基于耙吸式挖泥船的河床沉底垃圾过滤研究

张承华 孙一航 蔡林 周庆 李志坚

摘 要：沿江沿海地带沉底垃圾情况持续恶化，使得水质恶化，其覆盖、扰动等因素影响底栖生物的正常生长， 甚至导致其死亡，直接或间接对人类身体健康造成损害。同时夹杂着大量塑料垃圾和大块碎石的泥沙用于吹填，导致泥沙沉降较慢、排水固结速度慢、短期固结强度低等，为吹填造陆带来了较大难度。疏浚时垃圾进入泥泵造成堵塞，使得工作效率低下，而且影响了疏浚质量。由于我国疏浚工程发展迅速，国内沿海疏浚需求总量巨大，因此，通过耙吸式挖泥船进行沉底垃圾过滤，可有效提高疏浚效率，并减少了沉底垃圾，从而改善了生态环境。

关键词：沉底垃圾 过滤装置 铰碎装置 耙吸式挖泥船 生态环境

据相关统计，沉底垃圾情况持续恶化，在一些地方已经严重威胁到人类生存的环境。资料显示，2009年曾有七头抹香鲸在意大利南部海岸搁浅死亡，解剖发现它们的胃、肠道中塞满了塑料、绳索、渔网等海洋垃圾，部分内脏器官已经穿孔并坏死。部分海洋垃圾长期浸泡后会释放药物残留及化学物质，直接或间接对人类身体健康造成损害。

耙吸式挖泥船在施工的过程中，沉底垃圾伴随泥沙在泥泵叶轮流道内、泥泵叶轮同泵壳之间常常会有卡阻的情况，导致泥管无法进行正常工作，严重时会造成设备损坏。传统的解决方式就是停止工作后由轮机和甲板工作人员配合进行清理，使得工作效率低下，但是海底塑料垃圾混在泥沙之中，很难进行处理。同时疏浚的泥沙中夹杂着大量塑料垃圾和大块碎石，以致吹填造陆过程泥沙沉降较慢、排水固结速度慢、短期固结强度低等，为吹填造陆带来了较大难度，从而影响了疏浚质量。本文通过耙吸式挖泥船进行沉底垃圾过滤，通过一款铰刀将渔网等大块垃圾绞碎，可有效避免泥泵被碎石堵塞，防止输泥管被渔网等杂物堵塞，提高疏浚质量和工作效率的同时清理多种沉底垃圾。

1.现有的沉底垃圾清理现状以及存在的问题

如今全世界对海洋垃圾污染的严重性有了更深刻的认识，采取了大量的防治措施。传统的收集海洋垃圾的方式莫过于打捞。大海广阔无垠，且有洋流作用，海上垃圾位置随着洋流不断变化，海洋上的垃圾散布在各处，而并非聚集在一起，传统的打捞方法势会耗费大量的人力物力，且效率低下。

除了传统的打捞方法，来自荷兰的Boyan Slat在他19岁时提出“巨型漏斗”装置来拦截海洋垃圾。这个装置利用洋流的运动，使得在海洋表面的垃圾随着洋流漂流到清理平台中，并且可以使浮游生物通过。因为这项发明，他于2014年获得UNEP颁发的“地球卫士奖”，但是这种清理方式对于海洋沉底垃圾清理存在局限。

2.基于耙吸式挖泥船的河床沉底垃圾过滤

考虑充分利用塑料等垃圾的性质和特点，耙合绞吸式挖泥船输泥管内泥浆的流动性和冲击特性，本文通过研究一种适用于过滤塑料垃圾的耙吸式挖泥船，以普通的耙吸式船体为主，其中包含了耙头、吸管、泥泵、泥仓和溢流堰等各部分组件，也是实现塑料垃圾过滤的基本组成部分，结合其独特铰碎装置和过滤装置，实现塑料垃圾等的有效过滤。

3.沉底垃圾的铰碎过程

由于夹杂在泥沙中的沉底垃圾进入耙头后随泥沙在输泥管流动，为防止造成泥泵的堵塞，在泥泵之前加装垃圾的铰碎装置，铰碎装置处设计的挂钩可以将渔网等大片塑料垃圾钩住，并将石块等大块硬质物质击碎，螺旋铰刀可以有效将钩在挂钩上的渔网等塑料垃圾铰碎，防止其直接进入泥泵，降低泥管中大块网状垃圾和大块碎石的含量，有效防止泥泵被堵塞，提升泥管的输送效率，此装置位于耙吸管内的泥泵之前，主要由钩刀和绞刀两部分组成。

（1）钩刀部分。本作品设计的钩刀部分由八个均匀阵列的硬质合金钩刀组成，钩刀主要用于直接切碎大部分硬质塑料垃圾和大块石块，其长期处于水中，要求其具有足够的硬度、韧性和抗腐蚀性能。

