河道底泥环保疏浚技术与处理措施

何云斌，刘书敏，林 嫙，赵风斌

［1.深圳市天健（集团）股份有限公司，广东深圳 518019；2.同济大学，上海 200092；3.深圳市市政公司总公司，广东深圳 518052］

1 河道底泥环保疏浚技术

1.1 常规的疏浚方式

（1）干法清淤。干法清淤的原理为：先设置临时围堰，之后将水完全排出后进行干地清淤。在具体的清淤过程中，主要借助挖掘机和水力冲挖来完成清淤工作。采用挖掘机干式清淤法，优势在于便捷、灵活性高、技术要求不高、有较强的适应能力以及不会增加底泥含水率，但是也尤其局限性，主要表现为容易受天气的影响；而水力冲挖的清淤方式，主要是利用高压水枪来对淤泥进行冲刷，使淤泥成为泥浆，之后再通过泵送的方式将泥浆传送至岸边的堆场或聚浆池中。这一方法的优势在于施工成本较低，且施工操作简单，但也有增加底泥含水率及底泥处理成本的局限性。

（2）水下清淤。这一清淤方式的原理为：在船上安装清淤机，以船为施工平面进行水面上的清淤，之后再通过泵送的方式将水下底泥传送至岸上的堆场中。水下清淤主要包括绞吸式挖泥船、耙吸式挖泥船这几种形式。其中，在绞吸式挖泥船操作中，先是借助绞刀进行河道底泥的松弛，并使底泥成为泥浆，之后通过泵送的方式将泥浆转送至排泥区；而在耙吸式挖泥船的具体操作中，主要是通过大型自航、装仓式挖船来清淤，这种类型的船中装有耙头挖掘机具和水力吸泥装置，先是将耙吸管放至河底，然后借助泥浆泵的真空作用，通过耙头和吸泥管将河底淤泥泵送至船泥仓中这种清淤方式的效率相对较高。

1.2 疏浚方式调整

为有效清除河道中的污染底泥，并改善河道生态系统，在传统工程疏浚基础上，设计了环保疏浚方式。优化后的河道底泥疏浚方式见表1。从表1可得知，在传统疏浚技术基础上优化后的疏浚方式，其对挖泥的厚度要求较高，要求至少要达到1.5m的挖泥厚度，如此才能够有效保证疏浚精度的精准性，从而避免出现超挖现象以及影响水生生物的生长，进而有效维持河道的生态系统。而要想达到这一目的，也需要准确采集疏浚船的反铲刀架和绞刀轴的平面位置、垂直位置及船体方位角等信息。

表1 河道底泥环保疏浚方式

1.3 环保绞刀优化设计

传统河道底泥疏浚技术难以实现对河道底泥疏浚精度的精准控制，对此，为确保疏浚精度的正确性，在反铲绞刀架上安装垂直角度的传感器，用于对其水平面夹角信息的准确采集，同时在绞刀轴的液压杆处安装垂直角度的传感器，用于对其水平转角信息的准确采集。不仅如此，为确保绞刀规律有序地进行土壤切削，进而提升工作效率，需要保证绞刀的切斜界面与河道底泥在同一水平线上，而绞刀罩的外轮廓边界，也需要与河道底泥在同一水平线上。

在环保绞刀转动过程中，所产生的离心力大小，主要取决于其转速。为了避免在绞刀转动时，出现底泥中重金属等混合物扩散的现象，应保证泥泵所产生的作用力，能够抵消绞刀头转动时所产生的离心力。为此，就需要准确采集水平转角的信息，并在此基础上精准计算出每一次的进刀量，由此实现对挖泥厚度的严格控制，避免因进刀量误差而引起泥沙及重金属混合物扩散的问题。除此之外，考虑泥土离心的方向与吸口的相对位置不一致，使得吸泥效果也不一致，为此，就需要通过垂直角度和水平角度的传感器准确采集信息，并结合采集的信息测算出最佳的位置，从而提升吸泥效果，保证底泥疏浚的精度。

2 河道底泥处理方法优化设计

2.1 常规处理方法

（1）自然干法。河道底泥处理原则主要为稳定化、无害化、减量化及资源化，自然干法是在遵循这些原则基础上常用的一种底泥处理方式。这一处理方法的原理为：基于水汽蒸发的原理将淤泥中的大部分水分去除，之后通过添加一定的添加剂来处理淤泥。随着时间的不断推移，淤泥在吹填上岸后表面会逐渐干化和固结，但是在内部仍然是流质状的淤泥。

（2）土工管袋脱水法。土工管袋脱水法是在底泥自然干化法的基础上演变而来的，处理原理为：利用土工带径孔的过滤功能，通过添加适量的净水药剂用以分离泥水，管袋中留存淤泥，而水渗出管袋外。需要注意的是，因为底泥渗透系数较低，若使用土工管袋法需要较长的脱水工期，因此适用于气候干燥、工期及占地要求低、周边环境卫生状况良好的地区。

