一种简易疏浚土方上岸筑堤机械的研制与实践

许长安

(湖州市水利水电工程质量监督站,浙江 湖州 313000)

1 问题的提出

河道疏浚是集防洪、水利、农业、航运和环保等若干功能于一体的综合性社会公益项目。平原地区的河道疏浚有利于提高河道的行洪排涝能力、提高河网灌溉保证率、改善供水条件和水生态环境以及改善通航能力等各项功能;而堤防加固工程则是防洪安全的重要保障。然而,河道疏浚与堤防加固是防洪排涝功能得以有效发挥的不可分割的一个有机整体,堤防工程是举世公认的防御洪水最普遍、最有效的一种水利设施,而土质堤防又是堤防工程中最古老且应用最广的一种。

河道堤防建设过程中废弃疏浚土方、筑堤取土方量均非常大,使工程建设难度也日渐增大,主要难度有:①本地区城市建设迅速,城市、村镇范围不断扩大,地方农田整治工程不断拓展,使得水利工程施工场地越来越小,取土、堆土的场地越来越难征用,成本不断提高,已经出现场地征占用费用超过建设工程费用的情况;②由于目前施工工艺、机械的局限性,对筑堤土料质量要求较高,必须采用含水率在20%～25%的均质干土,无形中增加了土料采集的难度。清水河道工程大面积开展使得圩区周边堤防标准提高,需新建、改建大量堤防,疏浚大量河道,造成大量筑堤土方以及清淤土方,大量优质筑堤土方的来源、清淤土方的去向成了工程的顺利开展的制约因素;③土壤是地球自然风化数亿年的产物,用一分少一分,且本地区本来就人多地少,取土、堆土势必影响现有土地资源,应采用更为科学、合理的方法建设水利工程,减少对土地资源的使用,保护日渐稀少的土地资源;④水土保持、环境保护重要性日益受到关注,现有田地上进行的筑堤土方的开挖、清淤土方的堆放会造成土地水土流失,生态环境失衡。虽然完工后进行恢复,但对土地造成的不利影响,不是短时间内能够还原的,因此尽量少使用现有的土地资源将是影响今后工程建设可行性的一个重要方面。

综上所述,为减少建设成本,顺利开展堤防工程建设,必须解决土质堤防的土料来源和河道疏浚土方的去向2大问题。根据已有的工程建设、设计、施工经验,利用河道疏浚土方作为堤防筑堤原料是个可行的发展方向,但现有的疏浚土方上岸筑堤工艺尚不能满足工程大面积开展的需要,寻求一种简易、安全的、经济上可行的、施工工艺可控的机械,将成为本文研究的要点。

2 工艺改良必要性及措施

2.1 河道疏浚土方的物理特性

河道疏浚施工过程中将产生大量的疏浚淤泥,其特点是含水率高,黏土颗粒含量多,强度非常低。一般呈软塑状,车辆搬运困难,人与机械无法在其表面行走,无法直接作为工程用土,往往采取抛弃处理。如用现有的水下疏浚土方上岸仅进行简单的自然脱水,然后直接堆填,大量水份无法排除;同时黏性土的特性造成土体含水率较大,因此采用现有一般疏浚技术上岸的土方含水率很大,不能自然脱水,填筑形成的土体稳定性较差,无法成为筑堤材料。若采用大面积铺晒,需要较大面积的场地,且工期很长,现有的施工环境一般都无法达到铺晒的要求。

因此对现有疏浚、脱水、上岸设备及技术进行必要的改造,使得疏浚土方能够直接用于筑堤,将大量节约土地资源,减少政策处理问题及费用,降低疏浚施工的难度及成本。

2.2 工程机械设备的研制与施工工艺的改革

根据浙江平原河网的实际情况,充分利用现有的工程机械设备和技术储备,结合水下疏浚土方的物理特性,在现有疏浚船只上做了大量的试验,改造及研制成功了SL 150-30型湿土上岸机械。

改造研制河道疏浚、淤泥脱水与输泥设备联合机械装置SL150-30型 (见图1),改造研制指标如下:操作自动化,节省人力,维持管理容易;机械性能优异,耐久性良,占地面积省;适用各种淤泥脱水,效率高,处理量大;多重脱水,脱水能力强,脱水后淤泥含水率低;节省能源,耗电力少;低速运转,无振动无噪音。

