深水负压清淤研究和应用

王仲禹,侯 乐

(1.中电建水环境治理技术有限公司，广东 深圳 518000；2.中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450000)

1 背景及意义

目前，生态清淤技术一般使用气力泵对水下进行清淤和河道疏浚，通常泵体设有三个泵筒，在每个泵筒底部有一个进泥口，进泥口前装有吸泥头或接管。现有的气力泵设有两个工作状态，即首先把淤泥吸入泵筒，然后通过管壁进口阀门导入高压气体将淤泥再输送至指定地点。现有的清淤设备简陋，施工麻烦，环保指数低。

本文通过对真空气力泵进行反复研究，自制负压清淤管即可达到水下清淤的目的，施工简单，不仅能够在环保无污染的要求下清理水库底部的悬移质和推移质，同时在试验中能够通过改变清淤管管径和端头的滤网规格达到对不同粒径石料的清理作用，可应用于不同粒径的水下砂石开采，而效率与气力泵不相上下。通过研究，提出在不同水深条件下清淤管的各项详细技术参数，包括清淤管管体直径、理论风压、供气室规格、进气孔规格以及进水孔规格与清淤效率之间的关系，在清淤和抽砂施工中得到了应用。

2 负压清淤的主要技术指标

2.1 技术原理

淤泥在水的静压和进气孔向上排气所形成的真空负压下不断被压(吸)入清淤管，在清淤管内进气孔以下部位通过与水混合并不断向上移动，在通过进气孔以后，则是在高气压的作用下向上顶起通过整个清淤管到达指定位置。

2.2 技术方案

通过不断研究和试验验证，选择使用单根长度不大于6m、直径273mm、管壁厚9mm焊管做清淤管，清淤管通过法兰连接清淤部位至水面，再通过同直径软管连接至岸坡上的沉淀池。水面上设有小型动力船一只，以便随时移动清淤管。在陷入淤泥的清淤管端部使用钢筋焊接滤网，用于控制进入管口的泥沙粒径，根据要求滤网钢筋间距不大于150mm，可输送粒径不大于150mm的砂石。在清淤管4.5倍管径部位安装供气室，供气室为6mm钢板焊接一个环形筒，其上设供气口，连接风管至空压机。在环形供气室内部清淤管管壁上等距布置D10@50mm进气口，进气口应与管壁形成不小于30°的夹角，以便风源进入清淤管以后向水面方向移动在进气孔底部更好地形成负压。在管口和进气口2/3位置围绕清淤管布置一圈进水口，进水口孔口直径为10mm，间距120°。清淤管结构如图1所示。

图1 清淤管结构

2.3 技术特征

根据不同的水深所形成的水静压力，需要提供不同压力的风源。清淤管内部的进气孔孔径和间距、方向和进水孔的孔径都和泥沙抽取效率有关。本文通过理论研究和不断的实践经验，在57m水深条件下，使用直径273mm、管壁厚9mm清淤管，并在4.5倍管径部位安装供气室和进气口，同时要求进气口沿管壁一圈平均布置，并在管口和进气口2/3位置围绕清淤管布置一圈进水口。进水孔口的面积、风压与清淤效率密切相关，此套系统布置的进水口孔口直径为10mm，间距120°。

2.4 总体性能指标

本套系统在使用0.9MPa压力20m3/m空压机条件下，每小时抽出总量不小于400m3，其中固体物含量20%，抽出最大石块粒径150mm。

2.5 研究试验内容

通过试验，得到两种规格管径在不同水深条件下的相关参数，见表1。

如表1所示，在使用直径219mm、管壁厚6mm钢管作为清淤管时，由于没有在进气口与进泥口之间设置进水口，当清淤管在自重作用下深陷淤泥时，管道内没有足够水与淤泥混合，导致清淤困难，甚至出现堵管现象。将清淤管稍微向上提一定距离后，即可见到大量泥沙混合水流出，但是在具体施工中却很难保证管头随着泥沙表面不停移动，为此，需要增加一定量的水进入管道并与淤泥混合；另外，进气孔间距过大，而且直径也大，导致经济效率偏低。

