王仲禹,侯 樂

(1.中電建水環(huán)境治理技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000；2.中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000)

1 背景及意義

目前，生態(tài)清淤技術(shù)一般使用氣力泵對水下進(jìn)行清淤和河道疏浚，通常泵體設(shè)有三個泵筒，在每個泵筒底部有一個進(jìn)泥口，進(jìn)泥口前裝有吸泥頭或接管?，F(xiàn)有的氣力泵設(shè)有兩個工作狀態(tài)，即首先把淤泥吸入泵筒，然后通過管壁進(jìn)口閥門導(dǎo)入高壓氣體將淤泥再輸送至指定地點。現(xiàn)有的清淤設(shè)備簡陋，施工麻煩，環(huán)保指數(shù)低。

本文通過對真空氣力泵進(jìn)行反復(fù)研究，自制負(fù)壓清淤管即可達(dá)到水下清淤的目的，施工簡單，不僅能夠在環(huán)保無污染的要求下清理水庫底部的懸移質(zhì)和推移質(zhì)，同時在試驗中能夠通過改變清淤管管徑和端頭的濾網(wǎng)規(guī)格達(dá)到對不同粒徑石料的清理作用，可應(yīng)用于不同粒徑的水下砂石開采，而效率與氣力泵不相上下。通過研究，提出在不同水深條件下清淤管的各項詳細(xì)技術(shù)參數(shù)，包括清淤管管體直徑、理論風(fēng)壓、供氣室規(guī)格、進(jìn)氣孔規(guī)格以及進(jìn)水孔規(guī)格與清淤效率之間的關(guān)系，在清淤和抽砂施工中得到了應(yīng)用。

2 負(fù)壓清淤的主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 技術(shù)原理

淤泥在水的靜壓和進(jìn)氣孔向上排氣所形成的真空負(fù)壓下不斷被壓(吸)入清淤管，在清淤管內(nèi)進(jìn)氣孔以下部位通過與水混合并不斷向上移動，在通過進(jìn)氣孔以后，則是在高氣壓的作用下向上頂起通過整個清淤管到達(dá)指定位置。

2.2 技術(shù)方案

通過不斷研究和試驗驗證，選擇使用單根長度不大于6m、直徑273mm、管壁厚9mm焊管做清淤管，清淤管通過法蘭連接清淤部位至水面，再通過同直徑軟管連接至岸坡上的沉淀池。水面上設(shè)有小型動力船一只，以便隨時移動清淤管。在陷入淤泥的清淤管端部使用鋼筋焊接濾網(wǎng)，用于控制進(jìn)入管口的泥沙粒徑，根據(jù)要求濾網(wǎng)鋼筋間距不大于150mm，可輸送粒徑不大于150mm的砂石。在清淤管4.5倍管徑部位安裝供氣室，供氣室為6mm鋼板焊接一個環(huán)形筒，其上設(shè)供氣口，連接風(fēng)管至空壓機。在環(huán)形供氣室內(nèi)部清淤管管壁上等距布置D10@50mm進(jìn)氣口，進(jìn)氣口應(yīng)與管壁形成不小于30°的夾角，以便風(fēng)源進(jìn)入清淤管以后向水面方向移動在進(jìn)氣孔底部更好地形成負(fù)壓。在管口和進(jìn)氣口2/3位置圍繞清淤管布置一圈進(jìn)水口，進(jìn)水口孔口直徑為10mm，間距120°。清淤管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 清淤管結(jié)構(gòu)

2.3 技術(shù)特征

根據(jù)不同的水深所形成的水靜壓力，需要提供不同壓力的風(fēng)源。清淤管內(nèi)部的進(jìn)氣孔孔徑和間距、方向和進(jìn)水孔的孔徑都和泥沙抽取效率有關(guān)。本文通過理論研究和不斷的實踐經(jīng)驗，在57m水深條件下，使用直徑273mm、管壁厚9mm清淤管，并在4.5倍管徑部位安裝供氣室和進(jìn)氣口，同時要求進(jìn)氣口沿管壁一圈平均布置，并在管口和進(jìn)氣口2/3位置圍繞清淤管布置一圈進(jìn)水口。進(jìn)水孔口的面積、風(fēng)壓與清淤效率密切相關(guān)，此套系統(tǒng)布置的進(jìn)水口孔口直徑為10mm，間距120°。

