CN107761670A - 基于疏浚泥初始状态控制的堆场有效容积最优控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于疏浚泥初始状态控制的堆场有效容积最优控制方法，是一种针对水利、港口码头、航道工程建设中产生的低浓度、高粘粒含量的疏浚泥，快速降低其含水量，实现堆场有效容积的最优化控制方法。通过对泥浆初始含水量的控制，使泥浆沉积速率和沉积稳定浓度达到最优值，实现堆场高含水量疏浚泥的快速泥水分离，并利用堆场内外水位差产生的自重排水效应，排除疏浚沉积形成的富裕水。本发明充分利用了疏浚泥自身初始状态对沉积速率和沉积完成时的浓度的最优化控制，达到大幅度减少堆场用地面积和用地时间。工艺简单，成本低廉，适用于工程实际。
Description
技术领域
本发明属于港口、航道和水利工程技术领域，是一种对水利、港口码头、航道工程建设中产生的疏浚泥通过控制初始状态促使泥水快速分离，达到堆场有效容积的最优化控制，适用于低浓度疏浚泥大面积综合处置工程。
背景技术
为了改善河流湖泊的水质、保证河道正常的泄洪能力和内陆航道的畅通，我国每年都要开展大规模的疏浚清淤工程，同时各种航道、河道的拓宽以及港口新建、扩建等工程项目的开展，不可避免地产生大量的疏浚泥。据不完全统计，我国每年废弃的各类疏浚泥达到数亿立方米，疏浚泥处理的工程量巨大。将疏浚泥吹入堆场进行集中处理，是目前港口、航道和水利工程中常用的一种方法。由于疏浚泥在疏浚过程中经过绞吸、耙吸扰动而形成的疏浚泥含水量高、沉淀慢，俗称“一分泥九分水”。若没有对疏浚泥堆场进行合理设计，堆场有限的库容将因为存储了大量水分而不能被充分利用，必然造成堆场使用大面积的土地资源，大幅度提高工程造价。
如何使疏浚泥在堆场吹填过程中实现快速沉积，并排除沉积过程中产生的富裕水，进而提高堆场容积有效利用率，是大幅度减少堆场用地面积的关键。目前常见的快速泥水分离技术包括添加促沉剂的化学方法或使用离心机等设备的物理方法，然而这两种方法处理的泥浆容量小、成本高，无法大面积应用于港口航道和水利工程产生的大量疏浚泥的处理。大量室内和现场试验证明，疏浚泥的初始含水量与液限的关系是影响疏浚泥自然沉积稳定时间的关键因素。因此，对于大面积的疏浚泥堆场，可以合理控制疏浚泥堆场的初始状态，大幅度减少疏浚泥沉积时间，从而在疏浚施工期内快速排出富裕水，实现疏浚泥堆场有效容积利用的最优化控制。
经对现有的技术文献检索发现，为了促使疏浚泥加快沉积排水，东南大学提出了《高含水量疏浚淤泥堆场透气真空快速泥水分离方法》的发明专利(专利号：ZL200710132092.9)，以及广州四航工程技术研究院提出了《吹填淤泥浅表层的快速加固的抽排水系统》的实用新型专利(专利号：ZL 200520065698.1)，在堆场设计时需要考虑沉淀富裕水深和风浪超高，上述专利主要是针对疏浚泥堆场中如何尽快排出疏浚泥沉积过程中形成的表面水。然而需要指出的是，上述专利均未考虑如何提高泥水自然沉积速率，从而加速表面水的生成。
因此，本发明将充分利用疏浚泥自身初始状态对沉积速率的影响规律，实现疏浚泥堆场有效容积利用的最优化控制，减少能耗，提高堆场的利用率。
发明内容
鉴于现有技术中存在上述技术问题，本发明的目的是，针对疏浚泥产生量大、含水量高、沉淀慢、传统堆场处理方法占用土地多、占用时间长的缺陷，提出通过将疏浚泥初始含水量控制在所需沉淀稳定时间最短的八倍液限，实现快速沉积降低疏浚泥含水量，同时在堆场中预设的空间排水体系，快速排除沉积过程形成的表面水，实现堆场有效容积的最优化控制。本发明采用的技术方案如下所述。本发明提供一种基于疏浚泥初始状态控制的堆场有效容积最优控制方法，所述方法包括如下步骤：
(1)疏浚前先在围堰内布设空间排水体系，其中包括和空间排水体系连通并穿过围堰底部延伸至围堰外部，且低于堰内底部高程的排水管；
