一種新型環(huán)保疏浚與吹填機具研究

張忱

（上海理工大學(xué)機械學(xué)院，上海 200093）

1 概述

目前在進行環(huán)保疏浚與吹填工程中，一般通過挖掘機具將底泥攪松后由泥泵吸入再經(jīng)管道輸送到泥塘內(nèi)，挖掘機具的種類很多，包括長錐形罩殼式環(huán)保絞吸挖泥船、圓盤式挖泥船、掃吸挖泥船、環(huán)保抓斗挖泥船、氣動泵挖泥船以及螺旋絞刀挖泥船等[1]。泥塘內(nèi)的吹填余水經(jīng)處理后排出泥塘外，常用處理方法是采用在余水中加藥，但該方法缺點在于工作量及成本較大。吹填余水排放是環(huán)保疏浚與吹填工程中一項不斷探索和提高的核心技術(shù)。

新型環(huán)保疏浚與吹填機具采用螺旋絞刀挖掘污染底泥后，經(jīng)絞刀擠壓送入排泥管道內(nèi)，采用高壓水泵噴射水流進行輸送，由水泵輸出的工作水流將擠壓送入排泥管內(nèi)的底泥直接排放到指定泥塘內(nèi)，泥塘內(nèi)的吹填余水經(jīng)回水管回到高壓水泵的進水入口處。整個挖掘、輸送過程形成一個全封閉的，無污染擴散的環(huán)保疏浚新工藝。

2 新型環(huán)保疏浚與吹填機具的研究

新型環(huán)保疏浚機具主要由全封閉螺旋絞刀、水力輸送裝置和回水管道三部分構(gòu)成（見圖1）。全封閉螺旋絞刀的出料口與聯(lián)接裝置相連，而水力輸送裝置通過管道也與聯(lián)接裝置相連。工作時將全封閉螺旋絞刀與底泥泥面相接觸，通過螺旋絞刀前部刀刃旋轉(zhuǎn)切削底泥，被切削底泥經(jīng)過絞刀內(nèi)部的擠壓后，成膏狀送入聯(lián)接裝置，此時水力輸送裝置提供高速水流通過聯(lián)接裝置將泥沙迅速送入指定排放區(qū)。見圖2。

圖1 新型環(huán)保疏浚機具施工設(shè)計圖

圖2 新型環(huán)保疏浚機具工作方式

2.1 全封閉螺旋絞刀

2.1.1 絞刀結(jié)構(gòu)

螺旋絞刀裝置由兩根裝有螺旋葉片的轉(zhuǎn)軸、防擴散罩、軸承、齒輪組、驅(qū)動裝置等構(gòu)成（見圖3）。轉(zhuǎn)軸通過軸承安裝在絞刀兩端軸承座上，轉(zhuǎn)軸一端的軸頭與驅(qū)動裝置相聯(lián)。防擴散罩一側(cè)底部和另一側(cè)頂部開有槽口，作為底泥進、出料口。

圖3 全封閉螺旋絞刀裝置組成

2.1.2 絞刀工作原理

螺旋絞刀工作原理是當(dāng)螺旋絞刀貼近泥面開始工作時，絞刀切割泥面，并將泥沙送入進料槽口內(nèi)，此時泥沙受到螺旋葉片法向推力的作用，同時由于該推力的徑向分力和葉片對泥沙的摩擦力，帶著泥沙繞軸轉(zhuǎn)動，但由于泥沙本身的重力和防污罩對泥沙的摩擦力的緣故，才不與螺旋葉片一起旋轉(zhuǎn)，而在葉片法向推力的軸向分力作用下，沿著絞刀軸向前移動。

2.1.3 絞刀關(guān)鍵參數(shù)

1） 轉(zhuǎn)速

螺旋絞刀轉(zhuǎn)速計算公式[1]：

式中：n為螺旋絞刀的轉(zhuǎn)速，r/min；v為螺旋絞刀的圓周線速度，m/s；D為螺旋絞刀的直徑。

在室內(nèi)試驗中發(fā)現(xiàn)螺旋絞刀轉(zhuǎn)速在80～160 r/min之間，工作效果較為理想。

2）螺旋升角及螺距

螺旋絞刀就功能而言可分為兩部分：螺旋絞刀的前部，即和泥面接觸部分，其作用主要在于切割、破碎、攪拌泥料，因此這部分絞刀升角可選用較大的升角，一般可選用≤22°～31°；螺旋絞刀的后部，由于要將泥料擠出，因此其作用主要在于擠泥，一般可選用較小的升角≤14°～23°。