2.4 總體性能指標(biāo)

本套系統(tǒng)在使用0.9MPa壓力20m3/m空壓機條件下，每小時抽出總量不小于400m3，其中固體物含量20%，抽出最大石塊粒徑150mm。

2.5 研究試驗內(nèi)容

通過試驗，得到兩種規(guī)格管徑在不同水深條件下的相關(guān)參數(shù)，見表1。

如表1所示，在使用直徑219mm、管壁厚6mm鋼管作為清淤管時，由于沒有在進(jìn)氣口與進(jìn)泥口之間設(shè)置進(jìn)水口，當(dāng)清淤管在自重作用下深陷淤泥時，管道內(nèi)沒有足夠水與淤泥混合，導(dǎo)致清淤困難，甚至出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。將清淤管稍微向上提一定距離后，即可見到大量泥沙混合水流出，但是在具體施工中卻很難保證管頭隨著泥沙表面不停移動，為此，需要增加一定量的水進(jìn)入管道并與淤泥混合；另外，進(jìn)氣孔間距過大，而且直徑也大，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效率偏低。

在對相同管徑增加進(jìn)水口并減小進(jìn)氣口的直徑和加密進(jìn)氣口以后，看似很順暢，但流出的都是水，說明進(jìn)水孔太大，抽出的大部分都是從進(jìn)水口進(jìn)入的水。在這種情況下，使用直徑273mm、管壁厚9mm的鋼管作為清淤管，并減小進(jìn)水口直徑，同時減小進(jìn)氣口的間距，發(fā)現(xiàn)抽出的固體含量有了一定幅度的上升。為此，對整個清淤管進(jìn)行了優(yōu)化，在進(jìn)一步減小進(jìn)水口直徑的同時，把進(jìn)水口適當(dāng)向進(jìn)風(fēng)口方向移動，同時進(jìn)一步減小進(jìn)風(fēng)口直徑至10mm，并向上傾斜30°，在保持壓力不變并在53m水深條件下試驗，抽出方量達(dá)400m3/h，固體含量在20%左右，效果較好。

2.6 項目的先進(jìn)性和創(chuàng)造性

由于國內(nèi)外施工對環(huán)境要求一直都在提高，而生態(tài)清淤要求在清淤過程中懸移質(zhì)和漂移質(zhì)不對周邊水域形成污染。負(fù)壓清淤技術(shù)能夠很好解決環(huán)境問題，在抽取泥沙的同時，也吸取了清淤管周邊被污染的一部分污水，在環(huán)境上完全達(dá)標(biāo)。目前國內(nèi)普遍采用的機械及清淤泵清淤，都會有廢氣產(chǎn)生，而深水負(fù)壓清淤技術(shù)巧妙利用水的靜壓和進(jìn)氣孔向上排氣所形成的真空負(fù)壓作用，沒有廢氣的產(chǎn)生，環(huán)保方面有了極大的提高。

通過創(chuàng)造性地在氣力泵的基礎(chǔ)上，提出在進(jìn)風(fēng)口以下和以上分別通過負(fù)壓和正壓“吸”和“吹”的概念，使整個輸送過程同時完成。

3 應(yīng)用案例

3.1 工程概況

贊比亞伊泰茲水電站工程位于贊比亞中心省莫秋市伊泰茲區(qū)，大壩位于贊比西河和凱福河交匯點上游295km處，是在原有伊泰茲水庫的基礎(chǔ)上新建的水力發(fā)電工程。新建引水發(fā)電工程位于大壩右岸，是在原有進(jìn)水口及南導(dǎo)流洞的基礎(chǔ)上擴(kuò)建引水系統(tǒng)和調(diào)壓井并引水至壩后地面廠房，裝機容量為2×60MW。

工程包括了對進(jìn)水口50m寬度200m長度范圍的引渠進(jìn)行清淤的要求。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，進(jìn)水口引渠底部高程為978.00m，施工期間水深45～55m。根據(jù)水下攝像觀測，引渠底板面上有一層300～600mm厚度的長期淤積層，該淤積層為泥沙夾雜著不同粒徑的小石塊。

表1 清淤管技術(shù)指標(biāo)

