CN103821196A - 一种与疏浚刀头同步的底泥划耕装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种与疏浚刀头同步的底泥划耕装置，包括疏浚刀头和疏浚刀头罩，所述疏浚刀头罩为侧面作平面切割后的圆台形，包括罩体筒壁、前底壁和后底壁；疏浚刀头从后底壁上开设的孔内伸入疏浚刀头罩内，并安装在后底壁上；罩体筒壁切割处两端的端部各安装一组齿耙型划耕构件；齿耙型划耕构件包括立架及划耕齿耙；划耕齿耙顶端尖锐，尾端具有一圆形头部；立架上设有半圆形凹槽；划耕齿耙的圆形头部安装在半圆形凹槽中；立架固定安装在罩体筒壁外侧。本发明借助疏浚刀头罩横向摆动和划耕齿耙与底泥摩擦位置不同，控制划耕齿耙的立卧姿态，借助疏浚刀头罩扇形摆动的推力，使立姿划耕齿耙形成对底泥表层以疏浚刀头摆动方向和速度一致的同步性划耕。

Description

一种与疏浚刀头同步的底泥划耕装置

技术领域

本发明属于生态环境保护技术和机械设计领域，涉及一种与疏浚刀头同步的底泥划耕装置。 

背景技术

底泥疏浚是一类从水体中取出或去除泥沙的应用最广泛的工程技术手段。对于那些底泥已受污染、敏感性（如饮用水源）高或深度较大水体，湿法（即带水）疏浚技术为首要选择，其可选择的疏浚刀头主要有螺旋式和或圆盘式环保绞刀，以及刮扫吸头等。除了追求按设计要求的垂向高精度疏浚外，泥沙的低扩散和低残泥量、表面的平整度等，也是湿法疏浚对疏浚刀具及其装备所追求的内容（李金贵、李进军、杨建华、丁树友，《污染底泥精确疏浚技术》，中国港湾建设，2004，(6)：11-20）。为防止疏浚中细颗粒泥沙扩散，还必须在疏浚刀具外加装防扩散罩（张景明、王健、张晴波、陆欣华、张春华、鲍艳芳，“双吸口环保疏浚绞刀头装置”，ZL 200520044977.X），这不仅是提高疏浚效率，还主要是使作业完全在疏浚刀头罩的防护状态下进行，一方面最大限度地保护疏浚水体水质，另一方面也提高对底泥表层有较高的疏浚质量。

高的疏浚质量是需要追求的，但往往会在疏浚后形成一密实性较高的底泥新生表层。如果是沉积物，则该层沉积底质的历史将视疏浚深度的不同而有很多差别，可达数百年甚至上万年。如以污染物去除为目的的浅水湖疏浚，对表层底泥的去除深度约20cm左右，就相当于去除了1000多年的沉积底泥；而对非污染区得工程性疏浚，其疏浚深度普遍在50cm以上，有时甚至达到2m，此时则相当于去除了近万年的沉积物。由于某层位的底泥密实度除与自身物化性质有关外，还主要受沉积并堆积于其上的底泥层厚度的影响。长期的底泥压实作用和有机质的早期成岩作用等，使得沉积底质密实性不断增加、孔隙度或含水率不断减小。据分析，沉积于千年至万年前的沉积底质，其孔隙度往往低于0.60，有些甚至仅为0.3左右（范成新、周易勇、吴庆龙等，2013，《湖泊沉积物界面过程与效应》，北京，科学出版社）。即使疏浚后这样的新生表层在水下暴露数年，除去沉降层外，其表层底泥的孔隙度变化也不大，因此，高密实性底泥在疏浚后暴露于水体底部的现象是必然存在的。