螺旋絞刀的螺距作用也是如此，前部攪泥處，導(dǎo)程長度較大，而后部擠泥處，導(dǎo)程長度較小。

3） 擠壓推力

螺旋絞刀除了切削破碎泥料以外，還要將泥塊擠壓推入管道內(nèi)，因此計算絞刀的擠壓推力非常必要。擠壓推力計算公式[2]：

式中：σ為螺旋絞刀的擠壓推力，kg/cm2；k為功率綜合利用系數(shù)，一般取值為0.25；p為電機功率，W；s為擠出泥料的截面積，cm2；n為絞刀軸轉(zhuǎn)速，r/min；t為絞刀螺距，cm。

室內(nèi)試驗加工制作的螺旋絞刀總長為1 m，葉片直徑為6 cm，絞刀軸直徑為2 cm，電機功率為1.5 kW，螺距為7 cm，絞刀轉(zhuǎn)速為120 r/min，通過計算，可得出絞刀的擠壓推力在1.1 kg/cm2，螺旋絞刀的截面積為25 cm2，則總推力為27.5 kg，而螺旋絞刀內(nèi)泥料的本身自重只有6 kg，泥料與絞刀之間的摩阻力較難測得，不過理應(yīng)不會超過泥料自重。兩者相加仍遠小于螺旋絞刀的擠壓推力。

2.2 水力輸送裝置

目前大型耙吸、絞吸挖泥船多裝備有泥泵，通過泵吸方式將挖掘的泥沙送入排泥管道內(nèi)，然后拋到指定地點。雖然泥泵作用明顯，但是隨著疏浚技術(shù)不斷發(fā)展，泥泵的缺點正不斷顯現(xiàn)。首先泥泵的磨損較大，由于吸入泥沙顆粒經(jīng)過泵體內(nèi)部，因此一旦長時間運行，泥泵磨損現(xiàn)象極為嚴重。其次碰到硬土?xí)r效率低，吸入泥漿濃度不高，受制泥泵的真空度，想要大幅度提高已是非常困難，這是制約泥泵發(fā)揮更大效率的瓶頸。

針對泥泵存在的不足，現(xiàn)提出一種新的疏浚方式——用水力輸送方式代替泥泵。利用水泵提供的工作水流將泥沙送進泥塘。由原來泥泵的吸改為水泵的送，輸送性質(zhì)發(fā)生了根本的改變。通過泵送方式，首先使整套設(shè)備磨損較小，泥沙與水流一起進入排泥管內(nèi)，與水泵泵體基本上不接觸，因此無需時常維護替換水泵。其次利用水力輸砂方式，不受真空度影響，可以根據(jù)需輸送泥漿的濃度來提高高壓水泵的壓力，從而可以在任何土質(zhì)下工作。

輸送漿體的高壓水泵清水揚程可通過下列公式進行測算[3]：

式中：H為離心泵揚程，kPa；Md為壓力表讀數(shù)，kPa；Ms為真空表讀數(shù)，cm Hg；Z為壓力表傳感器測點至真空表測點間的垂直距離，m；V2為排泥管內(nèi)流速，m/s；V1為吸入管內(nèi)流速，m/s；g為重力加速度，m/s2。

當(dāng)水泵進行泥漿輸送時可通過下列公式進行換算：

式中：Hm為離心泵泥漿揚程，kPa；HW為離心泵清水揚程，kPa；γm為泥漿密度，t/m3；KH為土質(zhì)換算系數(shù)，按表1選取。

表1 泥泵泥漿揚程土質(zhì)換算系數(shù)

2.3 回水管道

在泥塘的排水口（水門）處布設(shè)1根排水管，將泥塘內(nèi)吹填余水回流到高壓水泵進水口處，由于排水口處高度一般高于高壓水泵處高度，回水依靠自流方式即可完成。這樣疏浚土源源不斷被挖掘輸送到泥塘內(nèi)，而泥塘內(nèi)的吹填余水被重復(fù)循環(huán)使用，整個裝置形成了一個全封閉、無污染擴散的新型環(huán)保疏浚施工工藝流程。這樣就不但嚴格控制了余水的排放，而且對余水進行反復(fù)使用，極大地節(jié)約了治理成本。如果不是吹填，挖泥裝艙可采用同樣方法取得相同的效果。見圖4。