首先，在围堰1内的底部水平方向上逐级铺设滤水排水管2和其底部竖直方向上铺设排水管道3-1，所述滤水排水管2和所述排水管道3-1相互连通，并在围堰底部布设排水管3-2，所述排水管3-2和排水管道3-1连通并穿过围堰底部延伸至围堰外部，且低于堰内底部高程；然后，在每根滤水排水管道2上沿着其轴向等间距竖向布设塑料排水板4，且每根竖向塑料排水板4的下端与滤水排水管道2相连通，每根竖向塑料排水板4的上端固定在拉索5上，将拉索5两端固定在围堰大堤的木桩6上，并用支架7撑起拉索5中间弯曲变形大的地方；接着，沿着滤水排水管2的轴向将水平塑料排水板8固定在竖向塑料排水板4的不同高度位置上；最后，在围堰内地基底层铺设砂垫层9，作为透水层将滤水排水管2掩埋。
同时，在堰内四周及中间位置的不同深度处埋设含水量监测设备10，本实施例含水量监测设备10采用土壤含水量传感器(FDR)。
(2)疏浚过程控制绞吸泥的初始含水量；
首先，测定现场疏浚泥的液限含水量指标，计算排泥的初始含水量为液限八倍时的泥浆浓度，将其设定为堆场进泥口疏浚泥初始含水量；然后，疏浚过程利用控制绞刀横移速度，保证疏浚泥以设定的初始状态含水量稳定排泥；若出泥浓度低于浓度，放慢绞刀11横移速度；若出泥浓度的高于设计浓度，加快绞刀11横移速度。
在实际操作时，可以采用一种绞吸挖泥船，其在吸泥泵14的作用下，绞吸泥通过铰刀11、吸泥管13、排泥管15，将泥浆绞吸到挖泥船上，而左右侧绞车17、18通过锚索带动绞刀桥架12以工作桩16为中心左右横移摆动，控制绞刀11的横移速度，保证挖泥施工的动态平稳性，以横移速度来控制吸泥泵14和吸泥管13的进泥浓度，保证排泥管15连续平稳的排泥浓度为上述计算的泥浆浓度；
(3)自重排水；向堰内吹填设定浓度的泥浆，利用堰内外形成的水位差产生自重排水效应，排除疏浚沉积形成的富裕水，排水和吹填可以同时进行。
本发明提供的方法的关键是，首先获得疏浚泥的评价液限指标，并计算土体初始含水量为液限八倍时的疏浚泥浓度。该疏浚泥浓度是通过试验证实的能够使泥浆沉积的沉积速度和沉积稳定浓度达到最优值的泥浆初始泥浆浓度。排泥前在堆场围堰内布设水平排水通道，然后在水平排水通道上架设竖向排水通道，水平排水通道和竖向排水通道相互连通共同构成空间排水体系，并在堆场代表性位置埋设含水量监测设备，用于实时监测排泥过程中含水量的变化。然后在挖泥船绞吸过程中调整绞刀横移速度、前移距离、挖厚以及绞刀转速等措施实现出泥浓度达到八倍液限含水量。在吹填泥过程中，利用堆场内外的水头高差，实现在短时间内将堆场高含水量泥中的相当部分表面水排出。由于利用了疏浚泥自身初始状态对沉积速率和沉积完成浓度的最优化控制，疏浚泥以较短时间完成沉积过程，同时降低了泥浆含水量，提高泥浆浓度，减少疏浚泥体积，从而大幅度减少了堆场占地面积，而且实现了堆场以较短的周期进入下一步地基处理阶段，大大缩短了堆场占地时间。
本发明基于疏浚泥初始状态控制的堆场有效容积最优控制方法的有益效果主要有以下几点：
(1)通过对泥浆初始含水量的控制，使泥浆沉积的沉积速度和沉积稳定浓度达到最优值，实现堆场高含水量疏浚泥的快速泥水分离，大幅度降低泥浆的含水量。室内和现场试验结果表明，当疏浚泥的初始含水量约为八倍液限时，不仅可实现泥浆沉积完成时间大幅度缩短，且未明显增加沉积完成时的含水量。
(2)通过堆场内的排水系统，快速排除泥水分离后的表面水，使得堆场泥面快速下降，体积快速缩小，可以向堆场内吹填更多的疏浚泥，从而实现减小堆场土地的使用面积。
(3)整个围堰系统采用内外水位高差实现自重排水的空间排水体系组成，布设工艺简单，成本低廉，简单易操作。
附图说明
图1是本发明实施例1中利用自重排水效应的空间排水体系布设示意图。
图2是本发明实施例1中绞吸式挖泥船绞刀具体的控制出泥含水量的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
在疏浚泥堆场中，使用如下步骤来实现快速沉积降低疏浚泥含水量，达到堆场有效容积的最优化控制。
施工的具体步骤和内容如下：
(1)排泥前布设堰内空间排水体系，如图1所示：
