城市河湖罩吸清淤船清淤施工工法

张关超 刘存辉 王 茵

(北京河沐生态科技有限公司，北京 102206)

1 概 述

传统的河湖淤泥疏挖大多采用围堰抽水，挖掘机、自卸汽车运输，弃料场地自然堆放。传统的清淤方式造成了水资源与土地资源的极大浪费，对生态环境的破坏也较为严重，在运输的过程中还容易造成二次污染，环保、文明施工等问题突出。

城市河湖清淤项目由于其施工环境有以下特点：ⓐ河道两侧作业空间狭窄，土地资源受限；ⓑ城市河湖有很多影响清淤作业的附属建筑物，如人行桥、天桥等；ⓒ城市河湖水质标准高，清淤作业中对水质要求高，不能扰动水体，造成二次污染；ⓓ清淤作业点一般地处城市繁华地区，作业时既要保证水质、景观等要求，又不能影响附近居民的正常生活，环保、文明施工要求高；ⓔ城市河湖的水位可控；ⓕ城市河湖由于其运行特点，淤泥分布不均，城市河湖清淤一般为局部清淤。

鉴于城市河湖清淤项目的特点，城市河湖清淤需要小体量的环保型清淤体系。“城市河湖罩吸清淤船清淤施工工法”，解决了一系列施工问题。

2 工法特点

a.采用罩吸船进行清淤，具有一般带水清淤工艺的特点：清淤过程无须排干水体，不影响河湖正常功能及过流断面，清淤过程对水体生态系统干扰小，对周边环境影响小。

b.在“北方河湖带水清淤与淤泥脱水施工工法”的基础上进行了改进，具有一般带水清淤与淤泥脱水技术的特点，即占地面积小，对周边环境影响小，处理淤泥范围广，能耗少，操作简单，淤泥消纳量少且泥饼含水率60%以下等。

c.针对城市河湖水景观要求高、不能降水清淤的特点，研发了新型罩吸清淤技术，解决了带水清淤对水体污染、清淤有“死角”、易漏挖等问题，装置及工艺系统实用性强，具有创新性，已在北京市城市河湖多条河道清淤工程中应用，效果良好，具有推广应用价值。主要创新点如下：ⓐ采用罩式垂直上吸清淤头，将罩壳内部的水体和外面的水体隔开，避免清淤时造成水质恶化；采用立轴水平绞刀，清淤时转轴与河床垂直，切削面与河床平行，从而不会破坏河湖硬化底结构，适用性优于常规绞吸装置；ⓑ清淤船采用四桩定位，船体稳定性高；采用液压倒桩系统实现定位桩自主收放，便于转场；采用多关节液压臂灵活操控，降低了船体移动频率；ⓒ罩吸清淤船设置了GPS系统和高程测算系统，可根据清淤轨迹信息实现精确复位，避免产生漏挖，保证了清淤质量，提高了清淤效率。

3 适用范围

针对城市河湖的特点和清淤需求，本工法采用的取泥设备为罩吸清淤船，能够在空间有限的城市河湖中实现高效环保的清淤施工，特别适合城市河湖清淤项目。

本工法的适用条件为：水深1.0～3.5m；淤泥厚度不小于0.15m；水面宽度不小于6m。

4 工艺原理

本工法采用罩吸清淤船作为带水清淤系统的取泥设备，施工体系包括取泥系统、预处理系统、脱水干化系统、尾水处理系统。

取泥系统主要是罩吸清淤船，工作原理是其装有绞刀、泥泵和吸泥装置，依靠绞刀的转动翻动底部的浓稠泥浆，再用泥泵将泥浆从吸泥管吸入，经过排泥管送到岸上。

泥浆预处理系统主要包括筛分机、泥浆浓缩箱、加药箱、余水沉淀箱。泥浆通过管道输送运送到岸上的预处理系统，通过筛分机、泥浆浓缩箱、加药箱等对泥浆进行预处理，筛分掉泥浆中掺杂的垃圾等沉积物，然后进行加药预处理。

泥浆脱水系统主要装置为带式压滤机，通过压滤脱水形成泥饼。

尾水处理系统主要装置为尾水沉淀箱，上清液流入尾水沉淀箱进行沉淀，达标后排放。

4.1 罩吸头

罩吸清淤船采用罩式垂直上吸清淤头，将罩壳内部的水体和外面的水体隔开，避免清淤时造成水质恶化；采用立轴水平绞刀，清淤时转轴与河床垂直，切削面与河床平行，从而不破坏河湖硬化底结构，适用性优于常规绞吸装置。

