浅谈河道清淤疏浚技术
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1.概述
随着国民经济的发展，水利已成为国民经济建设重要组成部分，加大河道清淤疏浚力度，提高排灌、泄洪能力刻不容缓。
河道清淤疏浚设备仍以挖泥船为主，不同类型的挖泥船对施工环境、水深、气象等作业条件的适应性差异较大。对将要进行的疏浚区域，根据工程特点、气候条件、环境要求等因素优化方案尤为重要。水下真空清淤技术，即水力清淤和气力清淤，用高压水或高压风为动力，船体或浮箱做载体，在中小型工程清淤中可作为主要设备，大型工程清淤中可作为辅助机械。
2.工作原理
真空清淤的工作原理是根据水力学理论和空气动力学原理，通过从混合室进口处通入具有一定能量的压力水或高压风，使混合室内形成真空，在压力差的作用下，管内产生强大的真空吸力，物体从吸嘴处被吸入，进入混合室形成流动的混合体，并沿扬泥管从出口排出。
3.基本结构
3.1真空清淤工艺流程
真空清淤工艺系统的主要组成是：动力源（高压水泵或空压机）、动力管（高压水管或高压风管）、混合器、吸泥头、吸泥管、扬泥管、输泥管等。其工艺流程见图1。
真空清淤机构的设计，是以清淤工程需要，选择清淤器类型，根据确定的类型计算混合器尺寸，及各种管路直径，最后确定高压水泵或空压机的参数。
3.2真空清淤结构
3.2.1水力清淤的混合器结构
水力清淤混合器（射流泵），其结构如图2所示。一般实际应用水力清淤的混合器，其喉管截面与高压水喷嘴截面的比值约为4～10倍；吸泥管截面与喷嘴截面的比值约为15～20倍；喉管长度与直径相同，使混合后的泥浆具有较稳定的流动状态；扩散管一般做成锥形，以提高排出泥浆的位能和减少由动能转为位能时的能量损失。
吸入泥浆时所需要的高压水的流量，约与泥浆量相同。吸入的泥浆和高压水混合后的稀释泥浆，在管内的适宜流速，应不超过2～3m/s；喷嘴处的高压水流速，一般约为30～50m/s，喷嘴处的有效水压对扬泥所需要的水压之比值，一般为7.5。清淤机的工作效率约为水泵工作效率的10～20%。这些数据可作为粗略估算时参考。
3.2.2气力清淤的混合器结构
气力清淤比较有效，典型的空气混合器结构型式如图3所示。这种类型清淤机在泥浆管路中没有直径缩小断面，有利于泥浆通过，也可通过一定直径的卵石或块石。
压缩空气进入吸泥头混合室的小孔，与管壁的交角不宜大于45°。小孔的总面积，一般采用进气管净面积的1.5倍。排泥管不宜过长或急弯，以减少堵塞，弯曲处宜用加大的管径，并在弯管上方开一个可启闭的天窗，以便清除管内堵塞物。吸泥头的空气箱底部可设置一个活门，以便清除箱内堵塞的泥沙。用于吸泥沙时，排泥管可用胶管，吸含有卵石的泥沙时宜用钢管并取消下端吸泥口的钢筋网。而在管口内壁焊上一圈3×50mm的扁钢，以减少卵石在管中卡住的可能。在水深较大或含有卵石的场所，使用接力式吸泥装置效果更佳。
4.主要参数计算
4.1水力清淤水泵主要参数
高压水泵是供给水力清淤高压水的设备，在施工中常选用电动多级离心式水泵。水泵可选择单台也可选择多台。当单台水泵的工作压力不能满足要求时，可将几台水泵串联使用；水量不能满足要求时，可将几台水泵并联使用；水压水量都不能满足时，可在串联后再并联。串联或并联中的每台水泵在工作范围内的水量和工作水压（扬程）要相互接近，相差过大时不宜使用。
水泵串联时，在其Q—H曲线上任一点的杨程H，应为单台水泵Q—H曲线上相同Q点的杨程之和，即H=Ha＋Hb＋Hn。水泵相同时H=nHa。串联的各台水泵如规格不同，宜将水压较低的或水量
较大的水泵置于进水方向。
水泵并联时，水压与其中最低的一台相同，水量则小于各台水量之和，大于每台的单独供水量，并联时管路的连接，应尽可能使交角减小，交角一般应小于60°。
水泵的工作压力（扬程）
H = H1＋H2＋H3 m
式中：
H1——喷水嘴处需要的压力，H1=7.5 H2
H2——扬泥所需要的压力。（根据扬泥高度确定）
H3——管路中压力损失，H3=hf＋hj
式中:
hf——管路中沿程压力损失；hj——管路中局部压力损失；λ——沿程水头损失系数；u——流速；
R——水力半径；L——计算长度；
ξ——局部水头损失系数。
Hf、hj值的计算请参照有关水力学公式。
式中：
H——空气混合器在水面以下的深度，m.
