深水負壓清淤研究和應用

王仲禹,侯 樂

(1.中電建水環(huán)境治理技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000；2.中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000)

1 背景及意義

目前，生態(tài)清淤技術(shù)一般使用氣力泵對水下進行清淤和河道疏浚，通常泵體設有三個泵筒，在每個泵筒底部有一個進泥口，進泥口前裝有吸泥頭或接管?，F(xiàn)有的氣力泵設有兩個工作狀態(tài)，即首先把淤泥吸入泵筒，然后通過管壁進口閥門導入高壓氣體將淤泥再輸送至指定地點?，F(xiàn)有的清淤設備簡陋，施工麻煩，環(huán)保指數(shù)低。

本文通過對真空氣力泵進行反復研究，自制負壓清淤管即可達到水下清淤的目的，施工簡單，不僅能夠在環(huán)保無污染的要求下清理水庫底部的懸移質(zhì)和推移質(zhì)，同時在試驗中能夠通過改變清淤管管徑和端頭的濾網(wǎng)規(guī)格達到對不同粒徑石料的清理作用，可應用于不同粒徑的水下砂石開采，而效率與氣力泵不相上下。通過研究，提出在不同水深條件下清淤管的各項詳細技術(shù)參數(shù)，包括清淤管管體直徑、理論風壓、供氣室規(guī)格、進氣孔規(guī)格以及進水孔規(guī)格與清淤效率之間的關(guān)系，在清淤和抽砂施工中得到了應用。

2 負壓清淤的主要技術(shù)指標

2.1 技術(shù)原理

淤泥在水的靜壓和進氣孔向上排氣所形成的真空負壓下不斷被壓(吸)入清淤管，在清淤管內(nèi)進氣孔以下部位通過與水混合并不斷向上移動，在通過進氣孔以后，則是在高氣壓的作用下向上頂起通過整個清淤管到達指定位置。

2.2 技術(shù)方案

通過不斷研究和試驗驗證，選擇使用單根長度不大于6m、直徑273mm、管壁厚9mm焊管做清淤管，清淤管通過法蘭連接清淤部位至水面，再通過同直徑軟管連接至岸坡上的沉淀池。水面上設有小型動力船一只，以便隨時移動清淤管。在陷入淤泥的清淤管端部使用鋼筋焊接濾網(wǎng)，用于控制進入管口的泥沙粒徑，根據(jù)要求濾網(wǎng)鋼筋間距不大于150mm，可輸送粒徑不大于150mm的砂石。在清淤管4.5倍管徑部位安裝供氣室，供氣室為6mm鋼板焊接一個環(huán)形筒，其上設供氣口，連接風管至空壓機。在環(huán)形供氣室內(nèi)部清淤管管壁上等距布置D10@50mm進氣口，進氣口應與管壁形成不小于30°的夾角，以便風源進入清淤管以后向水面方向移動在進氣孔底部更好地形成負壓。在管口和進氣口2/3位置圍繞清淤管布置一圈進水口，進水口孔口直徑為10mm，間距120°。清淤管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 清淤管結(jié)構(gòu)

2.3 技術(shù)特征

根據(jù)不同的水深所形成的水靜壓力，需要提供不同壓力的風源。清淤管內(nèi)部的進氣孔孔徑和間距、方向和進水孔的孔徑都和泥沙抽取效率有關(guān)。本文通過理論研究和不斷的實踐經(jīng)驗，在57m水深條件下，使用直徑273mm、管壁厚9mm清淤管，并在4.5倍管徑部位安裝供氣室和進氣口，同時要求進氣口沿管壁一圈平均布置，并在管口和進氣口2/3位置圍繞清淤管布置一圈進水口。進水孔口的面積、風壓與清淤效率密切相關(guān)，此套系統(tǒng)布置的進水口孔口直徑為10mm，間距120°。

2.4 總體性能指標

本套系統(tǒng)在使用0.9MPa壓力20m3/m空壓機條件下，每小時抽出總量不小于400m3，其中固體物含量20%，抽出最大石塊粒徑150mm。

2.5 研究試驗內(nèi)容

通過試驗，得到兩種規(guī)格管徑在不同水深條件下的相關(guān)參數(shù)，見表1。

如表1所示，在使用直徑219mm、管壁厚6mm鋼管作為清淤管時，由于沒有在進氣口與進泥口之間設置進水口，當清淤管在自重作用下深陷淤泥時，管道內(nèi)沒有足夠水與淤泥混合，導致清淤困難，甚至出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。將清淤管稍微向上提一定距離后，即可見到大量泥沙混合水流出，但是在具體施工中卻很難保證管頭隨著泥沙表面不停移動，為此，需要增加一定量的水進入管道并與淤泥混合；另外，進氣孔間距過大，而且直徑也大，導致經(jīng)濟效率偏低。

