河道清淤技術(shù)

中小河道清淤及淤泥處理技術(shù)我國中小河道淤積現(xiàn)象比較普遍，河道原有的調(diào)蓄洪水和防災(zāi)減災(zāi)的能力有所減弱。近幾年國家加強(qiáng)了中小河道和農(nóng)村河道的治理力度，其中清淤工程作為主要措施被廣泛實(shí)施。以江蘇省為例，在2003—2014年期間，已投資超過40億元進(jìn)行河道清淤，累計(jì)清淤量超過35億m3。目前河道清淤已經(jīng)從過去的僅以提高河道防洪、排澇和灌溉能力［2］的傳統(tǒng)水利工程目標(biāo)向生態(tài)水利目標(biāo)拓展，也就是說在很多河道清淤工程的目標(biāo)中都含有減少河道內(nèi)源污染，為河道水質(zhì)改善提供保障的工程目的。歷史上，農(nóng)村河道的清淤工程多是基于人工體力勞作的方式來完成，而大型清淤裝備、清淤船只也基本上是為了港口、航道或大江大河的大規(guī)模疏浚工程而建造，無法進(jìn)入中小河道進(jìn)行施工，因此中小河流清淤工程一般沒有非常合適的清淤裝備進(jìn)行施工。與農(nóng)村河道清淤相關(guān)的另一個(gè)問題就是淤泥的處理問題。過去農(nóng)村河道廣泛存在“挖河泥”的冬季作業(yè)，并有將挖出來的河泥進(jìn)行漚肥后作為肥料使用的習(xí)慣，這種習(xí)慣很自然地解決了淤泥的去向問題。而現(xiàn)在由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致了一些農(nóng)村河道遭受了工業(yè)污水排放的污染，而農(nóng)村生活方式的變化也使得一些小型工業(yè)廢棄物、生活垃圾被棄置于河道之中。由于這些原因，一些河泥成為“污泥”，其性質(zhì)不再適宜直接還田或經(jīng)過漚肥后作為肥料使用。另一方面，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥的使用越來越普遍，也使得原先用河泥漚制的肥料逐漸喪失了需求。過去我國在航道、港口和大規(guī)模的內(nèi)河疏浚工程較多，形成了相應(yīng)的技術(shù)方法和機(jī)械設(shè)備?！笆濉逼陂g，圍繞河湖治理時(shí)底泥中污染物的去除問題開展了較多的“環(huán)保清淤”工程，即，指將河湖底泥中聚集的污染物通過清淤方式移出湖泊、河流的工程。環(huán)保清淤與工程清淤的差異在于清淤的底泥厚度很薄，比如太湖環(huán)保清淤工程其底泥為20～40cm的居多，因此，對清淤設(shè)備本身的定位、操作系統(tǒng)的精度要求很高。太湖、滇池等富營養(yǎng)化湖泊都開展了圍繞去除底泥中富含的氮、磷營養(yǎng)而實(shí)施大規(guī)模的環(huán)保清淤工程。而城市河道也普遍展開環(huán)保清淤工作，廣州在召開亞運(yùn)會(huì)之前，為了改善河道水質(zhì)，對城市河涌進(jìn)行了普遍清淤，上海的蘇州河、南京秦淮河等城市河道都普遍實(shí)施了清淤工程。相對于湖泊而言，城市河道的環(huán)保清淤工程可稍微粗放一些，因?yàn)楹拥辣旧淼牧鲃?dòng)性和交換的特點(diǎn)，施工的精度和二次污染防治的要求都沒有湖泊敏感。目前環(huán)保清淤工程在淤泥的處理方面普遍采用了堆場堆放的模式，清淤產(chǎn)生的泥漿先進(jìn)入堆場存放，在沉淀以后進(jìn)行土地1．1排干清淤對于沒有防洪、排澇、航運(yùn)功能的流量較小的河道，排干清淤指可通過在河道施工段構(gòu)筑臨時(shí)圍堰，將河道水排干后進(jìn)行干挖或者水力沖挖的清淤方法。排干后又可分為干挖清淤和水力沖挖清淤兩種工藝。a．