h——排泥管出口与水面的高差，m
Q——泥浆流量，m3/min
c1——校正系数，一般c1≈1.5～2.0
c2——系数，视空气混合室的相对深度而定。一般取值如下：14.3，13.9，13.6，13.1，12.4，11.5，10.6，9.6相对深度大时取大值。
e——由吸扬净水折算为吸扬泥浆所需的空气增大系数，
式中：
γ——水比重。t/m3.
γ2——泥浆比重。t/m3
γ3——泥浆与空气的混合体的比重（一般为0.4～0.6），t/m3
需要的压缩空气压力（空气表压力）：
式中：
q——进入混合室的压缩空气量，m3/min；
u——空气在管内的流速，一般取600～1200 m/min。
需要的压缩空气总量：
q总——（1.2～1.3）n.q.k，m3/min；
n——清淤机台数；
k——清淤机同时工作系数，
当n取1，1~3，4~6，7~10，10~20，25以上时；k 取1，0.9，0.8，0.7，0.6，0.5。
一般应用气力清淤时，当吸泥管直径为：Ф100，Ф150，Ф250，Ф300mm时，每台吸泥器对应的空气压缩机容量分别为 6，9，20，23m3/min，可将前列算式计算所得值，以此值参照校对。
5.工程实例
5.1长江三峡工程
长江三峡工程左岸下游航道隔流堤水下清淤工程，工程量为400余万m3，月平均强度45万m3左右，水下地形复杂，暗礁丛生，槽缝密布，深水作业量大，最大水深24m，15～24m范围的深水清淤工程量约50万m3。
根据多种施工方案比较和论证确定如下方案。对于水深在15m以内的一般清雅蒂鲁霍工程
印度尼西亚雅蒂鲁霍水库大坝修复工程水下清淤，工程量约1500m3，清淤面积约4500m2，淤积深度约0.5m，水深30~40m，清除弃料要求输送到200m以外，清淤工作不能影响水轮机发电机组正常运行发电。
针对该工程清淤量小、深水作业、淤积层薄的特点，首选方案为气力真空吸泥法（挖泥船因水深、量小、且费用昂贵不宜选用）。其主要设备及参数是：自制浮船2艘，船体面积分别为9m×3.2m和2.5m×3m，两套清淤系统，吸泥器管直径分别为Ф159mm和Ф75mm。其中小的清淤系统负责进水塔周围5m区域，其它区域由大的清淤系统完成，小的清淤系统的输送管通入大的清淤系统的主输泥管。输泥管每隔10m设一浮体，以保证输泥管均匀地浮在水面上。空压机选用供气量为12m3/min一台，工作压力为0.9MPa。
浮船用缆绳锚固定位，整个清淤过程均由超声波测深仪和水下电视监控，用以指导定位或及时调整清淤管高度，同时进行录像，据此作为工程验收和移交的依据。
参考资料：
[1]港口工程施工手册.北京：人民交通出版社，1994
[2]水利学.北京：水利电力出版社，1978
[3]桥涵.铁路施工技术手册[M].北京：人民铁路出版社，1965
[4]周厚贵.三峡一期工程施工几个技术问题的解决途径[J].水利水电施工，1994（4）