以低孔隙度为特征的密实性底泥，对水体底部着生型生物的生长相当不利。常见的湖泊、河流底部着生型生物是大型底栖生物和大型维管束植物，它们都是水体生态系统中具有重要生态位的生物种群。大型底栖动物（环节动物、软体动物和节肢动物等）为了能在水底生存繁殖，将需通过在底泥中或其上的摄食、匍行、筑穴、钻孔等生活行为方可存活下来（蔡永久、龚志军、秦伯强，《太湖大型底栖动物群落结构及多样性》，生物多样性，2010，18 (1): 50-59）；大型维管束植物（如挺水植物、浮叶植物和沉水植物）的种子或营养繁殖体，由于其初期根、茎所生出的须根需要向底泥内部伸展，这就要依赖底质有较好的着生性，并通过萌发的根系扎入底泥，不仅将自己牢固定植于水域中适当位置，而且由根系从底泥中吸收养分维系自己的生长（黄蔚、陈开宁，《沉积物理化性质与沉水植物鲜重、多样性指数及种的饱和度相关性分析》，湖泊科学，2010，22(4):545-551）。因此底泥的密实度过高，对着生型的大型底栖生物和大型维管束植物，都将难以在底泥中形成有效着生和成活。此外，疏浚后底泥表层过于平整也对生物的着生产生一定程度的影响。

绝大多数浅水湖和河流底部都生长有底栖生物，一些滨岸区还有大型维管束植物，而高质量湿法疏浚会增加底泥密实度以及使表层过于平整，不同程度地影响着底栖生物和大型维管束植物的着生性，使其在疏浚后一段时间难以得到恢复和生长（陆桂华、张建华、马倩等，《太湖生态清淤及调水引流》，科学出版社，2012，188-196），对水体生态系统产生影响。随着疏浚业的发展，生态和环保理念已贯穿于疏浚方案的制定、疏浚设备的选择和疏浚施工等一系列过程，其中对于疏浚后，如何尽快恢复如底栖生物和水生植物等生物资源，将成为污染水体环保和生态疏浚效益评估的重要内容（房玲娣、朱威，2011，《太湖污染底泥生态疏浚规划研究》，河海大学出版社，2-7）。虽然疏浚后人们仍可采用其他手段改善密实性底泥的适生性，但由于疏浚属水下“隐蔽”工程，具有不可见性，疏浚以后再调集其他机械和动力装置，在原来疏浚水域开展以水下底质疏松为目的的工程，不仅将产生很大的成本，实际操作起来将会很困难。如果寻找或建立一种可与疏浚作业同步方法对疏浚底泥进行密实性改善，必将推进行业的技术进步。

底泥密实度高的问题实际是以孔隙率小为主要特征的底质物理改善问题（范成新，“水体密实性底泥的植物适生性恢复方法”，ZL201010524103.X），而湖泊和河流等水体中大型底栖生物和大型维管束植物在底泥中的生存尺度大多在表层5-10cm厚度以内。因此，设计新的疏浚设备来有效改善疏浚后底泥的密实度、帮助底泥适生生境尽快恢复，满足大型底栖生物和大型维管束植物尽快找到适生环境，将是环保和生态疏浚行业努力创新的方向之一，这特别对那些生态脆弱型和水源型的特殊水体的疏浚及决策，尤为重要。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种改善疏浚后表层底泥密实性高的底泥划耕装置，疏浚中可同步对表层底泥进行密实性改良和平整度改变，满足大型底栖生物和维管束植物生长对底质的物理环境要求。

本发明所提供的与疏浚刀头同步的底泥划耕装置，借助疏浚船对疏浚刀头的横向摆动力来改变底泥的密实度和平整性，使疏浚后底质的孔隙率增加、平整度降低，达到改善湖底适生性环境，使底泥疏浚装备具有更丰富的环保和生态特征。

本发明所提供的与疏浚刀头同步的底泥划耕装置，包括疏浚刀头和疏浚刀头罩，其特征在于：所述疏浚刀头罩为侧面作平面切割后的圆台形，包括罩体筒壁、前底壁和后底壁；所述疏浚刀头从所述后底壁上开设的孔内伸入疏浚刀头罩内，并安装在所述后底壁上；所述疏浚刀头罩的罩体筒壁切割处两端的端部分别安装有一组齿耙型划耕构件；所述齿耙型划耕构件包括立架以及安装在所述立架上的划耕齿耙；所述划耕齿耙顶端尖锐，尾端具有一圆形头部；所述立架上设有半圆形凹槽；所述划耕齿耙的圆形头部通过旋转轴栓安装在所述立架的半圆形凹槽中；所述立架固定安装在罩体筒壁的外侧。