在对相同管径增加进水口并减小进气口的直径和加密进气口以后，看似很顺畅，但流出的都是水，说明进水孔太大，抽出的大部分都是从进水口进入的水。在这种情况下，使用直径273mm、管壁厚9mm的钢管作为清淤管，并减小进水口直径，同时减小进气口的间距，发现抽出的固体含量有了一定幅度的上升。为此，对整个清淤管进行了优化，在进一步减小进水口直径的同时，把进水口适当向进风口方向移动，同时进一步减小进风口直径至10mm，并向上倾斜30°，在保持压力不变并在53m水深条件下试验，抽出方量达400m3/h，固体含量在20%左右，效果较好。

2.6 项目的先进性和创造性

由于国内外施工对环境要求一直都在提高，而生态清淤要求在清淤过程中悬移质和漂移质不对周边水域形成污染。负压清淤技术能够很好解决环境问题，在抽取泥沙的同时，也吸取了清淤管周边被污染的一部分污水，在环境上完全达标。目前国内普遍采用的机械及清淤泵清淤，都会有废气产生，而深水负压清淤技术巧妙利用水的静压和进气孔向上排气所形成的真空负压作用，没有废气的产生，环保方面有了极大的提高。

通过创造性地在气力泵的基础上，提出在进风口以下和以上分别通过负压和正压“吸”和“吹”的概念，使整个输送过程同时完成。

3 应用案例

3.1 工程概况

赞比亚伊泰兹水电站工程位于赞比亚中心省莫秋市伊泰兹区，大坝位于赞比西河和凯福河交汇点上游295km处，是在原有伊泰兹水库的基础上新建的水力发电工程。新建引水发电工程位于大坝右岸，是在原有进水口及南导流洞的基础上扩建引水系统和调压井并引水至坝后地面厂房，装机容量为2×60MW。

工程包括了对进水口50m宽度200m长度范围的引渠进行清淤的要求。根据现场实际情况，进水口引渠底部高程为978.00m，施工期间水深45～55m。根据水下摄像观测，引渠底板面上有一层300～600mm厚度的长期淤积层，该淤积层为泥沙夹杂着不同粒径的小石块。

表1 清淤管技术指标

3.2 材料与设备

清淤系统的材料设备清单见表2。

表2 材料设备清单

3.3 方案设计

本项目采用自制负压清淤系统进行清淤施工。经过沉淀以后上部的水可以直接流入水库，底部的泥沙使用自卸车运输至指定地点。根据现场实际情况，需要制作一套负压清淤管，一条用于支撑负压清淤管并带有动力装置的浮船，一个浆砌石泥沙沉淀池以及配套的安全设施。

(1)清淤管设计

使用直径273mm、管壁厚4.5mm的法兰连接钢管为水下部分的清淤管，管子总长度55m，管子底部末端使用直径25mm钢筋焊接成网状收缩结构，以防止堵塞。在距底部1.4m位置使用8mm厚度钢板焊接一个进气室，上部留有进气孔与来自水面的50mm供气管连接。在进气室里边直径273mm钢管管壁一圈钻有直径12mm～50mm的通气孔，用于高压供气通过进气室进入清淤钢管内形成负压。

清淤管顶部焊接有两个吊耳，浮船上安装型钢和手动葫芦配套的起吊装置，用于支撑和移动清淤管，并在顶部安装一个90°弯头，连接同直径软管至河边的沉淀池。同时，伴随清淤管安装直径50mm供气管，供气管每2m处与清淤管连接在一起，供气管从岸边的20m3空压机直至清淤管底部的供气室。

(2)清淤船设计

根据现场条件，经过计算，清淤船自重10t，清淤管及人员等荷载总计6t，满载总重为16t，清淤船满载排水量为25t。

清淤船使用3mm厚度钢板和L70、L50角钢制作成长条形浮箱体共四个。每个浮箱体体积为6.4m3，合计25.6m3。使用160mm槽钢连接成一个船体，连接后的船体规格为9.5×3.5m。并在船体上铺设50mm厚度木板作为甲板，四周使用T25mm钢筋焊接栏杆，船体中央位置预留一个约1m×1.2m的孔，两侧使用160mm槽钢焊接门型支撑系统，并安装一个手动葫芦用于清淤管的起吊和移动。清淤船的动力系统采用一台1.5kW柴油机带动螺旋桨的方式移动船体。

