何云斌，劉書(shū)敏，林 嫙，趙風(fēng)斌

［1.深圳市天?。瘓F(tuán)）股份有限公司，廣東深圳 518019；2.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092；3.深圳市市政公司總公司，廣東深圳 518052］

1 河道底泥環(huán)保疏浚技術(shù)

1.1 常規(guī)的疏浚方式

（1）干法清淤。干法清淤的原理為：先設(shè)置臨時(shí)圍堰，之后將水完全排出后進(jìn)行干地清淤。在具體的清淤過(guò)程中，主要借助挖掘機(jī)和水力沖挖來(lái)完成清淤工作。采用挖掘機(jī)干式清淤法，優(yōu)勢(shì)在于便捷、靈活性高、技術(shù)要求不高、有較強(qiáng)的適應(yīng)能力以及不會(huì)增加底泥含水率，但是也尤其局限性，主要表現(xiàn)為容易受天氣的影響；而水力沖挖的清淤方式，主要是利用高壓水槍來(lái)對(duì)淤泥進(jìn)行沖刷，使淤泥成為泥漿，之后再通過(guò)泵送的方式將泥漿傳送至岸邊的堆場(chǎng)或聚漿池中。這一方法的優(yōu)勢(shì)在于施工成本較低，且施工操作簡(jiǎn)單，但也有增加底泥含水率及底泥處理成本的局限性。

（2）水下清淤。這一清淤方式的原理為：在船上安裝清淤機(jī)，以船為施工平面進(jìn)行水面上的清淤，之后再通過(guò)泵送的方式將水下底泥傳送至岸上的堆場(chǎng)中。水下清淤主要包括絞吸式挖泥船、耙吸式挖泥船這幾種形式。其中，在絞吸式挖泥船操作中，先是借助絞刀進(jìn)行河道底泥的松弛，并使底泥成為泥漿，之后通過(guò)泵送的方式將泥漿轉(zhuǎn)送至排泥區(qū)；而在耙吸式挖泥船的具體操作中，主要是通過(guò)大型自航、裝倉(cāng)式挖船來(lái)清淤，這種類(lèi)型的船中裝有耙頭挖掘機(jī)具和水力吸泥裝置，先是將耙吸管放至河底，然后借助泥漿泵的真空作用，通過(guò)耙頭和吸泥管將河底淤泥泵送至船泥倉(cāng)中這種清淤方式的效率相對(duì)較高。

1.2 疏浚方式調(diào)整

為有效清除河道中的污染底泥，并改善河道生態(tài)系統(tǒng)，在傳統(tǒng)工程疏?；A(chǔ)上，設(shè)計(jì)了環(huán)保疏浚方式。優(yōu)化后的河道底泥疏浚方式見(jiàn)表1。從表1可得知，在傳統(tǒng)疏浚技術(shù)基礎(chǔ)上優(yōu)化后的疏浚方式，其對(duì)挖泥的厚度要求較高，要求至少要達(dá)到1.5m的挖泥厚度，如此才能夠有效保證疏浚精度的精準(zhǔn)性，從而避免出現(xiàn)超挖現(xiàn)象以及影響水生生物的生長(zhǎng)，進(jìn)而有效維持河道的生態(tài)系統(tǒng)。而要想達(dá)到這一目的，也需要準(zhǔn)確采集疏浚船的反鏟刀架和絞刀軸的平面位置、垂直位置及船體方位角等信息。

表1 河道底泥環(huán)保疏浚方式

1.3 環(huán)保絞刀優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)河道底泥疏浚技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)河道底泥疏浚精度的精準(zhǔn)控制，對(duì)此，為確保疏浚精度的正確性，在反鏟絞刀架上安裝垂直角度的傳感器，用于對(duì)其水平面夾角信息的準(zhǔn)確采集，同時(shí)在絞刀軸的液壓桿處安裝垂直角度的傳感器，用于對(duì)其水平轉(zhuǎn)角信息的準(zhǔn)確采集。不僅如此，為確保絞刀規(guī)律有序地進(jìn)行土壤切削，進(jìn)而提升工作效率，需要保證絞刀的切斜界面與河道底泥在同一水平線(xiàn)上，而絞刀罩的外輪廓邊界，也需要與河道底泥在同一水平線(xiàn)上。