图1 SL150-30型河道疏浚淤泥上岸筑堤机械装置示意图

在施工工艺上进行了大胆创新,并在现有疏浚船只上做了大量的反复试验,且形成了切合实际的施工方法,具体如下:

(1)河道疏浚工程施工时采用抓斗挖泥船进行开挖。抓斗挖泥船驶进挖槽时,由锚缆或定位桩定位,泥层厚度超过挖泥船一次最大挖泥厚度和宽度时,应分层和分条开挖。施工之前,根据河道的障碍物情况,是否进行清障,开挖时,采用液压式贝壳抓斗挖泥,抓斗两侧均开有2～4个小孔,抓斗抓取泥后,抓斗合拢,抓斗的小孔将挖泥带出来的水排出斗外,以利减少运输成本,同时也进行了第1次脱水。第1次脱水后的泥轻轻放入停在挖泥船侧的泥驳内。

(2)脱水装置系统的设置与运用。泥驳后侧设隔舱,过滤网、抽水泵,在泥驳运泥过程中,将渗水及时抽排,通过格栅网将较大的垃圾清理出来,放入隔舱内,到目的地将垃圾集中处理。泥驳运输到轨道船后,泥驳中的土体开挖亦采用抓斗挖泥船抓抛入轨道式输送船中的进料舱内。在专业的工程船厂建造2艘可拆卸式的船体,各船体可通过加强联杆进行安装拆卸。第1艘船体分2层,上层为进料舱,进料舱内设置1个细格栅将较大的块石、土方和水进行分离,杂物需要用专用设备进行定量清理,泥浆水流入格栅舱内,泥水通过设置在底部的细格栅及过滤网,将自流入下层的贮水舱内,用泥浆泵抽取,也是第1次脱水的延续。

第2艘船舱面上设置1套高效的轨道式脱水装置,脱水装置主要设备为储泥漏斗仓、储泥漏斗仓加置1个脱水装置、泥浆输送装置、轨道运输小车及高频振动装置、电动压缩网格装置和动力输送系统。通过泥浆输送装置将需脱水的的泥送入轨道式输送船内的1个储泥漏斗仓,待运泥轨道式小车位置停好,将泥输送入小车内,小车装满后,运输小车自动封闭,运输小车底部设置1个高频振动装置和细网格,并设置1个电动压缩装置,在运泥小车通过卷扬机轨道输送过程中,高频振动装置和压缩装置启动,将脱水后的泥进行压缩震动从细网格下再次脱水,将再次脱水后的余水,通过设置在轨道下部的集水槽回入余水舱内。运泥小车到达填筑堤位置,压缩装置和震动装置自动停止,小车出泥口自动打开,将泥卸入指定位置 (经2次脱水后的泥含水率可达到40%左右)。轨道式输送船设置2个运泥小车,循环使用,以提高工作效率。

(3)修筑筑堤区格子堰。按放样成果,以横向区格线作为横向子堰的中心线,内外堤脚线作为纵向子堰的中心线,在各土堤填筑区格四周修筑区格子堰。其中一般河道迎水侧纵向子堰堰顶宽度为2～3 m、堰顶高程以河道历年汛期平均高水位加0.5 m确定,两侧边坡为1∶1.5～1∶2;背水侧子堰顶宽1～2 m、堰顶高程分期进行加高,一般每期为2～3m,两侧边坡为 1∶2～1∶2.5,并于堰后趾处设堆石排水棱体,将区格内疏浚土方固结排水导入其后的排水沟中;迎、背水侧纵向子堰间设置横向子堰,断面尺寸同背水侧子堰。