(3)沉淀池设计

沉淀池使用浆砌石结构，沉淀池容量为200m3。来自清淤软管的混合水流入沉淀池，并在沉淀池内布设一个溢流管口接至水库中。

3.4 工艺流程及方法

工艺流程：根据清淤内容制定清淤方案及图纸→清淤设备制作和安装→清淤船下水→清淤试验→根据试验结果完善清淤系统→清淤系统试运行→开始清淤施工。

(1)清淤船制作

清淤船制作在车间进行，首先进行清淤船结构主体桁架焊接，然后焊接外侧钢板。在外侧钢板焊接完成以后，需要对焊缝进行渗透试验，发现有渗透试验不合格焊缝的，应及时处理直至渗透试验合格。四个清淤船浮箱完成制作以后，交由现场进行系统安装。

(2)系统安装及试运行

系统安装主要包括清淤船现场安装、清淤管路系统安装、高压风系统安装、沉淀池施工等项目。当所有系统项目完成安装和施工具备施工条件以后，开动空压机并向清淤管输送高压风开始试运行。试运行期间能够顺利输出不大于管口直径的石头和淤泥，即满足施工要求。如图2所示。

(3)淤泥清理

每完成1m×1m范围移动一次清淤船，并通过手动葫芦移动清淤管，每次清淤直至无石子和淤泥通过管口流出为宜。

(4)沉淀池淤泥外运

当沉淀池淤积大量泥沙时，使用反铲装载自卸汽车运输至业主指定的淤泥存放地点。

3.5 操作要点

(1)通过不断研究和试验验证，确定清淤管直径、风压、供气室位置、进气孔和进水孔直径、方向及位置。

(2)提前选好清理出来的淤泥及石渣排放位置，一方面考虑环境污染问题，另一方面考虑减少再次搬运问题。

(3)清淤时要做好清淤船操作人员与清淤终端观察员的通讯联系，出水变清且无石渣时及时通知清淤船操作人员更换位置，合理利用资源，提高效率。

(4)清淤船移动更换位置时，必须提升清淤管，使清淤管终端高出底板面一定距离，避免清淤管折断事情发生。

(5)清淤船停止工作时应固定好清淤船及清淤管，避免清淤管因风浪作用折断。

3.6 质量安全措施

(1)由于水面之上不好判定方向及位置，做好清淤范围标志及每次清淤位置记录，以便清淤工作能够全部覆盖。

(2)每个清淤点直到清淤管终端出水变清且无石渣5分钟后视为该位置清淤结束。

(3)相邻清淤点间距控制在1.5m以内，确保没有清淤盲区的出现。

(4)清淤结束以后，利用水下摄像头进行抽样检查，如不合格应进行第二次覆盖性清淤。

(5)清淤管之间需连接牢固，避免清淤船移动、风浪等作用致使清淤管折断。

(6)清淤船要做好防腐工作，并不间断对清淤船进行全面检查，防止清淤时船体漏水现象发生。

(7)清淤施工作业时，清淤船之上施工人员属于水上作业，必须穿救生服。

3.7 应用成果

赞比亚伊泰兹水电站项目自制25t排量的自行式清淤船和53m水下负压清淤系统，并自行设计了淤泥沉淀过滤终端，整个系统维护简便，操作简单，两人便可完成全部操作任务。此系统水下清淤不仅能够在环保无污染的要求下清理水库底部的悬移质和推移质，同时在试验中能够通过改变清淤管管径和端头的滤网规格达到不同粒径石料的清理作用，较好完成合同规定进水口引水渠的清淤内容，解决了项目上难点，并得到业主和监理方的认可。本项目深水负压清淤项目获得中国水利水电第十一工程局有限公司科技进步二等奖，河南省水力发电工程协会中原水力发电科学技术进步三等奖，国家知识产权局实用新型专利。

4 结语

通过反复研究和多方论证，将深水负压清淤成功地用于伊泰兹水电站项目中。此清淤系统可以在施工现场制作，节省了大量成本。该系统操作简单、易于维护、环保无污染，同时在试验中能够通过改变清淤管管径和端头的滤网规格达到不同粒径石料的清理作用，特别是可以用于水深较大而且要求抽出粒径范围也比较大的情况，为以后工程中遇到的类似问题找到良好的解决方法。由于工作原理的差别，相比较气力泵清淤，深水负压清淤不足之处在于固体含量偏低，从而会影响其工作效率。