（3）真空预压法。真空预压法主要是通过在地面上覆盖一层密封膜来进行真空抽取，此时膜内外会产生气压差，而这种气压差会提升底泥的固结力。换句话来说，这一处理方法是在保持总应力不变的前提下，通过减小孔隙水的压力来增加有效应力的一种脱水方法，不仅能够有效缩短底泥固结的周期，而且固结后的底泥承载力相对较高，但也存在容易二次泥化的局限性。

（4）淤泥机械脱水法。淤泥机械脱水法主要作用是可以改善淤泥的透水性。在应用淤泥机械脱水法过程中，主要利用专用的压滤脱水机进行淤泥的高压施压，目的是实现泥水分离，进而实现淤泥脱水干化。一般经过脱水后的泥饼，其含水率在30%~60%，有着较高的脱水率，而且环保，后续也不需要对泥饼进行养护处理，可直接资源化利用，但这一方法的脱水固化单价相对较高。

2.2 处理方法优化

在河道底泥处理过程中，绞刀头在水中的转速有着至关重要的作用。在完成垂直角度和水平角度传感器安装并疏浚后，由于被疏浚的泥沙及其重金属混合物具有形态小和轻的特性，所以在水流和挖掘作业时，可能还未通过吸泥管进入设备中，就已经扩散到相邻的水体中，进而引起二次污染问题。为此，也需要对河道底泥处理方法进行优化设计。由于在底泥疏浚及处理过程中，绞刀装置为主要是衔接装置，为避免河道泥沙含量较多，以及出现河道底泥污染扩散的问题，就需要对其进行优化设计。

在绞刀装置优化设计过程中，需要充分考虑绞刀装置在水中作业时的转速，由于绞刀头内的水流速度是不断变化的，但无论是哪一种转速构成的水流变化部分，均要比平均切向速度要小。当距中心线径向距离为r时，绞刀头的切向速度：

其中：w为绞刀头的转动角速度。

在此基础上，可进一步推算出水体压力和速度之间的关系，即：

其中，p为绞刀头内部的作用力，µ为泥沙的密度，V为流体的速度。

式中，由于压力与绞刀外界边缘线相贴近，其呈现出逐渐递减的趋势，所以最终径向压力梯度会得出负值；由此可得知，作用于流体体积的作用力为：

式中，Fr是作用于流体的要素之一，可让流体充分受力于绞刀头，从而避免扩散。

3 实验分析

3.1 实验对象

本次实验以某段河流为实验对象，并以脱水后含泥率及重金属含量为实验指标，在此基础上设定实验参数进行分析。

3.2 实验方法及装置

在本次底泥脱水干化实验过程中，选取两种常规的疏浚处理方式作为参照组，其实验装置采用板框压率装置。实验组为本文提出的优化后的疏浚处理方式。在实验过程中，使用相同规格型号的疏浚船，并通过烧杯搅拌实验，进行底泥化学调制剂粗筛，之后以分子量为11 000的阳离子PMA机械脱水。对照参照组，实验组装有角度传感器，其余条件设置一致。

3.3 结果对比

图1为三种疏浚处理方式脱水后含泥率及重金属含量的对比情况，观察图2可得知，相比较传统的疏浚技术，本文中提出的疏浚方案，在脱水后的含泥率明显要高，且随着脱水时间的增加，其含泥率可达80%以上。同时，对比脱水后的重金属含量，本方案提出的处理方法也比传统处理方法要优，重金属含量超过了60%。

图1 三种疏浚处理方式实验对比情况

4 结论

随着经济的快速发展，也一定程度上加剧了环境污染问题的发生，其中河道底泥污染问题较为突出。而由于河道底泥中含有大量难以分解的重金属和有机污染物，传统的疏浚技术，难以满足污染底泥疏浚的要求。因此，为弥补传统疏浚技术及其处理方式的不足，就需要在原有的技术基础上进行优化调整。本文所提出的优化方案，主要是在反铲绞刀架和绞刀轴上安装垂直角度和水平角度的传感器，目的是实现对疏浚精度的有效控制，同时，在优化绞刀装置设计的基础上，对绞刀头转动角的临界值进行计算，目的是降低绞刀转动时对底泥造成的扰动，进而避免污染底泥扩散。最后结合具体的实验，对本文中提出的疏浚处理技术的应用效果进行验证，得知优化后的疏浚技术及处理方式，其脱水后的含泥量和重金属含量较高，不仅能够有效改善河道底泥疏浚的效果，而且还能够有效控制污染底泥过度悬浮扩散。