(4)疏浚土方脱水填筑成堤。将SL 150-30型土方脱水上岸机械沿河停靠于各区格居中位置,并将钢柱插入轨道船舷边的钢箍固定于河床,同时将液压抓斗船紧挨轨道船的输送平台固定。一切就绪后,开始进行河道疏浚施工,一船采用贝壳抓斗式挖泥船开挖土方,机动泥驳运至河岸SL 150-30型湿土上岸机械处,开动液压抓斗源源不断将泥驳内的土方送入轨道车承料口,通过旋转离心装置,将土体中富余水从侧面的小孔中排出,以达到初期脱水的目的,接着,通过输送轨道将初期脱水后的土方匀速持续排入各筑堤区格内,并在输送过程中实现了2次脱水。经测试,水下土方经2次脱水后,其平均含水率仅为初始含水率的40%左右,效果非常显著。

待区格内土方填高至子堰顶后,即刻将脱水上岸机械移位至下一区格进行填筑。待前期已填区格内土方充分排水固结后(视土质不同而异,一般为30～40 d),利用已固结土体对原有堰体进行加高,并继续进行填筑。如此采取分区间隔轮作施工方法,直至将土堤填筑到设计堤顶高程。

2.3 疏浚筑堤固结效果分析

经过对疏浚土方筑堤、传统的水下土方疏浚及筑堤及现有淤泥固化脱水技术后筑堤等施工方法分析,其成本分别为:疏浚土方筑堤综合单价为18.06元/m3;传统的土方疏浚及筑堤综合单价为43.92元/m3;现有淤泥固化脱水技术处理后筑堤综合单价在60～70元/m3之间。

疏浚土方筑堤综合单价仅为传统土方疏浚及筑堤的40%左右,主要是因为疏浚土方筑堤不需要工程建设用地以外的土地占用、借用,以及因此发生的其它费用。将排泥场、取土坑全部取消,既节约了工程费用,又减少了占地,并变废为宝。

而现有淤泥固化脱水技术,由于专门的固化设备价格高昂,且需要一定的场地对固化处理过的淤泥进行铺摊,然后才运输至填筑工地,对于水利工程中的河道清淤、堤防填筑之类的带状工程来说,固定的固化处理设备增加了大量的运输成本,而且水利工程沿河而建,很多时候陆上运输不方便,因此现有淤泥固化脱水技术虽然在技术上有很大的优越性,但并不十分适合大范围推广,而SL150-30型经过工艺改进后,将固定的设备搬上船,河道、堤防施工到哪里,设备就到哪里,该技术在平原河网地区很适用。

虽然设备上船后脱水效果不如岸上的固定的设备,但通过碾压过程中的施工控制措施,能够使填筑堤防的疏浚土物理力学指标基本满足堤防稳定安全需要。

以导流港东大堤堤防工程为例,导流港工程疏浚河道全长41.5 km,筑堤土方760万m3,工程疏浚和筑堤的综合单价为18.06元/m3,通过水下疏浚土方筑堤施工中对淤泥质粉质黏土不同固结历时的干密度进行试验:试验区为10 m×30m长方形区格,区格四周筑挡土围堰,高度控制为5 m,河道疏浚土方经脱水上岸机械排入试验区后,土体呈软塑状,平均含水率为40%左右,土体平均干密度为0.8～0.9 t/m3。在良好排水条件下,经自然固结90 d后,含水率可降低为25%～35%,土体平均干密度可达到1.15～1.2 t/m3。

需要注意的是填土应在晴天填筑,不得在雨天施工。如遇雨期,严格控制土的含水率,确保回填土料的质量。雨后回填检查已填土层,对含水率过高的土层应翻松风干或挖出换土进行压实,然后再铺另一层土。

3 结 语

SL150-30型疏浚土方上岸筑堤机械及施工工艺的创新,在东南沿海平原河网地区有推广应用价值,其直接经济效益和社会效益均非常明显。

(责任编辑 姚小槐)

纪念2010年 “世界水日”“中国水周”主题活动暨中国水利博物馆开馆仪式在杭州隆重举行

2010年3月22日上午,在第十八届 “世界水日”和第二十三届 “中国水周”到来之际,水利部、浙江省政府在钱塘江南岸隆重举行纪念2010年 “世界水日”“中国水周”主题活动暨中国水利博物馆开馆仪式。经过5年的艰苦建设,拔地而起的中国水利博物馆今天终于揭开面纱,敞开大门,迎接四方宾客。它的建成和开馆,是我国水利事业发展的一件盛事,也是社会主义文化建设的重要成果。全国人大副委员长蒋树声,水利部党组书记、部长陈雷,浙江省委书记、省人大常委会主任赵洪祝,全国人大财经委副主任委员、原部长汪恕诚,浙江省委副书记、省长吕祖善等领导出席开馆仪式。

