一種新型環保疏浚與吹填機具研究

張忱

（上海理工大學機械學院，上海 200093）

1 概述

目前在進行環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管道輸送到泥塘內，挖掘機具的種類很多，包括長錐形罩殼式環保絞吸挖泥船、圓盤式挖泥船、掃吸挖泥船、環保抓斗挖泥船、氣動泵挖泥船以及螺旋絞刀挖泥船等[1]。泥塘內的吹填余水經處理后排出泥塘外，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。吹填余水排放是環保疏浚與吹填工程中一項不斷探索和提高的核心技術。

新型環保疏浚與吹填機具采用螺旋絞刀挖掘污染底泥后，經絞刀擠壓送入排泥管道內，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的底泥直接排放到指定泥塘內，泥塘內的吹填余水經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，無污染擴散的環保疏浚新工藝。

2 新型環保疏浚與吹填機具的研究

新型環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成（見圖1）。全封閉螺旋絞刀的出料口與聯接裝置相連，而水力輸送裝置通過管道也與聯接裝置相連。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切削底泥，被切削底泥經過絞刀內部的擠壓后，成膏狀送入聯接裝置，此時水力輸送裝置提供高速水流通過聯接裝置將泥沙迅速送入指定排放區。見圖2。

圖1 新型環保疏浚機具施工設計圖

圖2 新型環保疏浚機具工作方式

2.1 全封閉螺旋絞刀

2.1.1 絞刀結構

螺旋絞刀裝置由兩根裝有螺旋葉片的轉軸、防擴散罩、軸承、齒輪組、驅動裝置等構成（見圖3）。轉軸通過軸承安裝在絞刀兩端軸承座上，轉軸一端的軸頭與驅動裝置相聯。防擴散罩一側底部和另一側頂部開有槽口，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，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，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 絞刀關鍵參數

1） 轉速

螺旋絞刀轉速計算公式[1]：

式中：n為螺旋絞刀的轉速，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。

在室內試驗中發現螺旋絞刀轉速在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，導程長度較大，而后部擠泥處，導程長度較小。

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，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，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為絞刀軸轉速，r/min；t為絞刀螺距，cm。

室內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，然后拋到指定地點。雖然泥泵作用明顯，但是隨著疏浚技術不斷發展，泥泵的缺點正不斷顯現。首先泥泵的磨損較大，由于吸入泥沙顆粒經過泵體內部，因此一旦長時間運行，泥泵磨損現象極為嚴重。其次碰到硬土時效率低，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，這是制約泥泵發揮更大效率的瓶頸。

針對泥泵存在的不足，現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，輸送性質發生了根本的改變。通過泵送方式，首先使整套設備磨損較小，泥沙與水流一起進入排泥管內，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，kPa；Ms為真空表讀數，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為排泥管內流速，m/s；V1為吸入管內流速，m/s；g為重力加速度，m/s2。

當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為土質換算系數，按表1選取。

表1 泥泵泥漿揚程土質換算系數

2.3 回水管道

在泥塘的排水口（水門）處布設1根排水管，將泥塘內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，而泥塘內的吹填余水被重復循環使用，整個裝置形成了一個全封閉、無污染擴散的新型環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使用，極大地節約了治理成本。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 新型環保疏浚與吹填機具工作原理圖

3 室內試驗概況

按挖泥方量Q為100 m3/h，模型比尺選用λ＝10，設計制作1個小型的新型環保疏浚與吹填機具，并在室內疏浚水槽中開展試驗。試驗土質選用太湖底泥，試驗時先啟動螺旋絞刀挖掘泥面，當底泥被絞刀擠壓送入管道后，開啟水泵進行水力輸送，同時橫移絞刀進行不間斷挖泥，水流將底泥連續不斷輸送入指定的儲泥桶內。在整個底泥挖掘過程中，幾乎沒有產生因底泥擴散產生的二次污染，而且儲泥桶內的底泥呈現為塊狀或團狀，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、無污染擴散的環保疏浚新工藝。

4 現場應用

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

圖5 現場應用情況

5 新型環保疏浚與吹填機具的先進性

1）管道輸送濃度高，目前環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，采用本裝置輸送濃度可提高到30%以上。

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

3）由于泥塘內吹填余水循環使用，可避免泥塘內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、防擴散效果好等優點。

6 結語

針對國內現有環保疏浚機具用于環保疏浚工程中出現的一些不足之處，提出挖掘、輸送泥漿與周圍水域無水體交換的新的環保疏浚理念，采用螺旋絞刀結合高壓沖水的全封閉、無污染疏浚機具。該環保疏浚機具結構簡單、施工便利、輸送濃度高、成本低，是對現有環保疏浚領域中防污染擴散技術的一次創新，該機具可廣泛用于我國沿海、沿江、內河、湖泊環保疏浚與吹填工程，具有廣闊的應用前景。

[1] 楊尊偉.環保疏浚設備（中國疏浚業發展戰略研究）[M].北京：中國疏浚協會，2008.

[2]黃石茂.螺旋輸送機輸送機理及其主要參數的確定[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，疏浚工程技術規范[S].