驗，進行底泥化學(xué)調(diào)制劑（氯化鐵、聚鋁，陰、陽離子 PAM）粗篩，以分子量為11000左右的陽離子 PMA（該離子能達到較好的沉降效果）進行機械脫水。二者實驗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，并進行記錄，圖2為實驗匯總結(jié)果對比圖像。

圖2 實驗對比結(jié)果

通過圖2 脫水后含泥率進行比較，可發(fā)現(xiàn)在本方案設(shè)計的疏浚技術(shù)脫水后含泥率明顯要高于傳統(tǒng)的疏浚技術(shù)，隨著脫水時間的增加，甚至達到了80%以上。通過重金屬含量對比，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，重金屬含量已經(jīng)超出了60%。

4.結(jié)束語

為彌補傳統(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，計算出擴散情況下絞刀頭的轉(zhuǎn)動角速度的臨界值，能夠減小對底泥的擾動，防止擴散。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)。