在對相同管徑增加進水口并減小進氣口的直徑和加密進氣口以后，看似很順暢，但流出的都是水，說明進水孔太大，抽出的大部分都是從進水口進入的水。在這種情況下，使用直徑273mm、管壁厚9mm的鋼管作為清淤管，并減小進水口直徑，同時減小進氣口的間距，發(fā)現(xiàn)抽出的固體含量有了一定幅度的上升。為此，對整個清淤管進行了優(yōu)化，在進一步減小進水口直徑的同時，把進水口適當向進風口方向移動，同時進一步減小進風口直徑至10mm，并向上傾斜30°，在保持壓力不變并在53m水深條件下試驗，抽出方量達400m3/h，固體含量在20%左右，效果較好。

2.6 項目的先進性和創(chuàng)造性

由于國內(nèi)外施工對環(huán)境要求一直都在提高，而生態(tài)清淤要求在清淤過程中懸移質(zhì)和漂移質(zhì)不對周邊水域形成污染。負壓清淤技術(shù)能夠很好解決環(huán)境問題，在抽取泥沙的同時，也吸取了清淤管周邊被污染的一部分污水，在環(huán)境上完全達標。目前國內(nèi)普遍采用的機械及清淤泵清淤，都會有廢氣產(chǎn)生，而深水負壓清淤技術(shù)巧妙利用水的靜壓和進氣孔向上排氣所形成的真空負壓作用，沒有廢氣的產(chǎn)生，環(huán)保方面有了極大的提高。

通過創(chuàng)造性地在氣力泵的基礎上，提出在進風口以下和以上分別通過負壓和正壓“吸”和“吹”的概念，使整個輸送過程同時完成。

3 應用案例

3.1 工程概況

贊比亞伊泰茲水電站工程位于贊比亞中心省莫秋市伊泰茲區(qū)，大壩位于贊比西河和凱福河交匯點上游295km處，是在原有伊泰茲水庫的基礎上新建的水力發(fā)電工程。新建引水發(fā)電工程位于大壩右岸，是在原有進水口及南導流洞的基礎上擴建引水系統(tǒng)和調(diào)壓井并引水至壩后地面廠房，裝機容量為2×60MW。

工程包括了對進水口50m寬度200m長度范圍的引渠進行清淤的要求。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，進水口引渠底部高程為978.00m，施工期間水深45～55m。根據(jù)水下攝像觀測，引渠底板面上有一層300～600mm厚度的長期淤積層，該淤積層為泥沙夾雜著不同粒徑的小石塊。

表1 清淤管技術(shù)指標

3.2 材料與設備

清淤系統(tǒng)的材料設備清單見表2。

表2 材料設備清單

3.3 方案設計

本項目采用自制負壓清淤系統(tǒng)進行清淤施工。經(jīng)過沉淀以后上部的水可以直接流入水庫，底部的泥沙使用自卸車運輸至指定地點。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，需要制作一套負壓清淤管，一條用于支撐負壓清淤管并帶有動力裝置的浮船，一個漿砌石泥沙沉淀池以及配套的安全設施。

(1)清淤管設計

使用直徑273mm、管壁厚4.5mm的法蘭連接鋼管為水下部分的清淤管，管子總長度55m，管子底部末端使用直徑25mm鋼筋焊接成網(wǎng)狀收縮結(jié)構(gòu)，以防止堵塞。在距底部1.4m位置使用8mm厚度鋼板焊接一個進氣室，上部留有進氣孔與來自水面的50mm供氣管連接。在進氣室里邊直徑273mm鋼管管壁一圈鉆有直徑12mm～50mm的通氣孔，用于高壓供氣通過進氣室進入清淤鋼管內(nèi)形成負壓。

清淤管頂部焊接有兩個吊耳，浮船上安裝型鋼和手動葫蘆配套的起吊裝置，用于支撐和移動清淤管，并在頂部安裝一個90°彎頭，連接同直徑軟管至河邊的沉淀池。同時，伴隨清淤管安裝直徑50mm供氣管，供氣管每2m處與清淤管連接在一起，供氣管從岸邊的20m3空壓機直至清淤管底部的供氣室。

(2)清淤船設計

根據(jù)現(xiàn)場條件，經(jīng)過計算，清淤船自重10t，清淤管及人員等荷載總計6t，滿載總重為16t，清淤船滿載排水量為25t。

清淤船使用3mm厚度鋼板和L70、L50角鋼制作成長條形浮箱體共四個。每個浮箱體體積為6.4m3，合計25.6m3。使用160mm槽鋼連接成一個船體，連接后的船體規(guī)格為9.5×3.5m。并在船體上鋪設50mm厚度木板作為甲板，四周使用T25mm鋼筋焊接欄桿，船體中央位置預留一個約1m×1.2m的孔，兩側(cè)使用160mm槽鋼焊接門型支撐系統(tǒng)，并安裝一個手動葫蘆用于清淤管的起吊和移動。清淤船的動力系統(tǒng)采用一臺1.5kW柴油機帶動螺旋槳的方式移動船體。

(3)沉淀池設計

沉淀池使用漿砌石結(jié)構(gòu)，沉淀池容量為200m3。來自清淤軟管的混合水流入沉淀池，并在沉淀池內(nèi)布設一個溢流管口接至水庫中。

3.4 工藝流程及方法

工藝流程：根據(jù)清淤內(nèi)容制定清淤方案及圖紙→清淤設備制作和安裝→清淤船下水→清淤試驗→根據(jù)試驗結(jié)果完善清淤系統(tǒng)→清淤系統(tǒng)試運行→開始清淤施工。

