河道底泥環保疏浚技術與處理措施

何云斌，劉書敏，林 嫙，趙風斌

［1.深圳市天健（集團）股份有限公司，廣東深圳 518019；2.同濟大學，上海 200092；3.深圳市市政公司總公司，廣東深圳 518052］

1 河道底泥環保疏浚技術

1.1 常規的疏浚方式

（1）干法清淤。干法清淤的原理為：先設置臨時圍堰，之后將水完全排出后進行干地清淤。在具體的清淤過程中，主要借助挖掘機和水力沖挖來完成清淤工作。采用挖掘機干式清淤法，優勢在于便捷、靈活性高、技術要求不高、有較強的適應能力以及不會增加底泥含水率，但是也尤其局限性，主要表現為容易受天氣的影響；而水力沖挖的清淤方式，主要是利用高壓水槍來對淤泥進行沖刷，使淤泥成為泥漿，之后再通過泵送的方式將泥漿傳送至岸邊的堆場或聚漿池中。這一方法的優勢在于施工成本較低，且施工操作簡單，但也有增加底泥含水率及底泥處理成本的局限性。

（2）水下清淤。這一清淤方式的原理為：在船上安裝清淤機，以船為施工平面進行水面上的清淤，之后再通過泵送的方式將水下底泥傳送至岸上的堆場中。水下清淤主要包括絞吸式挖泥船、耙吸式挖泥船這幾種形式。其中，在絞吸式挖泥船操作中，先是借助絞刀進行河道底泥的松弛，并使底泥成為泥漿，之后通過泵送的方式將泥漿轉送至排泥區；而在耙吸式挖泥船的具體操作中，主要是通過大型自航、裝倉式挖船來清淤，這種類型的船中裝有耙頭挖掘機具和水力吸泥裝置，先是將耙吸管放至河底，然后借助泥漿泵的真空作用，通過耙頭和吸泥管將河底淤泥泵送至船泥倉中這種清淤方式的效率相對較高。

1.2 疏浚方式調整

為有效清除河道中的污染底泥，并改善河道生態系統，在傳統工程疏浚基礎上，設計了環保疏浚方式。優化后的河道底泥疏浚方式見表1。從表1可得知，在傳統疏浚技術基礎上優化后的疏浚方式，其對挖泥的厚度要求較高，要求至少要達到1.5m的挖泥厚度，如此才能夠有效保證疏浚精度的精準性，從而避免出現超挖現象以及影響水生生物的生長，進而有效維持河道的生態系統。而要想達到這一目的，也需要準確采集疏浚船的反鏟刀架和絞刀軸的平面位置、垂直位置及船體方位角等信息。

表1 河道底泥環保疏浚方式

1.3 環保絞刀優化設計

傳統河道底泥疏浚技術難以實現對河道底泥疏浚精度的精準控制，對此，為確保疏浚精度的正確性，在反鏟絞刀架上安裝垂直角度的傳感器，用于對其水平面夾角信息的準確采集，同時在絞刀軸的液壓桿處安裝垂直角度的傳感器，用于對其水平轉角信息的準確采集。不僅如此，為確保絞刀規律有序地進行土壤切削，進而提升工作效率，需要保證絞刀的切斜界面與河道底泥在同一水平線上，而絞刀罩的外輪廓邊界，也需要與河道底泥在同一水平線上。

在環保絞刀轉動過程中，所產生的離心力大小，主要取決于其轉速。為了避免在絞刀轉動時，出現底泥中重金屬等混合物擴散的現象，應保證泥泵所產生的作用力，能夠抵消絞刀頭轉動時所產生的離心力。為此，就需要準確采集水平轉角的信息，并在此基礎上精準計算出每一次的進刀量，由此實現對挖泥厚度的嚴格控制，避免因進刀量誤差而引起泥沙及重金屬混合物擴散的問題。除此之外，考慮泥土離心的方向與吸口的相對位置不一致，使得吸泥效果也不一致，為此，就需要通過垂直角度和水平角度的傳感器準確采集信息，并結合采集的信息測算出最佳的位置，從而提升吸泥效果，保證底泥疏浚的精度。

2 河道底泥處理方法優化設計

2.1 常規處理方法

（1）自然干法。河道底泥處理原則主要為穩定化、無害化、減量化及資源化，自然干法是在遵循這些原則基礎上常用的一種底泥處理方式。這一處理方法的原理為：基于水汽蒸發的原理將淤泥中的大部分水分去除，之后通過添加一定的添加劑來處理淤泥。隨著時間的不斷推移，淤泥在吹填上岸后表面會逐漸干化和固結，但是在內部仍然是流質狀的淤泥。

（2）土工管袋脫水法。土工管袋脫水法是在底泥自然干化法的基礎上演變而來的，處理原理為：利用土工帶徑孔的過濾功能，通過添加適量的凈水藥劑用以分離泥水，管袋中留存淤泥，而水滲出管袋外。需要注意的是，因為底泥滲透系數較低，若使用土工管袋法需要較長的脫水工期，因此適用于氣候干燥、工期及占地要求低、周邊環境衛生狀況良好的地區。