干挖清淤:作業(yè)區(qū)水排干后，大多數(shù)情況下都是采用挖掘機(jī)進(jìn)行開挖，挖出的淤泥直接由渣土車外運(yùn)或者放置于岸上的臨時(shí)堆放點(diǎn)。倘若河塘有一定寬度時(shí)，施工區(qū)域和儲(chǔ)泥堆放點(diǎn)之間出現(xiàn)距離，需要有中轉(zhuǎn)設(shè)備將淤泥轉(zhuǎn)運(yùn)到岸上的儲(chǔ)存堆放點(diǎn)。一般采用擠壓式泥漿泵，也就是混凝土輸送泵將流塑性淤泥進(jìn)行輸送，輸送距離可以達(dá)到200～300m，利用皮帶機(jī)進(jìn)行短距離的輸送也有工程實(shí)例。干挖清淤其優(yōu)點(diǎn)是清淤徹底，質(zhì)量易于保證而且對于設(shè)備、技術(shù)要求不高;產(chǎn)生的淤泥含水率低，易于后續(xù)處理。b．水力沖挖清淤:采用水力沖挖機(jī)組的高壓水槍沖刷底泥，將底泥擾動(dòng)成泥漿，流動(dòng)的泥漿匯集到事先設(shè)置好的低洼區(qū)，由泥泵吸取、管道輸送，將泥漿輸送至岸上的堆場或集漿池內(nèi)。水力沖挖具有機(jī)具簡單，輸送方便，施工成本低的優(yōu)點(diǎn)，但是這種方法形成的泥漿濃度低，為后續(xù)處理增加了難度，施工環(huán)境也比較惡劣。一般而言，排干清淤具有施工狀況直觀、質(zhì)量易于保證的優(yōu)點(diǎn)，也容易應(yīng)對清淤對象中含有大型、復(fù)雜垃圾的情況。其缺點(diǎn)是，由于要排干河道中的流水，增加了臨時(shí)圍堰施工的成本;同時(shí)很多河道只能在非汛期進(jìn)行施工，工期受到一定限制，施工過程易受天氣影響，并容易對河道邊坡和生態(tài)系統(tǒng)造成一定影響。1．2水下清淤水下清淤一般指將清淤機(jī)具裝備在船上，由清淤船作為施工平臺(tái)在水面上操作清淤設(shè)備將淤泥開挖，并通過管道輸送系統(tǒng)輸送到岸上堆場中。水下清淤有以下幾種方法。a．抓斗式清淤:利用抓斗式挖泥船開挖河底淤泥，通過抓斗式挖泥船前臂抓斗伸入河底，利用油壓驅(qū)動(dòng)抓斗插入底泥并閉斗抓取水下淤泥，之后提升回旋并開啟抓斗，將淤泥直接卸入靠泊在挖泥船舷旁的駁泥船中，開挖、回旋、卸泥循環(huán)作業(yè)。清出的淤泥通過駁泥船運(yùn)輸至淤泥堆場，從駁泥船卸泥仍然需要使用岸邊抓斗，將駁船上的淤泥移至岸上的淤泥堆場中。抓斗式清淤適用于開挖泥層厚度大、施工區(qū)域內(nèi)障礙物多的中、小型河道，多用于擴(kuò)大河道行洪斷面的清淤工程。抓斗式挖泥船靈活機(jī)動(dòng)，不受河道內(nèi)垃圾、石塊等障礙物影響，適合22河道淤泥的處理處置技術(shù)河道清淤必然產(chǎn)生大量淤泥，這些淤泥一般含水率高、強(qiáng)度低，部分淤泥可能含有有毒有害物質(zhì)，這些有毒有害物質(zhì)被雨水沖刷后容易浸出，從而對周圍水環(huán)境造成二次污染。因此有必要對清淤后產(chǎn)生的淤泥進(jìn)行合理的處理處置。淤泥的處理方法受到淤泥本身的基本物理和化學(xué)性質(zhì)的影響，這些基本性質(zhì)主要包括淤泥的初始含水率(水與干土質(zhì)量比，下同)、黏粒含量、有機(jī)質(zhì)含量、黏土礦物種類及污染物類型和污染程度。在實(shí)際的淤泥處理工程中，可以根據(jù)待處理淤泥的基本性質(zhì)和擁有的處理?xiàng)l件，選擇合適的處理方案?？v觀國內(nèi)外淤泥處理處置技術(shù)，可以按照不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行如表2所示的分類，在實(shí)際的淤泥處理工程中，可以根據(jù)待處理淤泥的基本性質(zhì)和擁有的處理?xiàng)l件，選擇合適的處理方案。2．