在環(huán)保絞刀轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，所產(chǎn)生的離心力大小，主要取決于其轉(zhuǎn)速。為了避免在絞刀轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)底泥中重金屬等混合物擴(kuò)散的現(xiàn)象，應(yīng)保證泥泵所產(chǎn)生的作用力，能夠抵消絞刀頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的離心力。為此，就需要準(zhǔn)確采集水平轉(zhuǎn)角的信息，并在此基礎(chǔ)上精準(zhǔn)計(jì)算出每一次的進(jìn)刀量，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)挖泥厚度的嚴(yán)格控制，避免因進(jìn)刀量誤差而引起泥沙及重金屬混合物擴(kuò)散的問(wèn)題。除此之外，考慮泥土離心的方向與吸口的相對(duì)位置不一致，使得吸泥效果也不一致，為此，就需要通過(guò)垂直角度和水平角度的傳感器準(zhǔn)確采集信息，并結(jié)合采集的信息測(cè)算出最佳的位置，從而提升吸泥效果，保證底泥疏浚的精度。

2 河道底泥處理方法優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 常規(guī)處理方法

（1）自然干法。河道底泥處理原則主要為穩(wěn)定化、無(wú)害化、減量化及資源化，自然干法是在遵循這些原則基礎(chǔ)上常用的一種底泥處理方式。這一處理方法的原理為：基于水汽蒸發(fā)的原理將淤泥中的大部分水分去除，之后通過(guò)添加一定的添加劑來(lái)處理淤泥。隨著時(shí)間的不斷推移，淤泥在吹填上岸后表面會(huì)逐漸干化和固結(jié)，但是在內(nèi)部仍然是流質(zhì)狀的淤泥。

（2）土工管袋脫水法。土工管袋脫水法是在底泥自然干化法的基礎(chǔ)上演變而來(lái)的，處理原理為：利用土工帶徑孔的過(guò)濾功能，通過(guò)添加適量的凈水藥劑用以分離泥水，管袋中留存淤泥，而水滲出管袋外。需要注意的是，因?yàn)榈啄酀B透系數(shù)較低，若使用土工管袋法需要較長(zhǎng)的脫水工期，因此適用于氣候干燥、工期及占地要求低、周邊環(huán)境衛(wèi)生狀況良好的地區(qū)。

（3）真空預(yù)壓法。真空預(yù)壓法主要是通過(guò)在地面上覆蓋一層密封膜來(lái)進(jìn)行真空抽取，此時(shí)膜內(nèi)外會(huì)產(chǎn)生氣壓差，而這種氣壓差會(huì)提升底泥的固結(jié)力。換句話(huà)來(lái)說(shuō)，這一處理方法是在保持總應(yīng)力不變的前提下，通過(guò)減小孔隙水的壓力來(lái)增加有效應(yīng)力的一種脫水方法，不僅能夠有效縮短底泥固結(jié)的周期，而且固結(jié)后的底泥承載力相對(duì)較高，但也存在容易二次泥化的局限性。

（4）淤泥機(jī)械脫水法。淤泥機(jī)械脫水法主要作用是可以改善淤泥的透水性。在應(yīng)用淤泥機(jī)械脫水法過(guò)程中，主要利用專(zhuān)用的壓濾脫水機(jī)進(jìn)行淤泥的高壓施壓，目的是實(shí)現(xiàn)泥水分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)淤泥脫水干化。一般經(jīng)過(guò)脫水后的泥餅，其含水率在30%~60%，有著較高的脫水率，而且環(huán)保，后續(xù)也不需要對(duì)泥餅進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理，可直接資源化利用，但這一方法的脫水固化單價(jià)相對(duì)較高。

