河道底泥環保疏浚技術及其處理方法分析

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，使用傳統的疏浚技術就可以實現高效的疏浚效果，也無需擔心污染底泥會過度懸浮擴散。近年來，環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，使用傳統的疏浚技術難以達到疏浚要求。為此，有必要對河道底泥疏浚技術及其處理方法進行優化設計。在反鏟絞刀架和絞刀軸安裝傳感器，來采集夾角及轉角信息，根據這些信息確保疏浚精度，再計算出水域水體水質擴散情況下絞刀頭的轉動角速度的臨界值。為驗證該設計流程的效果，以脫水后含泥率以及重金屬含量為指標，做出相關實驗，對比設計的處理流程以及常規處理流程下脫水后含泥率以及重金屬含量。

1.河道底泥環保疏浚技術

1.1 設定道底泥環保疏浚方式

本文設計的環保疏浚技術是以傳統工程疏浚為基礎的。其目的是清除水域系統中的污染底泥，并對河道生態系統的改善起到一定作用。表1為集合傳統環保疏浚方式優化后的疏浚方式。

由表1可以看出，基于傳統疏浚技術，優化后的環保疏浚技術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，以避免超挖現象的發生，影響水生生物的生長，對生態環境造成破壞，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 河道底泥環保疏浚方式

1.2 環保絞刀優化設計

為了實現對河道底泥疏浚精度的嚴格控制，和傳統河道底泥疏浚技術不同的是，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，實現其與水平轉角信息的采集。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。環保絞刀的工作示意圖如圖1所示。

圖1 環保絞刀的工作示意圖

絞刀頭在河道底泥工作轉動時，會產生離心力，該離心力的大小由其轉速決定，為防止底泥中重金屬等混合物擴散污染，需要保證泥泵產生的作用力能夠克服該離心力。根據所采集的水平轉角信息，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向外擴散。吸泥管位于挖掘頭一側，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計

安裝角度傳感器完成疏浚后，絞刀頭在水中的轉速對下一步河道底泥的處理也起著關鍵性作用。被疏浚的泥沙及其重金屬混合物由于形態小且輕，因此在水流及挖掘頭的工作時還沒通過吸泥管吸到設備中就已經擴散到相鄰水體，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。

絞刀頭在水中作業時，當距中心線徑向距離r為時絞刀頭切向速度V為：

式（1）中，w為絞刀頭的轉動角速度；V切向速度；r為距中心線徑向距離；

絞刀頭內的水流速度是處于不斷變化中的，但是，無論是哪一種轉速構成的水流變化部分，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系：

式(2)中p為絞刀頭內部的作用力；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，Fr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，針對設定的某段河流為實驗對象，設定實驗參數進行實踐分析。選取常規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，統一使用WATERMASTER650疏浚船，通過燒杯攪拌實驗，進行底泥化學調制劑（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為實驗匯總結果對比圖像。

圖2 實驗對比結果

通過圖2 脫水后含泥率進行比較，可發現在本方案設計的疏浚技術脫水后含泥率明顯要高于傳統的疏浚技術，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，相較于傳統處理方法，本方案處理方法也明顯占有優勢，重金屬含量已經超出了60%。

4.結束語

為彌補傳統河道底泥疏浚技術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，基于此優化鉸刀裝置，計算出擴散情況下絞刀頭的轉動角速度的臨界值，能夠減小對底泥的擾動，防止擴散。該疏浚技術與處理方法為其相關研究者提供了相關依據。