一种新型环保疏浚与吹填机具研究

张忱

（上海理工大学机械学院，上海 200093）

1 概述

目前在进行环保疏浚与吹填工程中，一般通过挖掘机具将底泥搅松后由泥泵吸入再经管道输送到泥塘内，挖掘机具的种类很多，包括长锥形罩壳式环保绞吸挖泥船、圆盘式挖泥船、扫吸挖泥船、环保抓斗挖泥船、气动泵挖泥船以及螺旋绞刀挖泥船等[1]。泥塘内的吹填余水经处理后排出泥塘外，常用处理方法是采用在余水中加药，但该方法缺点在于工作量及成本较大。吹填余水排放是环保疏浚与吹填工程中一项不断探索和提高的核心技术。

新型环保疏浚与吹填机具采用螺旋绞刀挖掘污染底泥后，经绞刀挤压送入排泥管道内，采用高压水泵喷射水流进行输送，由水泵输出的工作水流将挤压送入排泥管内的底泥直接排放到指定泥塘内，泥塘内的吹填余水经回水管回到高压水泵的进水入口处。整个挖掘、输送过程形成一个全封闭的，无污染扩散的环保疏浚新工艺。

2 新型环保疏浚与吹填机具的研究

新型环保疏浚机具主要由全封闭螺旋绞刀、水力输送装置和回水管道三部分构成（见图1）。全封闭螺旋绞刀的出料口与联接装置相连，而水力输送装置通过管道也与联接装置相连。工作时将全封闭螺旋绞刀与底泥泥面相接触，通过螺旋绞刀前部刀刃旋转切削底泥，被切削底泥经过绞刀内部的挤压后，成膏状送入联接装置，此时水力输送装置提供高速水流通过联接装置将泥沙迅速送入指定排放区。见图2。

图1 新型环保疏浚机具施工设计图

图2 新型环保疏浚机具工作方式

2.1 全封闭螺旋绞刀

2.1.1 绞刀结构

螺旋绞刀装置由两根装有螺旋叶片的转轴、防扩散罩、轴承、齿轮组、驱动装置等构成（见图3）。转轴通过轴承安装在绞刀两端轴承座上，转轴一端的轴头与驱动装置相联。防扩散罩一侧底部和另一侧顶部开有槽口，作为底泥进、出料口。

图3 全封闭螺旋绞刀装置组成

2.1.2 绞刀工作原理

螺旋绞刀工作原理是当螺旋绞刀贴近泥面开始工作时，绞刀切割泥面，并将泥沙送入进料槽口内，此时泥沙受到螺旋叶片法向推力的作用，同时由于该推力的径向分力和叶片对泥沙的摩擦力，带着泥沙绕轴转动，但由于泥沙本身的重力和防污罩对泥沙的摩擦力的缘故，才不与螺旋叶片一起旋转，而在叶片法向推力的轴向分力作用下，沿着绞刀轴向前移动。

2.1.3 绞刀关键参数

1） 转速

螺旋绞刀转速计算公式[1]：

式中：n为螺旋绞刀的转速，r/min；v为螺旋绞刀的圆周线速度，m/s；D为螺旋绞刀的直径。

在室内试验中发现螺旋绞刀转速在80～160 r/min之间，工作效果较为理想。

2）螺旋升角及螺距

螺旋绞刀就功能而言可分为两部分：螺旋绞刀的前部，即和泥面接触部分，其作用主要在于切割、破碎、搅拌泥料，因此这部分绞刀升角可选用较大的升角，一般可选用≤22°～31°；螺旋绞刀的后部，由于要将泥料挤出，因此其作用主要在于挤泥，一般可选用较小的升角≤14°～23°。

螺旋绞刀的螺距作用也是如此，前部搅泥处，导程长度较大，而后部挤泥处，导程长度较小。

3） 挤压推力

螺旋绞刀除了切削破碎泥料以外，还要将泥块挤压推入管道内，因此计算绞刀的挤压推力非常必要。挤压推力计算公式[2]：

式中：σ为螺旋绞刀的挤压推力，kg/cm2；k为功率综合利用系数，一般取值为0.25；p为电机功率，W；s为挤出泥料的截面积，cm2；n为绞刀轴转速，r/min；t为绞刀螺距，cm。

室内试验加工制作的螺旋绞刀总长为1 m，叶片直径为6 cm，绞刀轴直径为2 cm，电机功率为1.5 kW，螺距为7 cm，绞刀转速为120 r/min，通过计算，可得出绞刀的挤压推力在1.1 kg/cm2，螺旋绞刀的截面积为25 cm2，则总推力为27.5 kg，而螺旋绞刀内泥料的本身自重只有6 kg，泥料与绞刀之间的摩阻力较难测得，不过理应不会超过泥料自重。两者相加仍远小于螺旋绞刀的挤压推力。

2.2 水力输送装置

目前大型耙吸、绞吸挖泥船多装备有泥泵，通过泵吸方式将挖掘的泥沙送入排泥管道内，然后抛到指定地点。虽然泥泵作用明显，但是随着疏浚技术不断发展，泥泵的缺点正不断显现。首先泥泵的磨损较大，由于吸入泥沙颗粒经过泵体内部，因此一旦长时间运行，泥泵磨损现象极为严重。其次碰到硬土时效率低，吸入泥浆浓度不高，受制泥泵的真空度，想要大幅度提高已是非常困难，这是制约泥泵发挥更大效率的瓶颈。

