聯合氣舉清淤法在砂卵石層清理中的應用

徐方勇

（中國電建市政建設集團有限公司，天津 300384）

1 工程概況

該工程位于霍山縣新建北外環路高橋灣段上，雙灣大橋在路線K6+100～K6+750東西向跨越東淠河，主河槽寬度約600m，浸灘約300m，橋全長923.8m，橋寬36.5m，共25跨。其中5-21#橋墩位于河道內，系梁及墩柱施工采用36m×6.5m鋼板樁圍堰，河水深6～10m，圍堰內需要清底約3m深，內基坑清理完成后深9～13m，施工作業平臺距圍堰底14～18m，圍堰內有6道鋼支撐，底部有6根直徑1.8m的樁基礎。河床主要覆蓋中粗砂、卵石，層厚為4.8～9.9m，卵石粒徑為2～20cm。

2 方案比選

鋼圍堰內清底工序是制約后期整個工期的關鍵，為了盡快進行系梁墩柱的施工工作，加快鋼板樁圍堰周轉，縮短工期、節省成本，對現有水下清淤施工技術進行了比較和現場試驗。目前鋼圍堰內清底現有施工技術有氣舉吸泥法、長臂挖掘機清挖法等。由于該工程鋼圍堰體積小，且圍堰內有6根樁基礎及多道鋼支撐，采用挖泥船、水下挖掘類機械設備難以操作，若將圍堰內的水排完后采用人工配合機械法清理，施工安全風險增大，且施工速度慢、費用高。

為此，必須選擇一種體積小、地面控制水下吸泥的設備，比如潛水吸砂泵。先后采用了吸砂泵和常規氣舉吸泥法進行了清淤效果試驗。由于該河段距離下游橡膠壩僅230m，河底砂石固結，砂卵石層深厚，使用吸砂泵和常規的氣舉法吸砂排泥法剛開始時排出泥沙效果很好，能高濃度輸送，但隨著清底深度增加，泥沙固結并夾雜鵝卵石，排砂濃度變低且吸砂泵葉輪容易被卵石卡死。試驗表明潛水吸砂泵和常規氣舉吸泥法只能將基坑內表層泥沙排出，不能滿足施工需要。

為提高清淤設備的效率，降低清淤施工成本，對常規氣舉裝置進行了改進，給原有氣舉裝置增加了高壓水射流和機械攪拌裝置，很好地解決了砂石層固結問題，順利地把砂卵石排至鋼圍堰外。

3 聯合氣舉裝置設計說明

3.1 氣舉定義及工作原理

氣舉是利用供氣設備向管道內注入高壓氣體將泥沙舉升至圍堰外面排出。其原理是用空壓機供氣，通過空氣緩沖罐用高壓軟管連接鋼管進入排泥管下口附近，注入管道內的高壓氣體與泥沙混合，在管內和管外形成強大氣壓差，將泥砂順管“舉”出圍堰外。

3.2 聯合氣舉裝置的組成

聯合氣舉裝置包括空壓機、穩壓罐、排泥管、攪拌裝置、高壓噴水裝置。空壓機進氣管的起始端連接在空壓機的出口，進氣管的末端位于排泥管的下端管口附近；支架固接在排泥管的下端；攪拌裝置安裝在支架中，攪拌裝置包括兩個電機和兩個攪拌頭；電機支撐安裝在支架中，每個電機的輸出軸上連接一個攪拌頭；噴水裝置包括一個高壓水泵，高壓水泵的出口連接兩根出水管，出水管的下端卡接在支架上（見圖1、圖2）。

圖1 聯合氣舉清淤裝置系統圖

圖2 A部分放大圖

3.3 聯合氣舉裝置設備選擇

（1）氣舉設備。氣舉設備選用的螺桿空氣壓縮機，容積流量12.4m3/min，額定排氣壓力0.8MPa。為保證氣壓穩定和使用安全，采用容積2.1m3的空氣緩沖罐，通過緩沖罐用一根φ30mm高壓軟管連接鋼管給向排泥管供氣，為防止進氣管堵管和阻擋砂石，進氣鋼管斜向上進入排泥管。為減少卵石堵塞排泥管，管道采用直徑φ300mm的鋼管，為適應不同水深和方便拆卸清理，管道采用法蘭連接，長度根據空壓機清孔覆蓋范圍和基坑深度決定。

（2）高壓射水裝置。高壓射水裝置包括高壓水潛水泵、出水管和噴嘴，用φ50mm鋼管將高壓水泵出水口引至排沙管下口兩側，并用φ50mm×20mm的異徑管作為噴嘴，利用高壓泵噴射流擾動固結泥沙。

