绞吸挖泥船新型环保绞刀设计

郭志勇，杨建华，陈九肖

（中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津 300457）

0 引言

随着我国经济的持续快速发展，环境问题越发凸显，尤其是各大江河湖泊的污染更是触目惊心。因此，环保疏浚势在必行，而环保疏浚不同于普通的工程疏浚[1]，它是将常规施工中的疏挖行为与水土护理、生态重建、环境整治和资源利用等环保内容相结合，通过综合治理，最终实现清除湖泊污染内源和创造有利于生态恢复条件的双重目标[2]。

为了提高环保疏浚的效率，好的疏浚装备必不可少，世界上第一台环保疏浚设备是1969年由意大利PNEUMA公司研发的气力泵挖泥船[3]，随后，荷兰IHC公司、BOSKALIS疏浚公司、HAM公司和国际上其他疏浚公司分别成功地研制出带罩式环保绞刀、立式圆盘环保绞刀、螺旋环保绞刀和挂扫吸头等多种环保绞刀[4]。这些环保型绞刀虽然都具有防止污染底泥泄露和扩散的功能，但实际使用过程中也存在着一些问题，如吸口位置不合理，扩散罩开度不可调，大量使用油脂润滑轴承，易产生二次污染。

本文通过对环保疏浚施工过程的分析研究，并结合已有环保绞刀施工过程中出现的问题，设计出一款新型环保绞刀。该新型环保绞刀实船试验后，取得不错的使用效果，显示出广阔的应用前景。

1 研究内容及技术难点

1.1 主要研究内容

以减少环保疏浚施工中的二次污染，提高环保施工效率与疏浚精度为研究方向和主要内容开展新型环保绞刀的优化设计，并通过现场实物试验对研究成果进行验证。主要研究内容如下：

1）环保绞刀在污染底泥挖掘过程中二次污染扩散机理与有效预防技术；

2）环保绞刀防杂物堵塞与快速清理杂物技术与装置；

3）环保绞刀一次挖泥深度控制技术与装置。

1.2 技术难点

1）二次污染机理研究

由于环保疏浚中所疏挖的对象一般是较松软的污染底泥，有时还是处于半流动状态的淤泥，此性质的污染底泥本身具有易扩散性，另一方面，影响二次污染的因素很多，如疏浚过程中挖泥绞刀的旋转、船体的左右摆动和前移、泥泵吸入性能等都和二次污染密切相关。

2）可调挖泥深度的结构设计

一般环保绞刀一次挖泥深度为固定值，要做到一次挖泥深度可调，不仅需要对绞刀结构做大的调整，还要增加必要的机械装置，而绞刀外形尺寸、重量以及动力传动方式等还要受现有挖泥船的制约。

由此看出，对二次污染机理的研究以及可调挖泥深度的结构设计，具有研究复杂程度高、设计难度大的特点。

2 环保型绞刀设计

2.1 设计原则与思路

依托天津航道局“浚湖”号环保挖泥船，在维持现有环保绞刀驱动液压马达功率以及环保绞刀基本外形尺寸不变的前提下，环保绞刀将根据以下思路进行设计：

1）针对国外进口环保绞刀存在的问题，新研制的环保绞刀将对泥浆吸入口结构重新设计，以增加泥浆吸入性能；

2）设计挖泥厚度可调装置，根据工程需要调节一次挖泥厚度；

3）对绞刀片的结构进行改进，增加其抗冲击强度；

4）采取新的技术，降低环保施工中的二次污染。

2.2 防扩散罩结构与作用原理

相对进口环保绞刀，新型环保绞刀防扩散罩将以往的整体结构改进为三部分，主体部分是薄钢板和加强筋板焊接结构，在其上设计了液压缸支撑座。此部分的作用一方面起到绞刀挖掘过程中阻止污泥扩散作用，另一方面还是绞刀刀片、液压马达、传动轴等的支撑结构。另外，在防扩散罩左右两侧设计2个活动挡水板，该挡水板为曲面形状，通过铰链与防扩散罩主体结构连接。每个挡水板由1个液压缸驱动完成开启和关闭动作，液压缸一端通过销轴和挡水板连接，另一端也通过销轴和防扩散罩上部的轴承座连接。这样，当其在完全闭合状态时与防扩散罩配合形成一个整体结构，起到防扩散作用，当其在开启状态时污泥由此进入绞刀内部，见图1。