针对泥泵存在的不足，现提出一种新的疏浚方式——用水力输送方式代替泥泵。利用水泵提供的工作水流将泥沙送进泥塘。由原来泥泵的吸改为水泵的送，输送性质发生了根本的改变。通过泵送方式，首先使整套设备磨损较小，泥沙与水流一起进入排泥管内，与水泵泵体基本上不接触，因此无需时常维护替换水泵。其次利用水力输砂方式，不受真空度影响，可以根据需输送泥浆的浓度来提高高压水泵的压力，从而可以在任何土质下工作。

输送浆体的高压水泵清水扬程可通过下列公式进行测算[3]：

式中：H为离心泵扬程，kPa；Md为压力表读数，kPa；Ms为真空表读数，cm Hg；Z为压力表传感器测点至真空表测点间的垂直距离，m；V2为排泥管内流速，m/s；V1为吸入管内流速，m/s；g为重力加速度，m/s2。

当水泵进行泥浆输送时可通过下列公式进行换算：

式中：Hm为离心泵泥浆扬程，kPa；HW为离心泵清水扬程，kPa；γm为泥浆密度，t/m3；KH为土质换算系数，按表1选取。

表1 泥泵泥浆扬程土质换算系数

2.3 回水管道

在泥塘的排水口（水门）处布设1根排水管，将泥塘内吹填余水回流到高压水泵进水口处，由于排水口处高度一般高于高压水泵处高度，回水依靠自流方式即可完成。这样疏浚土源源不断被挖掘输送到泥塘内，而泥塘内的吹填余水被重复循环使用，整个装置形成了一个全封闭、无污染扩散的新型环保疏浚施工工艺流程。这样就不但严格控制了余水的排放，而且对余水进行反复使用，极大地节约了治理成本。如果不是吹填，挖泥装舱可采用同样方法取得相同的效果。见图4。

图4 新型环保疏浚与吹填机具工作原理图

3 室内试验概况

按挖泥方量Q为100 m3/h，模型比尺选用λ＝10，设计制作1个小型的新型环保疏浚与吹填机具，并在室内疏浚水槽中开展试验。试验土质选用太湖底泥，试验时先启动螺旋绞刀挖掘泥面，当底泥被绞刀挤压送入管道后，开启水泵进行水力输送，同时横移绞刀进行不间断挖泥，水流将底泥连续不断输送入指定的储泥桶内。在整个底泥挖掘过程中，几乎没有产生因底泥扩散产生的二次污染，而且储泥桶内的底泥呈现为块状或团状，沉降在底部，表层余水含泥浓度很低，完全可以通过回水管道流回高压水泵处，作为工作水循环使用。整个挖掘、输送底泥过程形成了全封闭、无污染扩散的环保疏浚新工艺。

4 现场应用

该项技术已被有关单位在浙江温州地区吹填围堤工程中得到应用，由于在陆上挖泥，采用挖机将泥挖入喇叭箱内，随后通过螺旋输送机将泥挤压进入排泥管道内，再通过高压水泵向排泥管道内注入高速水流输送泥浆进行充填袋筑堤，现场应用证明该项技术较泥浆泵充填袋筑堤技术相比具有充填浓度高、块状物料多、排水固结快等特点，具有较好的应用价值。见图5。

图5 现场应用情况

5 新型环保疏浚与吹填机具的先进性

1）管道输送浓度高，目前环保疏浚输送浓度受船上泥泵与挖泥深度影响，一般在30%以内，采用本装置输送浓度可提高到30%以上。

2）随着进入泥塘内泥浆浓度的提高，泥塘的吹填库容也可减小，减小的幅度可达30%以上。

3）由于泥塘内吹填余水循环使用，可避免泥塘内污染水体流入周边水域，造成二次污染。

4）采用高压水泵水力输送泥土，水泵使用寿命较泥泵相比可大幅度提高。

5）采用螺旋绞刀一类疏浚挖掘机具，具有挖掘平整度好、挤压推力大、防扩散效果好等优点。

6 结语

针对国内现有环保疏浚机具用于环保疏浚工程中出现的一些不足之处，提出挖掘、输送泥浆与周围水域无水体交换的新的环保疏浚理念，采用螺旋绞刀结合高压冲水的全封闭、无污染疏浚机具。该环保疏浚机具结构简单、施工便利、输送浓度高、成本低，是对现有环保疏浚领域中防污染扩散技术的一次创新，该机具可广泛用于我国沿海、沿江、内河、湖泊环保疏浚与吹填工程，具有广阔的应用前景。

[1] 杨尊伟.环保疏浚设备（中国疏浚业发展战略研究）[M].北京：中国疏浚协会，2008.

[2]黄石茂.螺旋输送机输送机理及其主要参数的确定[J].广东造纸，1998（3）：27-31.

[3] 崔丽娟.巧用类比法计算挤出压力[J].砖瓦，2001（2）：34.

[4]JTJ319—99，疏浚工程技术规范[S].