圖4 新型環(huán)保疏浚與吹填機具工作原理圖

3 室內(nèi)試驗概況

按挖泥方量Q為100 m3/h，模型比尺選用λ＝10，設(shè)計制作1個小型的新型環(huán)保疏浚與吹填機具，并在室內(nèi)疏浚水槽中開展試驗。試驗土質(zhì)選用太湖底泥，試驗時先啟動螺旋絞刀挖掘泥面，當(dāng)?shù)啄啾唤g刀擠壓送入管道后，開啟水泵進行水力輸送，同時橫移絞刀進行不間斷挖泥，水流將底泥連續(xù)不斷輸送入指定的儲泥桶內(nèi)。在整個底泥挖掘過程中，幾乎沒有產(chǎn)生因底泥擴散產(chǎn)生的二次污染，而且儲泥桶內(nèi)的底泥呈現(xiàn)為塊狀或團狀，沉降在底部，表層余水含泥濃度很低，完全可以通過回水管道流回高壓水泵處，作為工作水循環(huán)使用。整個挖掘、輸送底泥過程形成了全封閉、無污染擴散的環(huán)保疏浚新工藝。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

該項技術(shù)已被有關(guān)單位在浙江溫州地區(qū)吹填圍堤工程中得到應(yīng)用，由于在陸上挖泥，采用挖機將泥挖入喇叭箱內(nèi)，隨后通過螺旋輸送機將泥擠壓進入排泥管道內(nèi)，再通過高壓水泵向排泥管道內(nèi)注入高速水流輸送泥漿進行充填袋筑堤，現(xiàn)場應(yīng)用證明該項技術(shù)較泥漿泵充填袋筑堤技術(shù)相比具有充填濃度高、塊狀物料多、排水固結(jié)快等特點，具有較好的應(yīng)用價值。見圖5。

圖5 現(xiàn)場應(yīng)用情況

5 新型環(huán)保疏浚與吹填機具的先進性

1）管道輸送濃度高，目前環(huán)保疏浚輸送濃度受船上泥泵與挖泥深度影響，一般在30%以內(nèi)，采用本裝置輸送濃度可提高到30%以上。

2）隨著進入泥塘內(nèi)泥漿濃度的提高，泥塘的吹填庫容也可減小，減小的幅度可達30%以上。

3）由于泥塘內(nèi)吹填余水循環(huán)使用，可避免泥塘內(nèi)污染水體流入周邊水域，造成二次污染。

4）采用高壓水泵水力輸送泥土，水泵使用壽命較泥泵相比可大幅度提高。

5）采用螺旋絞刀一類疏浚挖掘機具，具有挖掘平整度好、擠壓推力大、防擴散效果好等優(yōu)點。

6 結(jié)語

針對國內(nèi)現(xiàn)有環(huán)保疏浚機具用于環(huán)保疏浚工程中出現(xiàn)的一些不足之處，提出挖掘、輸送泥漿與周圍水域無水體交換的新的環(huán)保疏浚理念，采用螺旋絞刀結(jié)合高壓沖水的全封閉、無污染疏浚機具。該環(huán)保疏浚機具結(jié)構(gòu)簡單、施工便利、輸送濃度高、成本低，是對現(xiàn)有環(huán)保疏浚領(lǐng)域中防污染擴散技術(shù)的一次創(chuàng)新，該機具可廣泛用于我國沿海、沿江、內(nèi)河、湖泊環(huán)保疏浚與吹填工程，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 楊尊偉.環(huán)保疏浚設(shè)備（中國疏浚業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究）[M].北京：中國疏浚協(xié)會，2008.

[2]黃石茂.螺旋輸送機輸送機理及其主要參數(shù)的確定[J].廣東造紙，1998（3）：27-31.

[3] 崔麗娟.巧用類比法計算擠出壓力[J].磚瓦，2001（2）：34.

[4]JTJ319—99，疏浚工程技術(shù)規(guī)范[S].