（2）铰刀部分。刀轴：用于固定铰刀，为铰刀提供轴力，故要求其具有较强的韧性和耐腐蚀性。铰刀：由两片刀叶组成，为螺旋桨状。用于绞碎渔网等大块塑料垃圾，防止进入泥泵产生堵塞，为保证铰刀的切割性能高，保证其锋利程度，采用硬质合金材料，要求其具有良好的耐磨性能和韧性。螺旋桨状的设计使其可以提供泥泵以外的吸力，可以抵消钩刀造成的对泥水的阻力。

4.铰碎后的沉底垃圾过滤过程

本文研究的通过耙吸式挖泥船实现垃圾过滤在于过滤装置部分，此装置位于耙吸管尾部末端，是进入泥仓之前的对于各种垃圾的一次全面过滤。在进入泥仓处设有过滤装置，可以将经过铰刀切碎后同泥浆进入泥管的渔网等大块塑料垃圾较为全面过滤，最后达到分离的效果，过滤装置部分主要分为边框滤网部分、锥形滤网部分、滤框加强体和倒置叩门部分。

（1）边框滤网部分。边框滤网用于过滤和储存塑料等垃圾，要求其具有良好的耐磨性和通透性。镍带具有铁磁性的金属元素，它能够高度磨光和抗腐蚀，是制造过滤网首选的原材料。镍经辗压成波浪网形，以正确的角度彼此交叉叠合而成；多层折叠扩张是以不同的密度、孔径由粗到细的排列，使物体通过时多次改变流动方向，增大其效率。

（2）錐形滤网部分。锥形滤网主要用于分离泥管流入的塑料垃圾和泥浆，要求其具有良好的通透性能，为了便于分离，将滤网设有合适的倾斜度；为满足滤网的轻度要求，同样滤网也是采用多层扩张铝箔网或不锈钢网为过滤器的专用滤材，经辗压成波浪网形，以正确的角度彼此交叉叠合而成；多层折叠扩张是以不同的密度、孔径由粗到细的排列，使物体通过时多次改变流动方向，增大其效率。

（3）滤框加强体部分。由于泥浆及垃圾对滤网的冲击力较强，滤网难以满足泥浆的承重和冲击力。故沿着滤网加上一个加强体框，保证滤网不产生变形从而顺利地过滤，加强体滤框可采用不锈钢作为材料。

（4）倒置叩门部分

滤框储存垃圾具有一定的容量，当垃圾储存满载之后，需及时进行清理，为方便储存框内垃圾的倾卸，在储存框的底部设置门，当垃圾满载时，即可到指定位置进行倾斜处理，保证工作的有序进行。

5.沉底垃圾的分离原理

由于滤网受到泥和垃圾的垂直冲击力，且泥管的流速相当的高，对滤框容易由于冲击力发生变形，随着垃圾的增多，造成垃圾堆积和形成泥浆排泄的困难，为解决这个问题，在滤框内增设一个锥形滤网，增加垃圾和泥与滤网的接触面积，并将垃圾顺利滑到边框，让泥浆顺利排泄到泥仓。

（式中：i单位时间内流体的冲量，F流体对滤网的冲力，M垃圾的质量，m泥浆的质量，t单位时间，a滤网与水平面的倾斜角度，f滤网对垃圾的摩擦力，T垃圾侧向滑动力）

6.结束语

本文研究的基于耙吸式挖泥船的河床沉底垃圾过滤，是在传统的耙吸式挖泥船的基础上增添铰刀、过滤装置等特点，可以有效解决传统耙吸式挖泥船泥泵容易堵塞、塑料垃圾带来的二次污染。通过解决这两项问题，利于提高挖泥船的装载速率，提高吹填泥浆的沉淀速度、纯度，在吹填造岛的同时，将海底的一些长期无法分解的塑料垃圾除去，进行有效处理。但是，在设想的基础上，我们依旧有很多方面需要进一步的研究和改进：

（1）水下铰刀、钩刀的安装难度，以及装置在海中的可操作程度。

（2）铰刀理论形状的进一步探讨，使其达到在水中的切割最大化。

（3）不同的土质，是否需要不同的过滤孔径。

（4）垃圾的过滤程度不够高，可以进一步改进。

参考文献：

[1]纪凯.16888m3耙吸式挖泥船设计简介[J].上海造船厂，2007，72（04）：24-26.

[2]聂敏.耙吸挖泥船航道疏浚工程分析[J].建材与装饰，2018， （32），266-267

[3]温源远.借鉴国际经验技术加强我国海洋环境治理[J].世界环境，2016， （01），72-73

[4]林琪.微塑料：“看不见”的海洋垃圾[J].环境，2018， （01），66-68

[5]寿文荣.张伟“中水电01”绞吸船铰刀改造及施工工艺的改进.中国修船2017-12-01