图1 新型环保绞刀动作原理图Fig.1 Operating principleof the new type environmental cutter

在实施疏浚过程中，根据需要疏挖的泥层厚度，可预先设定挡水板的转动角度，使挖泥一侧的挡水板抬起的高度符合一次挖泥厚度。例如当环保绞刀向右摆动时（见图1），由设置在船舶操纵室内的按钮控制液压缸收缩，将右侧挡水板抬高至所需高度H，这时绞刀刀片伸出防扩散罩的高度亦即绞刀挖泥深度H。绞刀刀片由液压马达（序号7）驱动下做旋转运动，刀片的旋转运动和绞刀向右的摆动使右侧的泥面不断被挖下并由绞刀内部的吸口吸入。在右侧挡水板抬起的同时，液压系统控制环保绞刀左侧的挡水板下放同样的高度，这样就控制了左侧进入绞刀的水量，从而达到提高挖泥浓度的目的。

3 试验成果

该新型环保型绞刀安装到“浚湖”号挖泥船上，在无锡太湖现场进行实际挖泥试验（图2），通过大约2个月的现场试验，该绞刀运转正常，挖泥效果较原绞刀有显著提升，主要表现在以下几个方面：

图2 现场施工照片Fig.2 The site construction photo

1）挖泥浓度大幅提高

对同一工地施工使用不同类型绞刀挖泥船排出的泥浆进行采样实测浓度（见表1），其中A样是与“浚湖”号同类型环保船排出的泥浆，B样和C样是“浚湖”号挖泥船安装新型环保型绞刀后排出的泥浆，其中B样没有使用液压调节装置，C样使用了液压调节装置。

表1 挖泥浓度实测结果Table 1 The measured resultsof dredging density

2）挖泥平整度提高

水深测量结果表明，新型环保型绞刀的挖泥平整度较原绞刀明显提高。

3）挖泥时间利用率提高

使用新型环保型绞刀后，绞刀头堵塞频率明显减小，且堵塞后易清理，挖泥时间利用率明显提高。

4 结语

该环保型绞刀的使用，既可提高环保施工的挖泥浓度和挖泥精度，又减少了环保疏浚施工过程中的二次污染，挖泥浓度的提高可减小堆场容积和堆场建设费用以及堆场余水处理费用，该环保型绞刀具有广阔的应用前景。

[1] 莫孝翠，杨开，袁德玉.湖泊内源污染治理中的环保疏浚浅析[J].人民长江，2003，34（12）：47-49.MOXiao-cui,YANGKai,YUANDe-yu.Analysison environmental dredgingfor inner pollution regulation of lakes[J].Yangtze River,2003,34(12):47-49.

[2]张建专.绞吸式挖泥船环保清淤刀具的设计与模拟试验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.ZHANG Jian-zhuan.Design and simulation test of environmental conservation clearing silt cutter for cutter suction dredger[D].Harbin:Harbin Engineering University,2007.

[3] 朱玉强.环保疏浚与环保疏浚设备探析[J].水利科技与经济，2010，16（10）：1 118-1 120.ZHUYu-qiang.Analysis on environmental dredging and dredging equipment[J].Water Conservancy Science and Technology and Economy,2010,16(10):1 118-1 120.

[4] 李进军.污染底泥环保疏浚技术[J].中国港湾建设，2005（6）：46-47.LIJin-jun.Technology for environmental dredgingof contaminated bottomsilt[J].China Harbour Engineering,2005(6):46-47.