(1)清淤船制作

清淤船制作在車間進行，首先進行清淤船結(jié)構(gòu)主體桁架焊接，然后焊接外側(cè)鋼板。在外側(cè)鋼板焊接完成以后，需要對焊縫進行滲透試驗，發(fā)現(xiàn)有滲透試驗不合格焊縫的，應及時處理直至滲透試驗合格。四個清淤船浮箱完成制作以后，交由現(xiàn)場進行系統(tǒng)安裝。

(2)系統(tǒng)安裝及試運行

系統(tǒng)安裝主要包括清淤船現(xiàn)場安裝、清淤管路系統(tǒng)安裝、高壓風系統(tǒng)安裝、沉淀池施工等項目。當所有系統(tǒng)項目完成安裝和施工具備施工條件以后，開動空壓機并向清淤管輸送高壓風開始試運行。試運行期間能夠順利輸出不大于管口直徑的石頭和淤泥，即滿足施工要求。如圖2所示。

(3)淤泥清理

每完成1m×1m范圍移動一次清淤船，并通過手動葫蘆移動清淤管，每次清淤直至無石子和淤泥通過管口流出為宜。

(4)沉淀池淤泥外運

當沉淀池淤積大量泥沙時，使用反鏟裝載自卸汽車運輸至業(yè)主指定的淤泥存放地點。

3.5 操作要點

(1)通過不斷研究和試驗驗證，確定清淤管直徑、風壓、供氣室位置、進氣孔和進水孔直徑、方向及位置。

(2)提前選好清理出來的淤泥及石渣排放位置，一方面考慮環(huán)境污染問題，另一方面考慮減少再次搬運問題。

(3)清淤時要做好清淤船操作人員與清淤終端觀察員的通訊聯(lián)系，出水變清且無石渣時及時通知清淤船操作人員更換位置，合理利用資源，提高效率。

(4)清淤船移動更換位置時，必須提升清淤管，使清淤管終端高出底板面一定距離，避免清淤管折斷事情發(fā)生。

(5)清淤船停止工作時應固定好清淤船及清淤管，避免清淤管因風浪作用折斷。

3.6 質(zhì)量安全措施

(1)由于水面之上不好判定方向及位置，做好清淤范圍標志及每次清淤位置記錄，以便清淤工作能夠全部覆蓋。

(2)每個清淤點直到清淤管終端出水變清且無石渣5分鐘后視為該位置清淤結(jié)束。

(3)相鄰清淤點間距控制在1.5m以內(nèi)，確保沒有清淤盲區(qū)的出現(xiàn)。

(4)清淤結(jié)束以后，利用水下攝像頭進行抽樣檢查，如不合格應進行第二次覆蓋性清淤。

(5)清淤管之間需連接牢固，避免清淤船移動、風浪等作用致使清淤管折斷。

(6)清淤船要做好防腐工作，并不間斷對清淤船進行全面檢查，防止清淤時船體漏水現(xiàn)象發(fā)生。

(7)清淤施工作業(yè)時，清淤船之上施工人員屬于水上作業(yè)，必須穿救生服。

3.7 應用成果

贊比亞伊泰茲水電站項目自制25t排量的自行式清淤船和53m水下負壓清淤系統(tǒng)，并自行設計了淤泥沉淀過濾終端，整個系統(tǒng)維護簡便，操作簡單，兩人便可完成全部操作任務。此系統(tǒng)水下清淤不僅能夠在環(huán)保無污染的要求下清理水庫底部的懸移質(zhì)和推移質(zhì)，同時在試驗中能夠通過改變清淤管管徑和端頭的濾網(wǎng)規(guī)格達到不同粒徑石料的清理作用，較好完成合同規(guī)定進水口引水渠的清淤內(nèi)容，解決了項目上難點，并得到業(yè)主和監(jiān)理方的認可。本項目深水負壓清淤項目獲得中國水利水電第十一工程局有限公司科技進步二等獎，河南省水力發(fā)電工程協(xié)會中原水力發(fā)電科學技術(shù)進步三等獎，國家知識產(chǎn)權(quán)局實用新型專利。

4 結(jié)語

通過反復研究和多方論證，將深水負壓清淤成功地用于伊泰茲水電站項目中。此清淤系統(tǒng)可以在施工現(xiàn)場制作，節(jié)省了大量成本。該系統(tǒng)操作簡單、易于維護、環(huán)保無污染，同時在試驗中能夠通過改變清淤管管徑和端頭的濾網(wǎng)規(guī)格達到不同粒徑石料的清理作用，特別是可以用于水深較大而且要求抽出粒徑范圍也比較大的情況，為以后工程中遇到的類似問題找到良好的解決方法。由于工作原理的差別，相比較氣力泵清淤，深水負壓清淤不足之處在于固體含量偏低，從而會影響其工作效率。