1無污染淤泥與污染淤泥的處理淤泥是否污染及含有的污染物種類不同，其相應(yīng)的處理方法也不盡相同，某些水利工程中產(chǎn)生的淤泥基本上沒有污染物或污染物低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，例如南水北調(diào)東線工程淮安白馬湖段疏浚淤泥無重金屬污染，同時(shí)氮磷等營養(yǎng)鹽的含量也低，對于此類無污染或輕污染的淤泥可以進(jìn)行資源化處理，這類淤泥主要產(chǎn)生于工業(yè)比較落后的農(nóng)村地區(qū)。而對污染物超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的淤泥，則在處理時(shí)首先應(yīng)考慮降低污染水平到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之下，例如對重金屬污染超標(biāo)的淤泥可以采取鈍化穩(wěn)定化技術(shù)。淤泥處理技術(shù)的選擇也要考慮到處理后的用途，比如對氮、磷營養(yǎng)鹽含量高的淤泥，當(dāng)處理后的淤泥擬用作路堤或普通填土而離水源地較遠(yuǎn)，氮、磷無法再次進(jìn)入到水源地造成污染時(shí)，一般不再考慮氮磷的污染問題。a．堆場處理與就地處理:堆場處理法是指將淤泥清淤出來后，輸送到指定的淤泥堆場進(jìn)行處理，我國河道清淤大多采用絞吸式挖泥船，造成淤泥中水與泥的體積比在5倍以上，而淤泥本身黏粒含量很高，透水性差，固結(jié)過程緩慢，因此，如何實(shí)現(xiàn)泥水快速分離，縮短淤泥沉降固結(jié)時(shí)間，從而加快堆場的周轉(zhuǎn)使用或快速復(fù)耕，是堆場處理法中關(guān)鍵性問題。就地處理法則不將底泥疏浚出來，而是直接在水下對底泥進(jìn)行覆蓋處理或者是排干上覆水體然后進(jìn)行脫水、固化或物理淋洗處理，但也應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選用處理方法，如對于淺水或水體流速較大的水域，不宜采用原位覆蓋處理，對于大面積深水水域則不宜采用排干就地處理。b．資源化利用與常規(guī)處置:淤泥從本質(zhì)上來講屬于工程廢棄物，按照固體廢棄物處理的減量化、無害化、資源化原則，應(yīng)盡可能對淤泥考慮資源化利用。廣義上講，只要是能將廢棄淤泥重新進(jìn)行利用的方法都屬于資源化利用，例如利用淤泥制磚瓦、陶粒以及固化、干化、土壤化等方法都屬于淤泥再生資源化技術(shù)。而農(nóng)村地帶可將沒有重金屬污染但氮、磷含量比較豐富的淤泥進(jìn)行還田，成為農(nóng)田中的土壤?；蛘邔⑦@種淤泥在洼地堆放后作為農(nóng)用土地進(jìn)行利用。當(dāng)然在堆場堆放以后如果能夠自然干化，滿足人及輕型設(shè)備在表面作業(yè)所要求的承載力的話，作為公園、綠地甚至市政、建筑用地都是可以的。利用淤泥的資源化利用技術(shù)是國際上很多發(fā)達(dá)國家常采用的處理方法，如在日本，整個(gè)土建行業(yè)的廢棄物利用率已經(jīng)從1995年的58%提高到2000年的80%，淤泥等廢棄土的利用率也達(dá)到了60%［8］。當(dāng)淤泥中含有某些特殊污染物如重金屬或某些高分子難降解有機(jī)污染物而無法去除，進(jìn)行資源化利用會(huì)造成二次污染。這時(shí)就需要對其進(jìn)行一步到位的處置，即采用措施降低其生物毒性后進(jìn)行安全填埋，并需相應(yīng)做好填埋場的防滲設(shè)置。2．2污染淤泥的鈍化處理技術(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)的河道淤泥中重金屬污染物往往超標(biāo)，通常意義上的污染淤泥多指淤泥中的重金屬污染，例如上海蘇州河的淤泥中重金屬比當(dāng)?shù)乇尘爸蹈叱?