首先，在围堰1内的底部水平方向上逐级铺设滤水排水管2和其底部竖直方向上铺设排水管道3-1，所述滤水排水管2和所述排水管道3-1相互连通，并在围堰底部布设排水管3-2，所述排水管3-2和排水管道3-1连通并穿过围堰底部延伸至围堰外部，且排水管3-2出水口低于堰内底部高程；然后，在每根滤水排水管道2上沿着其轴向等间距竖向布设塑料排水板4，且每根竖向塑料排水板4的下端与滤水排水管道2相连通，每根竖向塑料排水板4的上端固定在拉索5上，将拉索5两端固定在围堰大堤的木桩6上，并用支架7撑起拉索5中间弯曲变形大的地方；接着，沿着滤水排水管2的轴向将水平塑料排水板8固定在竖向塑料排水板4的不同高度位置上；最后，在围堰内地基底层铺设砂垫层9，作为透水层将滤水排水管2掩埋。
同时，在堰内四周及中间位置的不同深度处埋设含水量监测设备10，本实施例含水量监测设备10采用土壤含水量传感器(FDR)。
(2)排泥过程控制绞吸泥的初始含水量，如图2所示：
首先，测定现场疏浚泥的液限含水量指标，计算排泥的初始含水量为液限八倍时的泥浆浓度；
然后，在绞吸挖泥船中，在吸泥泵14的作用下，绞吸泥通过铰刀11、吸泥管13、排泥管15，将泥浆绞吸到挖泥船上，而左右侧绞车17、18通过锚索带动绞刀桥架12以工作桩16为中心左右横移摆动，控制绞刀11的横移速度，保证挖泥施工的动态平稳性，以横移速度来控制吸泥泵14和吸泥管13的进泥浓度，保证排泥管15连续平稳的排泥浓度为上述计算的泥浆浓度；
若出泥浓度低于浓度，放慢绞刀11横移速度；若出泥浓度的高于设计浓度，加快绞刀11横移速度。
(3)自重排水：向堰内吹填设定浓度的泥浆，吹填泥浆的地点尽量远离塑料排水板，以免影响到塑料排水板。通过堰内含水量监测设备10验证吹填泥浆的含水量是否达到最优沉积初始含水量。将布设于围堰底部的排水管道3-2从堰内引出堰外，利用堰内外形成的水位差产生自重排水效应，排除疏浚沉积形成的表面水，排水和吹填可以同时进行，节省工时。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案均落在本发明要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于疏浚泥初始状态控制的堆场有效容积的最优化控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)疏浚前先在围堰内布设空间排水体系，包括和空间排水体系连通并穿过围堰底部延伸至围堰外部，且低于堰内底部高程的排水管；(2)疏浚过程控制绞吸泥的初始含水量，即疏浚过程利用控制绞刀横移速度，保证疏浚泥以设定的初始状态含水量稳定排泥；(3)自重排水利用堰内外形成的水位差产生自重排水效应，排除疏浚沉积形成的富裕水。
2.根据权利要求1所述的一种基于疏浚泥初始状态控制的堆场有效容积最优控制方法，其特征在于，所述步骤(1)包括，首先，在围堰内的底部水平方向上逐级铺设滤水排水管和其底部竖直方向上铺设排水管道，所述滤水排水管和所述排水管道相互连通，并在围堰底部布设排水管，所述排水管和排水管道连通并穿过围堰底部延伸至围堰外部，且低于堰内底部高程；然后，在每根滤水排水管道上沿着其轴向等间距竖向布设塑料排水板，且每根竖向塑料排水板的下端与滤水排水管道相连通，每根竖向塑料排水板的上端固定在拉索上，将拉索两端固定在围堰大堤的木桩上，并用支架撑起拉索中间弯曲变形大的地方；接着，沿着滤水排水管的轴向将水平塑料排水板固定在竖向塑料排水板的不同高度位置上；最后，在围堰内地基底层铺设砂垫层，作为透水层将滤水排水管掩埋。
3.根据权利要求1所述的一种基于疏浚泥初始状态控制的堆场有效容积最优控制方法，其特征在于，所述步骤(1)还包括，在堰内四周及中间位置的不同深度处埋设含水量监测设备。
4.根据权利要求1所述的一种基于疏浚泥初始状态控制的堆场有效容积最优控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，疏浚泥初始含水量控制为八倍液限值的含水量，并计算此时的泥浆浓度即为设定浓度。
5.根据权利要求4所述的一种基于疏浚泥初始状态控制的堆场有效容积最优控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，若出泥浓度低于所述的设定浓度，放慢绞刀横移速度；若出泥浓度的高于所述的设计浓度，加快绞刀横移速度。
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