3.2 材料與設(shè)備

清淤系統(tǒng)的材料設(shè)備清單見表2。

表2 材料設(shè)備清單

3.3 方案設(shè)計

本項目采用自制負(fù)壓清淤系統(tǒng)進(jìn)行清淤施工。經(jīng)過沉淀以后上部的水可以直接流入水庫，底部的泥沙使用自卸車運輸至指定地點。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，需要制作一套負(fù)壓清淤管，一條用于支撐負(fù)壓清淤管并帶有動力裝置的浮船，一個漿砌石泥沙沉淀池以及配套的安全設(shè)施。

(1)清淤管設(shè)計

使用直徑273mm、管壁厚4.5mm的法蘭連接鋼管為水下部分的清淤管，管子總長度55m，管子底部末端使用直徑25mm鋼筋焊接成網(wǎng)狀收縮結(jié)構(gòu)，以防止堵塞。在距底部1.4m位置使用8mm厚度鋼板焊接一個進(jìn)氣室，上部留有進(jìn)氣孔與來自水面的50mm供氣管連接。在進(jìn)氣室里邊直徑273mm鋼管管壁一圈鉆有直徑12mm～50mm的通氣孔，用于高壓供氣通過進(jìn)氣室進(jìn)入清淤鋼管內(nèi)形成負(fù)壓。

清淤管頂部焊接有兩個吊耳，浮船上安裝型鋼和手動葫蘆配套的起吊裝置，用于支撐和移動清淤管，并在頂部安裝一個90°彎頭，連接同直徑軟管至河邊的沉淀池。同時，伴隨清淤管安裝直徑50mm供氣管，供氣管每2m處與清淤管連接在一起，供氣管從岸邊的20m3空壓機直至清淤管底部的供氣室。

(2)清淤船設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場條件，經(jīng)過計算，清淤船自重10t，清淤管及人員等荷載總計6t，滿載總重為16t，清淤船滿載排水量為25t。

清淤船使用3mm厚度鋼板和L70、L50角鋼制作成長條形浮箱體共四個。每個浮箱體體積為6.4m3，合計25.6m3。使用160mm槽鋼連接成一個船體，連接后的船體規(guī)格為9.5×3.5m。并在船體上鋪設(shè)50mm厚度木板作為甲板，四周使用T25mm鋼筋焊接欄桿，船體中央位置預(yù)留一個約1m×1.2m的孔，兩側(cè)使用160mm槽鋼焊接門型支撐系統(tǒng)，并安裝一個手動葫蘆用于清淤管的起吊和移動。清淤船的動力系統(tǒng)采用一臺1.5kW柴油機帶動螺旋槳的方式移動船體。

(3)沉淀池設(shè)計

沉淀池使用漿砌石結(jié)構(gòu)，沉淀池容量為200m3。來自清淤軟管的混合水流入沉淀池，并在沉淀池內(nèi)布設(shè)一個溢流管口接至水庫中。

3.4 工藝流程及方法

工藝流程：根據(jù)清淤內(nèi)容制定清淤方案及圖紙→清淤設(shè)備制作和安裝→清淤船下水→清淤試驗→根據(jù)試驗結(jié)果完善清淤系統(tǒng)→清淤系統(tǒng)試運行→開始清淤施工。

(1)清淤船制作

清淤船制作在車間進(jìn)行，首先進(jìn)行清淤船結(jié)構(gòu)主體桁架焊接，然后焊接外側(cè)鋼板。在外側(cè)鋼板焊接完成以后，需要對焊縫進(jìn)行滲透試驗，發(fā)現(xiàn)有滲透試驗不合格焊縫的，應(yīng)及時處理直至滲透試驗合格。四個清淤船浮箱完成制作以后，交由現(xiàn)場進(jìn)行系統(tǒng)安裝。

(2)系統(tǒng)安裝及試運行

系統(tǒng)安裝主要包括清淤船現(xiàn)場安裝、清淤管路系統(tǒng)安裝、高壓風(fēng)系統(tǒng)安裝、沉淀池施工等項目。當(dāng)所有系統(tǒng)項目完成安裝和施工具備施工條件以后，開動空壓機并向清淤管輸送高壓風(fēng)開始試運行。試運行期間能夠順利輸出不大于管口直徑的石頭和淤泥，即滿足施工要求。如圖2所示。