倍以上［10］，對此類重金屬超標(biāo)的淤泥，可以采用鈍化處理技術(shù)。鈍化處理是根據(jù)淤泥中的重金屬在不同的環(huán)境中具有不同的活性狀態(tài)，添加相應(yīng)的化學(xué)材料使淤泥中不穩(wěn)定態(tài)的重金屬轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定態(tài)的重金屬而減小重金屬的活性，達(dá)到降低污染的目的。同時(shí)添加的化學(xué)材料和淤泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一些具有對重金屬物理包裹的物質(zhì)，可以降低重金屬的浸出性，從而進(jìn)一步降低重金屬的釋放和危害［11-12］。鈍化后重金屬的浸出量小于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求之后，這種淤泥可以在低洼地處置，也可作為填土材料進(jìn)行利用。2．3堆場淤泥處置技術(shù)清淤工程中通常設(shè)置淤泥堆場，堆場處理技術(shù)就是從初始的吹填階段開始，采用系列的處理措施快速促沉、快速固結(jié)，并結(jié)合表層處理技術(shù)，將淤泥堆場周轉(zhuǎn)使用或者達(dá)到淤泥堆場的快速復(fù)耕。堆場周轉(zhuǎn)技術(shù)目的是減小堆場數(shù)量和占地，堆場表層處理技術(shù)是為后續(xù)施工提供操作平臺(tái)，而堆場的快速復(fù)耕技術(shù)則是通過系列技術(shù)的結(jié)合達(dá)到使淤泥堆場快速還原為耕地。a．堆場周轉(zhuǎn)使用技術(shù)。堆場周轉(zhuǎn)使用技術(shù)是指通過技術(shù)措施將堆場中的淤泥快速處理，清空以后重新吹淤使用，如此反復(fù)達(dá)到堆場循環(huán)利用的目的。堆場周轉(zhuǎn)技術(shù)改變了以前的大堆場、大容量的設(shè)計(jì)方法，而提出采用小堆場、高效周轉(zhuǎn)的理念，特別適合于土地資源緊缺的東部地區(qū)。堆場周轉(zhuǎn)技術(shù)的設(shè)計(jì)主要考慮需要處理的淤泥總量、堆場的容量、周轉(zhuǎn)周期和周轉(zhuǎn)次數(shù)等，該技術(shù)通常可以和固化或者干化技術(shù)相結(jié)合，就地采用固化淤泥或干化淤泥作為堆場圍堰，同時(shí)也可以對堆場內(nèi)的淤泥進(jìn)行快速資源化利用。b．堆場表層處理技術(shù)。清淤泥漿的初始含水率一般在80%以上，而淤泥的顆粒極細(xì)小，黏粒含量都在20%以上，這使得泥漿在堆場中沉積速度非常緩慢，固結(jié)時(shí)間很長。吹淤后的淤泥堆場在落淤后的兩三年時(shí)間內(nèi)只能在表面形成20cm左右厚的天然硬殼層，而下部仍然為流態(tài)的淤泥，含水率仍在1.5倍液限以上，進(jìn)行普通的地基處理難度很大［13］。堆場表層處理技術(shù)則是利用淤泥堆場原位固化處理技術(shù)(圖4)，人為地在淤泥堆場表面快速形成一層人工硬殼層，人工硬殼層具有一定的強(qiáng)度和剛度，滿足小型機(jī)械的施工要求，可以進(jìn)行排水板鋪設(shè)和堆載施工，從而方便對堆場進(jìn)一步的處理。人工硬殼層的設(shè)計(jì)是表層處理技術(shù)的關(guān)鍵，主要考慮后續(xù)施工的要求，結(jié)合下部淤泥的性質(zhì)，通過試驗(yàn)和模擬確定硬殼層的強(qiáng)度參數(shù)和設(shè)計(jì)厚度，人工硬殼層技術(shù)又往往和淤泥固化技術(shù)相結(jié)合形成固化淤泥人工硬殼層，也可以利用聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)顆粒形成輕質(zhì)人工硬殼層則效果更佳。