罩吸头一般采用圆形罩壳，上口直径小、封盖，下口直径大、敞口，上盖设置挂载吊环以连接清淤船液压臂，罩壳侧面设置竖直向上的泥浆管，壳壁底口为锯齿牙。罩壳内设置液压马达驱动绞刀(见图1)。

图1 罩吸头结构图和实物图

泥浆管与清淤船舱室内安装的泥浆泵连接，由泥浆泵将泥浆送出。施工时，罩头紧贴河底，罩头内、外水体隔开，通过液压马达驱动罩内绞刀，搅动淤泥，形成泥浆，再由泥浆泵将罩内泥浆抽走。施工中对罩壳外面的淤泥不会产生扰动，对周围水体影响较小，有效减少了清淤作业时悬浮颗粒或污染物在水中扩散造成的污染。

4.2 定位桩

罩吸清淤船采用定位桩支撑稳定船体。在清淤船的前后两侧设置四个对称的定位桩，采用液压系统驱动定位桩起落，平衡船体，作业时船体稳定(见图2)。

图2 罩吸清淤船四桩定位示意图

转场运输时，定位桩需要放倒；进场施工前，定位桩需要立起。为了提高工作效率，每个定位桩都配置一套倒桩专用液压系统(见图3)。

图3 罩吸清淤船倒桩动作示意图

4.3 液压臂

罩吸清淤船采用三关节液压臂，以液压系统驱动关节动作，带动罩吸头上下、左右、前后移动，作业操作灵活，可以实现清淤“无死角”(见图4)。

图4 液压臂多关节液压系统示意图

4.4 信息化辅助系统

罩吸清淤船配置GPS系统和高程测算系统，显示清淤轨迹和高程，辅助操控，可根据清淤轨迹信息实现精确复位，避免产生漏挖，保证了清淤质量，提高了清淤效率。

5 施工要点

5.1 施工流程

城市河湖罩吸清淤船清淤施工工法施工流程如图5所示。

图5 施工流程

5.2 操作要点

5.2.1 清淤条块单元划分

清淤船在河水流速大于0.5m/s时逆着水流作业，即从下游开始清淤、向上游推进。采用逆流作业时，控制高程要比设计高程低0.05m，即向下多挖0.05m。河水流速小于0.5m/s时，推进方向不作要求。

清淤区域的宽度大于清淤船摆臂有效宽度时，把清淤区域划分为多个纵向的清淤条块。每个清淤条块内再划分清淤单元(见图6)。

图6 清淤条块单元划分示意图

5.2.2 清淤船进场

清淤船运输时，把定位桩放倒，平放在船上(见图7)。

图7 罩吸清淤船运输状态示意图

清淤船运输状态总长14.5m，宽3.5m，高3m，使用半挂车运输。

根据设备重量，考虑吊车的作业能力和利用率，一般情况下可以选用一台80t级汽车式吊车进行清淤船吊放。

5.2.3 移船

清淤作业前，需要移船至清淤条块的起点。

移船方法如下：

a.清淤船由人工拉纤牵引进入下一个清淤单元，然后利用DGPS平面定位系统，找寻设计的清淤单元起始挖泥点，然后落下定位桩。

b.操作液压臂将清淤吸头调整至挖槽中线，放下吸头到达淤泥面，观察GPS轨迹图确定船位。

c.操作液压臂，将吸头放至挖槽左/右边线处放下，观察GPS轨迹图确定左右摆动界线。

d.操作液压臂，将吸头移至挖槽中线并下落到水底，调整定位桩把船定位牢，即可施工作业。

5.2.4 清淤作业

清淤船利用四根定位桩固定船位，在每个船位完成一个清淤单元作业。

罩吸头进行扫床清淤作业时，横向有效宽度为6m。通过操控液压臂上的三个关节液压缸，在船位不动的情况下，可以实现清淤吸头前后进退，距离为2m。每个清淤单元有6道圆弧轨迹，中心间距0.4m。如图8～图10所示。

图8 扫床轨迹编号示意图(1层清淤情况)(单位：m)

图9 扫床轨迹编号示意图(2层清淤情况)(单位：m)

图10 扫床轨迹编号示意图(3层清淤情况)(单位：m)