2.2 處理方法優(yōu)化

在河道底泥處理過(guò)程中，絞刀頭在水中的轉(zhuǎn)速有著至關(guān)重要的作用。在完成垂直角度和水平角度傳感器安裝并疏浚后，由于被疏浚的泥沙及其重金屬混合物具有形態(tài)小和輕的特性，所以在水流和挖掘作業(yè)時(shí)，可能還未通過(guò)吸泥管進(jìn)入設(shè)備中，就已經(jīng)擴(kuò)散到相鄰的水體中，進(jìn)而引起二次污染問(wèn)題。為此，也需要對(duì)河道底泥處理方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于在底泥疏浚及處理過(guò)程中，絞刀裝置為主要是銜接裝置，為避免河道泥沙含量較多，以及出現(xiàn)河道底泥污染擴(kuò)散的問(wèn)題，就需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在絞刀裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分考慮絞刀裝置在水中作業(yè)時(shí)的轉(zhuǎn)速，由于絞刀頭內(nèi)的水流速度是不斷變化的，但無(wú)論是哪一種轉(zhuǎn)速構(gòu)成的水流變化部分，均要比平均切向速度要小。當(dāng)距中心線(xiàn)徑向距離為r時(shí)，絞刀頭的切向速度：

其中：w為絞刀頭的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。

在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步推算出水體壓力和速度之間的關(guān)系，即：

其中，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。

式中，由于壓力與絞刀外界邊緣線(xiàn)相貼近，其呈現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢(shì)，所以最終徑向壓力梯度會(huì)得出負(fù)值；由此可得知，作用于流體體積的作用力為：

式中，F(xiàn)r是作用于流體的要素之一，可讓流體充分受力于絞刀頭，從而避免擴(kuò)散。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

本次實(shí)驗(yàn)以某段河流為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并以脫水后含泥率及重金屬含量為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行分析。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法及裝置

在本次底泥脫水干化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選取兩種常規(guī)的疏浚處理方式作為參照組，其實(shí)驗(yàn)裝置采用板框壓率裝置。實(shí)驗(yàn)組為本文提出的優(yōu)化后的疏浚處理方式。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用相同規(guī)格型號(hào)的疏浚船，并通過(guò)燒杯攪拌實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行底泥化學(xué)調(diào)制劑粗篩，之后以分子量為11 000的陽(yáng)離子PMA機(jī)械脫水。對(duì)照參照組，實(shí)驗(yàn)組裝有角度傳感器，其余條件設(shè)置一致。

3.3 結(jié)果對(duì)比

圖1為三種疏浚處理方式脫水后含泥率及重金屬含量的對(duì)比情況，觀察圖2可得知，相比較傳統(tǒng)的疏浚技術(shù)，本文中提出的疏浚方案，在脫水后的含泥率明顯要高，且隨著脫水時(shí)間的增加，其含泥率可達(dá)80%以上。同時(shí)，對(duì)比脫水后的重金屬含量，本方案提出的處理方法也比傳統(tǒng)處理方法要優(yōu)，重金屬含量超過(guò)了60%。

圖1 三種疏浚處理方式實(shí)驗(yàn)對(duì)比情況

4 結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，也一定程度上加劇了環(huán)境污染問(wèn)題的發(fā)生，其中河道底泥污染問(wèn)題較為突出。而由于河道底泥中含有大量難以分解的重金屬和有機(jī)污染物，傳統(tǒng)的疏浚技術(shù)，難以滿(mǎn)足污染底泥疏浚的要求。因此，為彌補(bǔ)傳統(tǒng)疏浚技術(shù)及其處理方式的不足，就需要在原有的技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。本文所提出的優(yōu)化方案，主要是在反鏟絞刀架和絞刀軸上安裝垂直角度和水平角度的傳感器，目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)疏浚精度的有效控制，同時(shí)，在優(yōu)化絞刀裝置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)絞刀頭轉(zhuǎn)動(dòng)角的臨界值進(jìn)行計(jì)算，目的是降低絞刀轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)底泥造成的擾動(dòng)，進(jìn)而避免污染底泥擴(kuò)散。最后結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)，對(duì)本文中提出的疏浚處理技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證，得知優(yōu)化后的疏浚技術(shù)及處理方式，其脫水后的含泥量和重金屬含量較高，不僅能夠有效改善河道底泥疏浚的效果，而且還能夠有效控制污染底泥過(guò)度懸浮擴(kuò)散。