方法。熱處理方法是通過加熱、燒結(jié)將淤泥轉(zhuǎn)化為建筑材料，按照原理的差異又可以分為燒結(jié)和熔融。燒結(jié)是通過加熱800～1200℃，使淤泥脫水、有機(jī)成分分解、粒子之間黏結(jié)，如果淤泥的含水率適宜，則可以用來制磚或水泥。熔融則是通過加熱1200～1500℃使淤泥脫水、有機(jī)成分分解、無機(jī)礦物熔化，熔漿通過冷卻處理可以制作成陶粒。熱處理技術(shù)已經(jīng)比較成熟，國外和國內(nèi)的不少學(xué)者都進(jìn)行過相關(guān)研究［16-17］。熱處理技術(shù)的特點(diǎn)是產(chǎn)品的附加值高，但熱處理技術(shù)能夠處理的淤泥量非常有限，比如普通制磚廠1年大概能消耗淤泥5萬m3，不能滿足目前我國疏浚淤泥動(dòng)輒上百萬立方米發(fā)生量的處理需求，從淤泥的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化處理前景來講，固化、干化、土壤化的淤泥資源化利用技術(shù)是具有生命力的，若與堆場處理技術(shù)相結(jié)合則更能顯示出效益。3清淤及淤泥處理處置技術(shù)的發(fā)展方向隨著社會(huì)的發(fā)展，對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視，越來越多的城市和農(nóng)村河道將進(jìn)行清淤和疏浚工程，清淤產(chǎn)生的大量淤泥占用大面積堆場，因此對清淤技術(shù)和淤泥處理處置技術(shù)提出了新的要求［17］。最新的清淤技術(shù)目前有以下幾種:a．高濃度原位環(huán)保清淤方法。由于目前常用的環(huán)保清淤方法清淤出的淤泥濃度在15%～20%左右，水分子的體積要遠(yuǎn)大于土顆粒的體積，清淤泥漿的體積大約為顆粒的4～5倍。這些高含水泥漿往往需要較大的堆場進(jìn)行放置，很多清淤工程因?yàn)槎褕鰣龅氐膯栴}而受到嚴(yán)重制約。高濃度原位環(huán)保清淤能夠降低清淤過程中泥漿的增容率，在中間輸送過程中可以使泥漿含水率得到降低，將淤泥直接變成可以用于填土的土材料使用。因此，為了節(jié)省占地和降低整個(gè)清淤和淤泥處理的成本，高濃度原位環(huán)保清淤技術(shù)已經(jīng)成為未來的發(fā)展趨勢［8］。b．堆場淤泥快速排水技術(shù)。目前大多數(shù)內(nèi)河清淤的淤泥都在堆場中堆放。淤泥堆場經(jīng)過地基處理，解決其長期沼澤狀態(tài)的問題后可用于建設(shè)、景觀、農(nóng)田利用的土地。而這一地基處理過程就是淤泥固結(jié)排水的過程。淤泥黏粒含量高，透水性差，在自重作用下的固結(jié)時(shí)間長，自重固結(jié)后的強(qiáng)度低。淤泥的快速排水固結(jié)問題成為一個(gè)亟待解決的問題。軟黏土地基使用的真空預(yù)壓法和堆載預(yù)壓法，對于淤泥往往難以發(fā)揮良好的效果［18-19］。淤泥含水率極高，處于流動(dòng)狀態(tài)，顆粒之間的有效應(yīng)力非常低，在高壓抽真空的狀態(tài)下淤泥顆粒會(huì)和間隙水一起流動(dòng)，從而使排水板出現(xiàn)淤堵而無法排水。如何解決排水系統(tǒng)的淤堵問題成為淤泥快速排水的關(guān)鍵。堆場淤泥快速排水技術(shù)是在淤泥內(nèi)鋪設(shè)多層多排水平排水通道，其層間距、排間距都在60～80cm左右，以形成高密度泥下排水網(wǎng)絡(luò)。將該網(wǎng)絡(luò)與地面密封的水平排水管密封連接，再與射流排水裝置連接