本工法适用清淤厚度为0.15m以上。罩吸清淤船的最大单层清淤厚度为0.2m。根据清淤厚度的不同，扫床作业有以下两种情况：

a.需要清淤的厚度为0.15～0.6m。在一道轨迹线上完成多层扫床清淤作业，再移至下一道轨迹线。分层数量和厚度见下表。不同分层情况下的轨迹线如图8～图10所示。

分层数量和厚度参考值表

b.需要清淤的厚度大于0.6m。先按前述情况对整个单元清淤一遍，完成清淤厚度0.6m；然后，调整吸头高程，进行第二遍更深层的清淤；依此类推。

5.2.5 移步

一个清淤单元完成后，清淤船需要移步至下一个单元。清淤船移步方法如下：

a.升起前方左右定位桩。

b.通过台车液压缸收缩实现前进或后退，期间观察台车行程传感器，保持行程不超限。前进及后退时确保前方左右定位桩升起，绞刀头离开水下泥层。

c.当台车行进到末端后，降下前方左右定位桩。

d.升起后方左右定位桩。

e.调整台车复位，期间观察台车行程传感器，保持行程不超限。

通过以上五步循环实现设备的前进或后退。每步最大距离1m，移动2m需要2步。

移步完成后，调整四根定位桩定位深度，确保定位牢固。

6 质量控制

6.1 质量标准

a.《疏浚与吹填工程技术规范》(SL 17—2014)。

b.《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)。

c.《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)。

d.《水污染物综合排放标准》(DB 11/307—2013)。

6.2 质量控制措施

6.2.1 施工测量质量控制

a.测量定位依据点的交接与校测。根据总平面图及测量成果表对控制点的原始依据进行校核；校测控制点(建设单位提供的导线及高程点不少于3个)的距离、夹角及坐标；办理控制点、水准点及相关测量原始资料的交接手续。对移交后的桩点进行妥善保护，防止桩点受到扰动破坏。

b.做好实地踏勘。根据已有控制点的位置，首先了解标识和标志的位置，然后结合工程性质及地形情况初步选定加密点的位置；核查原有地形图是否与现有地物、地貌相一致，为控制网图的设计做准备。

6.2.2 挖槽宽度控制

清淤船作业必须严格按照开挖标志进行定位和施工，并应经常校核和调整船位；操作人员必须熟悉施工图纸，了解开挖的精度，掌握船舶的横移速度，选择合理的对标位置和挖宽；操作人员对开挖标志有疑问或发现有错误时，应及时向施工技术人员或测量人员反映，由测量人员进行复核或校正。

6.2.3 挖槽深度控制

施工前必须正确记录测量人员所设置的水位标尺读数，并严格按照水位标尺进行挖槽深度控制；施工前应检查、校正清淤船上的挖深指示尺，使罩吸头最低点至水面的垂直距离与挖深指示尺读数一致。挖深指示尺的零点可定在清淤船的实际吃水线上，当清淤船上的荷载以及水位发生变化时，应及时计算出挖深改正值，并调整罩吸头的下放深度；对已挖部分要随即进行水深测量，发现欠挖超过允许值时，应及时推船处理。

6.2.4 河水扰动质量控制

本工法清淤施工采用的是罩吸式清淤船，罩吸头可以将周围水体隔离开，减少了对周围水体的扰动。罩吸头提升至水面、沉入水底及移动过程中要做到缓升、缓降、缓移，避免移动幅度过大而造成周围水体的扰动。

7 效益分析

7.1 经济效益分析

本工法采用环保罩吸船进行带水清淤，较传统的环保清淤方式，具有节能、环保的优点，可以节省工期、人力、物力等，节省了施工费用，具有良好的经济效益。

通过该工法的成功应用，为北京市城市河湖清淤和水质应急处置工程共计节约成本181831.92元；为2022年北京市城市河湖清淤工程共计节约成本147684.40元。

7.2 社会与生态效益分析

本工法采用环保罩吸船进行带水清淤，较传统的环保清淤方式，具有节能、环保的优点，可以节省工期、人力、物力等，节省了施工费用。该工法适用于城市河湖清淤，提高了抽取泥浆的浓度，提高了施工连续性和施工效率，减少了对周围水体的影响范围和影响时间，实现了“四节一环保”的目标，具有一定的代表性，值得研究和总结，供类似工程借鉴。