上午9点50分,参加活动的领导和嘉宾们迎着钱塘江畔的江风,踩着礼乐队的节拍,依次步入主席台。主题活动由浙江省委常委、副省长葛慧君主持。中国水利博物馆的建设得到了中央领导的高度重视。水利部党组成员、副部长周英首先宣读了中共中央政治局常委李长春同志的重要批示;水利部胡四一副部长宣读了中共中央政治局委员、国务院副总理回良玉的贺信。随后,中共浙江省委副书记、省长吕祖善致辞,他代表浙江省委、省政府向出席活动的各位领导和来宾表示热烈的欢迎,向中国水利博物馆建成开馆表示热烈的祝贺。中央电视台著名主持人、中国节水大使候选人张泽群宣读节水倡议书。他代表所有中国节水大使向社会发出倡议“建设碧水中华从我做起”!

水利部部长陈雷在活动上作了讲话。他指出水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源。当前和今后一个时期,水资源问题已成为全球可持续发展的突出瓶颈,是世界各国共同面临的严峻考验。今天把纪念“世界水日”和 “中国水周”主题活动,与中国水利博物馆开馆仪式结合起来,旨在通过这一活动,使社会各界和广大群众更加关注和了解我国的基本水情,更加理解和认识我国优秀水文化中所蕴含的治水哲理,推动全社会形成关心水、亲近水、爱护水、节约水的良好风尚。

10点30分许,现场的音乐变得愈发雄壮,主席台前排在座领导和嘉宾集体起立为中国水利博物馆剪彩。水利部部长陈雷和中共浙江省委书记赵洪祝为中国水利博物馆揭牌;全国人大副委员长蒋树声紧接着宣布中国水利博物馆开馆。顿时,活动现场礼炮喧天、鼓乐齐鸣、掌声雷动。这一刻,钱江南岸的 “水晶宝塔”正式开馆迎客。

随后,主席台上的领导和嘉宾来到中国水利博物馆顶层为 “龙施雨沛”展项揭幕。其他嘉宾则在一楼大厅依此排开,通过LED大屏幕的同步实况直播见证那神圣一刻。“龙施雨沛”展项可谓是整个水博馆的镇馆之宝。当全国人大财经委副主任委员、原部长汪恕诚和浙江省原常务副省长章猛进共同启动按钮的那一刻,宝塔顶上的红幕徐徐落下,1个巨大的金色印章呈现在观众眼前。印章顶端是2条栩栩如生的巨龙,印章四周镌刻有中国最早记录水利的历史文献《史记◦河渠书》。这个巨大的印章,为中国水利博物馆盖上了 “人水和谐”的大印。

活动结束,所有领导、嘉宾在博物馆解说员的带领下参观了崭新的中国水利博物馆主展区。博物馆核心展区分为水利千秋、水中万象和龙施雨沛三大部分。博物馆内的内容深深吸引了每一位领导和嘉宾。在京杭大运河图前,大家被逼真美奂的京杭大运河景象深深折服;在中国历代水旱灾害记录片播放屏幕前,大家不经驻足观看;在三峡大坝巨大模型前,通过现代声光电的联合演示,为领导和嘉宾呈现了一个逼真雄伟的三峡大坝……

中国水利博物馆是水利部直属的国家级行业博物馆,旨在宣传人民群众治水的历史功绩和伟大成就,弘扬水利精神,传承水利文化,普及水利知识,促进水利持续发展。中国水利博物馆地处杭州钱塘江南岸,自2005年3月破土动工,建筑面积3.6万m2,高128.9m,采用塔馆合一的设计,实现了古典风格、现代材料和先进技术的完美结合,成为 “漂在水上”的水晶宝塔。中国水利博物馆今天起航,它承载着数千年厚重而辉煌的水利历史,将用自己的方式弘扬水文化,传播水文明,在观众灵魂深处浇筑起一座人水和谐的“精神大坝、思想水库”。