(3)淤泥清理

每完成1m×1m范圍移動一次清淤船，并通過手動葫蘆移動清淤管，每次清淤直至無石子和淤泥通過管口流出為宜。

(4)沉淀池淤泥外運

當(dāng)沉淀池淤積大量泥沙時，使用反鏟裝載自卸汽車運輸至業(yè)主指定的淤泥存放地點。

3.5 操作要點

(1)通過不斷研究和試驗驗證，確定清淤管直徑、風(fēng)壓、供氣室位置、進(jìn)氣孔和進(jìn)水孔直徑、方向及位置。

(2)提前選好清理出來的淤泥及石渣排放位置，一方面考慮環(huán)境污染問題，另一方面考慮減少再次搬運問題。

(3)清淤時要做好清淤船操作人員與清淤終端觀察員的通訊聯(lián)系，出水變清且無石渣時及時通知清淤船操作人員更換位置，合理利用資源，提高效率。

(4)清淤船移動更換位置時，必須提升清淤管，使清淤管終端高出底板面一定距離，避免清淤管折斷事情發(fā)生。

(5)清淤船停止工作時應(yīng)固定好清淤船及清淤管，避免清淤管因風(fēng)浪作用折斷。

3.6 質(zhì)量安全措施

(1)由于水面之上不好判定方向及位置，做好清淤范圍標(biāo)志及每次清淤位置記錄，以便清淤工作能夠全部覆蓋。

(2)每個清淤點直到清淤管終端出水變清且無石渣5分鐘后視為該位置清淤結(jié)束。

(3)相鄰清淤點間距控制在1.5m以內(nèi)，確保沒有清淤盲區(qū)的出現(xiàn)。

(4)清淤結(jié)束以后，利用水下攝像頭進(jìn)行抽樣檢查，如不合格應(yīng)進(jìn)行第二次覆蓋性清淤。

(5)清淤管之間需連接牢固，避免清淤船移動、風(fēng)浪等作用致使清淤管折斷。

(6)清淤船要做好防腐工作，并不間斷對清淤船進(jìn)行全面檢查，防止清淤時船體漏水現(xiàn)象發(fā)生。

(7)清淤施工作業(yè)時，清淤船之上施工人員屬于水上作業(yè)，必須穿救生服。

3.7 應(yīng)用成果

贊比亞伊泰茲水電站項目自制25t排量的自行式清淤船和53m水下負(fù)壓清淤系統(tǒng)，并自行設(shè)計了淤泥沉淀過濾終端，整個系統(tǒng)維護(hù)簡便，操作簡單，兩人便可完成全部操作任務(wù)。此系統(tǒng)水下清淤不僅能夠在環(huán)保無污染的要求下清理水庫底部的懸移質(zhì)和推移質(zhì)，同時在試驗中能夠通過改變清淤管管徑和端頭的濾網(wǎng)規(guī)格達(dá)到不同粒徑石料的清理作用，較好完成合同規(guī)定進(jìn)水口引水渠的清淤內(nèi)容，解決了項目上難點，并得到業(yè)主和監(jiān)理方的認(rèn)可。本項目深水負(fù)壓清淤項目獲得中國水利水電第十一工程局有限公司科技進(jìn)步二等獎，河南省水力發(fā)電工程協(xié)會中原水力發(fā)電科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎，國家知識產(chǎn)權(quán)局實用新型專利。

4 結(jié)語

通過反復(fù)研究和多方論證，將深水負(fù)壓清淤成功地用于伊泰茲水電站項目中。此清淤系統(tǒng)可以在施工現(xiàn)場制作，節(jié)省了大量成本。該系統(tǒng)操作簡單、易于維護(hù)、環(huán)保無污染，同時在試驗中能夠通過改變清淤管管徑和端頭的濾網(wǎng)規(guī)格達(dá)到不同粒徑石料的清理作用，特別是可以用于水深較大而且要求抽出粒徑范圍也比較大的情況，為以后工程中遇到的類似問題找到良好的解決方法。由于工作原理的差別，相比較氣力泵清淤，深水負(fù)壓清淤不足之處在于固體含量偏低，從而會影響其工作效率。