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中小河道清淤及淤泥处理技术

发布时间:2019-01-15 09:24

我国中小河道淤积现象比较普遍,河道原有的调蓄洪水和防灾减灾的能力有所减弱。近几年国家加强了中小河道和农村河道的治理力度,其中清淤工程作为主要措施被广泛实施。以江苏省为例,在2003—2014 年期间,已投资超过40 亿元进行河道清淤,累计清淤量超过35 亿m3。

目前河道清淤已经从过去的仅以提高河道防洪、排涝和灌溉能力[2]的传统水利工程目标向生态水利目标拓展,也就是说在很多河道清淤工程的目标中都含有减少河道内源污染,为河道水质改善提供保障的工程目的。

历史上,农村河道的清淤工程多是基于人工体力劳作的方式来完成,而大型清淤装备、清淤船只也基本上是为了港口、航道或大江大河的大规模疏浚工程而建造,无法进入中小河道进行施工,因此中小河流清淤工程一般没有非常合适的清淤装备进行施工。与农村河道清淤相关的另一个问题就是淤泥的处理问题。过去农村河道广泛存在“挖河泥”的冬季作业,并有将挖出来的河泥进行沤肥后作为肥料使用的习惯,这种习惯很自然地解决了淤泥的去向问题。而现在由于乡镇企业的发展导致了一些农村河道遭受了工业污水排放的污染,而农村生活方式的变化也使得一些小型工业废弃物、生活垃圾被弃置于河道之中。由于这些原因,一些河泥成为“污泥”,其性质不再适宜直接还田或经过沤肥后作为肥料使用。另一方面,农业生产中化肥的使用越来越普遍,也使得原先用河泥沤制的肥料逐渐丧失了需求。

过去我国在航道、港口和大规模的内河疏浚工程较多,形成了相应的技术方法和机械设备。“十五”期间,围绕河湖治理时底泥中污染物的去除问题开展了较多的“环保清淤”工程,即,指将河湖底泥中聚集的污染物通过清淤方式移出湖泊、河流的工程。环保清淤与工程清淤的差异在于清淤的底泥厚度很薄,比如太湖环保清淤工程其底泥为20~40cm的居多,因此,对清淤设备本身的定位、操作系统的精度要求很高。太湖、滇池等富营养化湖泊都开展了围绕去除底泥中富含的氮、磷营养而实施大规模的环保清淤工程。

而城市河道也普遍展开环保清淤工作,广州在召开亚运会之前,为了改善河道水质,对城市河涌进行了普遍清淤,上海的苏州河、南京秦淮河等城市河道都普遍实施了清淤工程。相对于湖泊而言,城市河道的环保清淤工程可稍微粗放一些,因为河道本身的流动性和交换的特点,施工的精度和二次污染防治的要求都没有湖泊敏感。目前环保清淤工程在淤泥的处理方面普遍采用了堆场堆放的模式,清淤产生的泥浆先进入堆场存放,在沉淀以后进行土地还原或者进行处理利用。而对于中小河道以及农村河道的清淤工程到底应该如何实施,使用什么样的清淤机械和工艺,清出来的淤泥应该如何处理,在目前尚无一个比较规范或者公认的方法。针对这一问题,本文收集和梳理了我国河道尤其是中小河道的清淤方法,以及淤泥处理利用的技术和方法,对各种方法的优缺点及适用范围进行了分析,希望能够为中小河流、农村河道的清淤工程提供一些技术借鉴。

1 常用河道清淤技术

目前的河道清淤工程,大多数具有水质改善的目的,因此尚属“环保清淤”范围。另外,在工程上有“疏浚”和“清淤”两个较为接近的术语,为了区别于航道、港口等大规模疏浚工程,笔者建议将中小河道、农村河道的清、挖工程统一称为“清淤”,突出清除底泥中污染物的概念和解决淤积问题的工程目的。现在的清淤工程具有系统化施工的特点,在清淤之前应该进行初步的底泥调查。通过测量明确河道底床的形状特征,通过底泥采样分析明确底泥中污染物的特点和是否超过环境质量标准。中小河道,尤其是农村河道工程量偏小,这些前期工作很容易被忽视,但实际上先进行一些简单的前期工作对整个工程的顺利实施并得到预期效果会有极大的帮助。在前期工作的基础上,根据淤积的数量、范围、底泥的性质和周围的条件确定包含清淤、运输、淤泥处置和尾水处理等主要工程环节的工艺方案,因地制宜选择清淤技术和施工装备,妥善处理处置清淤产生的淤泥并防止二次污染的发生。

1.1 排干清淤

对于没有防洪、排涝、航运功能的流量较小的河道,排干清淤指可通过在河道施工段构筑临时围堰,将河道水排干后进行干挖或者水力冲挖的清淤方法。排干后又可分为干挖清淤和水力冲挖清淤两种工艺。

a.干挖清淤: 作业区水排干后,大多数情况下都是采用挖掘机进行开挖,挖出的淤泥直接由渣土车外运或者放置于岸上的临时堆放点。倘若河塘有一定宽度时,施工区域和储泥堆放点之间出现距离,需要有中转设备将淤泥转运到岸上的储存堆放点。一般采用挤压式泥浆泵,也就是混凝土输送泵将流塑性淤泥进行输送,输送距离可以达到200~300m,利用皮带机进行短距离的输送也有工程实例。干挖清淤其优点是清淤彻底,质量易于保证而且对于设备、技术要求不高; 产生的淤泥含水率低,易于后续处理。

b.水力冲挖清淤: 采用水力冲挖机组的高压水枪冲刷底泥,将底泥扰动成泥浆,流动的泥浆汇集到事先设置好的低洼区,由泥泵吸取、管道输送,将泥浆输送至岸上的堆场或集浆池内。水力冲挖具有机具简单,输送方便,施工成本低的优点,但是这种方法形成的泥浆浓度低,为后续处理增加了难度,施工环境也比较恶劣。