（3）攪拌裝置。攪拌裝置包括兩個電機和兩個攪拌頭，每個電機的輸出軸上連接一個攪拌頭；電機需采用380V、7.5kW、防水等級IPX8級的電機防水電機；攪拌葉輪選用高硬度的高鉻鑄鋼材質，耐磨、耐腐，延長設備使用壽命。攪拌裝置用鋼支架固定在排泥管上，用以擾動固結砂石層，配合高壓水射流在排泥管周圍形成介質比重大的湍流，通過排泥管排至圍堰外。

3.4 清淤程序

該工程中由于圍堰空間小、鋼支撐多，為提高效率，清淤裝置使用時采用吊車配合，將該清淤裝置放入圍堰內，氣舉裝置中的空壓機和緩沖罐放置在水面上的操作臺，待設備攪拌裝置到達砂面時，開啟空壓機開始供氣，注入排泥管內的高壓氣體與泥沙混合，在管內和管外形成強大氣壓差，將泥沙排出；再根據排泥濃度確定開啟高壓水泵和攪拌裝置，通過調節氣壓使其達到最佳排沙效果，通過排泥管下水深度判斷清底高程。該清淤裝置應用于體積較大區域作業時可在圍堰上架設導軌滑動操作。

4 氣舉設備匹配性理論驗算

4.1 驗算依據

取臨界值：管內外壓力平衡時存在如下關系式：

式中：ρ混為正常吸泥過程中排泥管內混合物密度；hf為沿程水頭損失；hb為彎頭局部水頭損失；h0為禁止狀態下壓力平衡時混合物的高度。

混合物最初獲得的動能最后轉化為動能和排泥高度所具有的的勢能。能量守恒公式：

式中：m混為混合物質量；v混為混合物獲得的平均速度；h1為實際混合物的排泥高度。

4.2 驗算過程

（1）混合物的平均流速：

式中：V混為每分鐘排出混合物的流量。

經過施工中分析知，吸泥過程中，設備排出的混合物的流量V混=3.5m3/min，排泥管直徑為φ300mm，則r=0.15m，求得v混=0.83m/s。

（2）求混合物密度ρ混（體積數據取1min內輸出量）。

取ρ砂=2.0g/cm3，ρ水=1.0g/cm3；用于圍堰內補水的離心泵流量160m3/h，V水=160/60=2.67m3/min；V砂=V混-V水=3.5-1.67=0.83m3/min；空壓機供氣系數取0.8。求得ρ混=0.32g/cm3。

（3）求沿程水頭損失hf。管斷面為圓形，則：

式中：hf為沿程水頭損失；f為圓管摩阻系數，f=8gn2/R1/3；D為圓管直徑；R為水力半徑，R=D/4；n為糙率系數，查表取0.014；L為沿程長度，L=20m。求得hf=0.085m。

（4）求局部水頭損失hb。

式中：fb為損失系數，彎管角度為90°時fb=1。

求得：hb=0.035m。

（5）把v混代入能量守恒公式（2），根據基坑深，取h1=15m，求得h0=15.07m。

（6）把h0和hf+hb帶入壓力平衡公式（1）求得h水位差=3.1m。

得出結論：在采用上述選定設備時，當鋼圍堰內水位差大于3.1m時，吸泥深度即可達15m，且水位差越大吸泥深度越大，由此理論驗算，說明該工程氣舉法所選設備規格、性能是匹配的、合理的，滿足工程要求。

5 聯合氣舉清淤法的優越性

該套聯合氣舉清淤法有以下明顯優越性。

（1）和傳統清淤工藝相比，該聯合氣舉清淤裝置中未配置砂石泵，避免了卵石、石塊等較大固體卡塞吸砂泵葉輪損壞設備的問題，且該清淤法具有操作簡單、安全環保、低耗高效、運行費用低等優點。

（2）該聯合氣舉清淤法在吸泥管底口兩側加裝了攪拌裝置和高壓射水裝置，利用輔助裝置對板結的砂石層進行破碎鉆進和攪拌，不僅大大提高了清淤效率，且大大增加了該清淤法對不同質地的適應范圍。

6 結束語

在該工程中通過研究和試驗，改進了一套聯合氣舉清淤施工工藝，解決了鋼圍堰深基坑內砂礫石清理的施工技術問題。在清淤過程中對排出的砂卵石尺寸進行了統計，大部分集中在60～80mm，最大尺寸不超過150mm。該套聯合氣舉清淤施工工藝實現了具有比潛水砂石泵、常規氣舉法吸泥法更為優越的使用價值和適用范圍，除用于圍堰內清淤外，還可以用于河道清淤、水庫大壩泥沙清理、各類沉淀池清理等，可在類似清淤工程中推廣應用。