（3）真空預壓法。真空預壓法主要是通過在地面上覆蓋一層密封膜來進行真空抽取，此時膜內外會產生氣壓差，而這種氣壓差會提升底泥的固結力。換句話來說，這一處理方法是在保持總應力不變的前提下，通過減小孔隙水的壓力來增加有效應力的一種脫水方法，不僅能夠有效縮短底泥固結的周期，而且固結后的底泥承載力相對較高，但也存在容易二次泥化的局限性。

（4）淤泥機械脫水法。淤泥機械脫水法主要作用是可以改善淤泥的透水性。在應用淤泥機械脫水法過程中，主要利用專用的壓濾脫水機進行淤泥的高壓施壓，目的是實現泥水分離，進而實現淤泥脫水干化。一般經過脫水后的泥餅，其含水率在30%~60%，有著較高的脫水率，而且環保，后續也不需要對泥餅進行養護處理，可直接資源化利用，但這一方法的脫水固化單價相對較高。

2.2 處理方法優化

在河道底泥處理過程中，絞刀頭在水中的轉速有著至關重要的作用。在完成垂直角度和水平角度傳感器安裝并疏浚后，由于被疏浚的泥沙及其重金屬混合物具有形態小和輕的特性，所以在水流和挖掘作業時，可能還未通過吸泥管進入設備中，就已經擴散到相鄰的水體中，進而引起二次污染問題。為此，也需要對河道底泥處理方法進行優化設計。由于在底泥疏浚及處理過程中，絞刀裝置為主要是銜接裝置，為避免河道泥沙含量較多，以及出現河道底泥污染擴散的問題，就需要對其進行優化設計。

在絞刀裝置優化設計過程中，需要充分考慮絞刀裝置在水中作業時的轉速，由于絞刀頭內的水流速度是不斷變化的，但無論是哪一種轉速構成的水流變化部分，均要比平均切向速度要小。當距中心線徑向距離為r時，絞刀頭的切向速度：

其中：w為絞刀頭的轉動角速度。

在此基礎上，可進一步推算出水體壓力和速度之間的關系，即：

其中，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。

式中，由于壓力與絞刀外界邊緣線相貼近，其呈現出逐漸遞減的趨勢，所以最終徑向壓力梯度會得出負值；由此可得知，作用于流體體積的作用力為：

式中，Fr是作用于流體的要素之一，可讓流體充分受力于絞刀頭，從而避免擴散。

3 實驗分析

3.1 實驗對象

本次實驗以某段河流為實驗對象，并以脫水后含泥率及重金屬含量為實驗指標，在此基礎上設定實驗參數進行分析。

3.2 實驗方法及裝置

在本次底泥脫水干化實驗過程中，選取兩種常規的疏浚處理方式作為參照組，其實驗裝置采用板框壓率裝置。實驗組為本文提出的優化后的疏浚處理方式。在實驗過程中，使用相同規格型號的疏浚船，并通過燒杯攪拌實驗，進行底泥化學調制劑粗篩，之后以分子量為11 000的陽離子PMA機械脫水。對照參照組，實驗組裝有角度傳感器，其余條件設置一致。

3.3 結果對比

圖1為三種疏浚處理方式脫水后含泥率及重金屬含量的對比情況，觀察圖2可得知，相比較傳統的疏浚技術，本文中提出的疏浚方案，在脫水后的含泥率明顯要高，且隨著脫水時間的增加，其含泥率可達80%以上。同時，對比脫水后的重金屬含量，本方案提出的處理方法也比傳統處理方法要優，重金屬含量超過了60%。

圖1 三種疏浚處理方式實驗對比情況

4 結論

隨著經濟的快速發展，也一定程度上加劇了環境污染問題的發生，其中河道底泥污染問題較為突出。而由于河道底泥中含有大量難以分解的重金屬和有機污染物，傳統的疏浚技術，難以滿足污染底泥疏浚的要求。因此，為彌補傳統疏浚技術及其處理方式的不足，就需要在原有的技術基礎上進行優化調整。本文所提出的優化方案，主要是在反鏟絞刀架和絞刀軸上安裝垂直角度和水平角度的傳感器，目的是實現對疏浚精度的有效控制，同時，在優化絞刀裝置設計的基礎上，對絞刀頭轉動角的臨界值進行計算，目的是降低絞刀轉動時對底泥造成的擾動，進而避免污染底泥擴散。最后結合具體的實驗，對本文中提出的疏浚處理技術的應用效果進行驗證，得知優化后的疏浚技術及處理方式，其脫水后的含泥量和重金屬含量較高，不僅能夠有效改善河道底泥疏浚的效果，而且還能夠有效控制污染底泥過度懸浮擴散。