一般而言,排干清淤具有施工状况直观、质量易于保证的优点,也容易应对清淤对象中含有大型、复杂垃圾的情况。其缺点是,由于要排干河道中的流水,增加了临时围堰施工的成本; 同时很多河道只能在非汛期进行施工,工期受到一定限制,施工过程易受天气影响,并容易对河道边坡和生态系统造成一定影响。

1.2 水下清淤

水下清淤一般指将清淤机具装备在船上,由清淤船作为施工平台在水面上操作清淤设备将淤泥开挖,并通过管道输送系统输送到岸上堆场中。水下清淤有以下几种方法。

a.抓斗式清淤: 利用抓斗式挖泥船开挖河底淤泥,通过抓斗式挖泥船前臂抓斗伸入河底,利用油压驱动抓斗插入底泥并闭斗抓取水下淤泥,之后提升回旋并开启抓斗,将淤泥直接卸入靠泊在挖泥船舷旁的驳泥船中,开挖、回旋、卸泥循环作业。清出的淤泥通过驳泥船运输至淤泥堆场,从驳泥船卸泥仍然需要使用岸边抓斗,将驳船上的淤泥移至岸上的淤泥堆场中。

抓斗式清淤适用于开挖泥层厚度大、施工区域内障碍物多的中、小型河道,多用于扩大河道行洪断面的清淤工程。抓斗式挖泥船灵活机动,不受河道内垃圾、石块等障碍物影响,适合开挖较硬土方或夹带较多杂质垃圾的土方; 且施工工艺简单,设备容易组织,工程投资较省,施工过程不受天气影响。但抓斗式挖泥船对极软弱的底泥敏感度差,开挖中容易产生“掏挖河床下部较硬的地层土方,从而泄露大量表层底泥,尤其是浮泥”的情况; 容易造成表层浮泥经搅动后又重新回到水体之中。根据工程经验[3-5],抓斗式清淤的淤泥清除率只能达到30% 左右,加上抓斗式清淤易产生浮泥遗漏、强烈扰动底泥,在以水质改善为目标的清淤工程中往往无法达到原有目的。

b.泵吸式清淤: 也称为射吸式清淤,它将水力冲挖的水枪和吸泥泵同时装在1 个圆筒状罩子里,由水枪射水将底泥搅成泥浆,通过另一侧的泥浆泵将泥浆吸出,再经管道送至岸上的堆场,整套机具都装备在船只上,一边移动一遍清除。而另一种泵吸法是利用压缩空气为动力进行吸排淤泥的方法,将圆筒状下端有开口泵筒在重力作用下沉入水底,陷入底泥后,在泵筒内施加负压,软泥在水的静压和泵筒的真空负压下被吸入泵筒。然后通过压缩空气将筒内淤泥压入排泥管,淤泥经过排泥阀、输泥管而输送至运泥船上或岸上的堆场中。

泵吸式清淤的装备相对简单,可以配备小中型的船只和设备,适合进入小型河道施工。一般情况下容易将大量河水吸出,造成后续泥浆处理工作量的增加。同时,我国河道内垃圾成分复杂、大小不一,容易造成吸泥口堵塞的情况发生。

c.普通绞吸式清淤: 普通绞吸式清淤主要由绞吸式挖泥船完成。绞吸式挖泥船由浮体、铰绞刀、上吸管、下吸管泵、动力等组成。它利用装在船前的桥梁前缘绞刀的旋转运动,将河床底泥进行切割和搅动,并进行泥水混合,形成泥浆,通过船上离心泵产生的吸入真空,使泥浆沿着吸泥管进入泥泵吸入端,经全封闭管道输送。

普通绞吸式清淤适用于泥层厚度大的中、大型河道清淤。普通绞吸式清淤是一个挖、运、吹一体化施工的过程,采用全封闭管道输泥,不会产生泥浆散落或泄漏; 在清淤过程中不会对河道通航产生影响,施工不受天气影响,同时采用GPS 和回声探测仪进行施工控制,可提高施工精度。普通绞吸式清淤由于采用螺旋切片绞刀进行开放式开挖,容易造成底泥中污染物的扩散,同时也会出现较为严重的回淤现象。根据已有工程的经验[4,6],底泥清除率一般在70%左右。另外,吹淤泥浆浓度偏低,导致泥浆体积增加,会增大淤泥堆场占地面积。

d.斗轮式清淤: 利用装在斗轮式挖泥船上的专用斗轮挖掘机开挖水下淤泥,开挖后的淤泥通过挖泥船上的大功率泥泵吸入并进入输泥管道,经全封闭管道输送至指定卸泥区。斗轮式挖泥船及斗轮如图2 所示。斗轮式清淤一般比较适合开挖泥层厚、工程量大的中、大型河道、湖泊和水库,是工程清淤常用的方法。清淤过程中不会对河道通航产生影响,施工不受天气影响,且施工精度较高。但斗轮式清淤在清淤工程中会产生大量污染物扩散,逃淤、回淤情况严重,淤泥清除率在50% 左右,清淤不够彻底,容易造成大面积水体污染。

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