疏浚刀头以桥架在船体一端为圆心，作扇形左右摆动，疏浚刀头罩的罩体筒壁上加装齿耙型划耕构件，齿耙型划耕构件中的划耕耙齿与疏浚刀头同步摆动，划耕耙齿的下端随着疏浚刀头的运行速度对刚出疏浚刀头罩的表层底泥进行划耕。随着疏浚船的前行和疏浚桥架的周期性摆动，附着于疏浚刀头罩上的划耕齿耙对刚疏浚的底泥进行连续划耕，从而增加底泥的孔隙率和平整性，实施着对工作水域密实性疏浚底泥的适生性改善。根据船的功率和运行速度等，可调整划耕齿耙的长度和安装数量，提高疏浚底泥的划耕质量，即划耕深度和密度。

所述的与疏浚刀头同步的底泥划耕装置可采用以下方式或是多种方式的组合进行优化。

进一步地，所述划耕齿耙面向所述罩体筒壁呈弯形，背向罩体筒壁的一侧设置有止位鳍。划耕齿耙转动到一定角度后，立架挡住止位鳍，从而使整个划耕齿耙暂停转动，划耕齿耙处于立姿工作状态。

进一步地，所述罩体筒壁切割处两端的端部分别安装护边管；所述立架位于所述护边管的上方。护边管的设置，对转动的划耕耙齿起到限位作用，防止划耕耙齿在转动过程中对罩体筒壁产生破坏；对于弯形的划耕齿耙来说，在转动到位后，弯形部位贴住护边管，划耕齿耙呈卧姿状态。优选地，当划耕齿耙设有止位鳍，罩体筒壁上安装有护边管，疏浚刀头作扇形左右摆动，当向左摆动时，右侧的划耕齿耙在止位鳍的限制下，其下端将随疏浚刀头的运行速度而对刚出疏浚刀头罩的表层底泥进行划耕，而左侧的划耕齿耙由于背部受底泥阻力，而贴着护边管呈卧状的非工作状态；当自左向右摆动时，左侧的齿耙下端受底泥摩擦并旋转，在止位鳍的限制下呈直立工作状态，形成对底泥的划刻。

进一步地，所述护边管为与所述罩体筒壁等长的半圆形金属柱体。

进一步地，所述疏浚刀头罩为沿母线切割后的圆台形金属筒。

进一步地，所述后底壁上开设的孔的直径大于后底壁直径的1/2。

进一步地，所述划耕齿耙的顶端超出疏浚刀头有效工作位置5cm以上。

本发明所提供的与疏浚刀头同步的底泥划耕装置，借助疏浚刀头罩横向摆动和划耕齿耙与底泥摩擦位置的不同，控制划耕齿耙的立卧姿态，从而借助疏浚刀头罩扇形摆动的推力，使立姿划耕齿耙形成对底泥表层以疏浚刀头摆动方向和速度一致的同步性划耕。通过划耕齿耙的划耕，使得疏浚后的密实性表层沉积物底质得到疏松，改善大型底栖生物的摄食、匍行、筑穴、钻孔等适生性，以及大型维管束水生植物种子的着生环境。由于实现了底质疏松与疏浚的同步作业，节省了疏浚后期底泥表层生物适生性物理修复的成本，为湖河等污染水体底泥污染的控制和修复，提供一种注重生物资源保护和恢复的生态疏浚装备。

附图说明

图1为本发明主视图；

图2为本发明侧视图。

图中：1-前底壁；2-罩体筒壁；3-后底壁；4-安装孔；5-护边管；7-立架；8-螺丝；9-半圆形凹槽；10-止位鳍；11-旋转轴栓；12-划耕齿耙（立姿）；13-划耕齿耙（卧姿）；14-疏浚刀头。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明所提供的与疏浚刀头同步的底泥划耕装置，包括疏浚刀头14、疏浚刀头罩和齿耙型划耕构件；疏浚刀头罩为侧面作平面切割后的圆台形，包括罩体筒壁2、前底壁1和后底壁3，优选从前底壁1上的底弦6处沿母线切割后的圆台形金属筒，圆台形金属筒切割后形成两块，将上、下底面包含直径的一块作为疏浚刀头罩使用，直径大的底面称为后底壁，直径小的称为前底壁；疏浚刀头14从后底壁3上开设的孔内伸入疏浚刀头罩内，通过后底壁3上的安装孔4，利用紧固件将疏浚刀头14安装在后底壁3上，后底壁3上开设的孔的直径可大于后底壁直径的1/2；疏浚刀头罩的罩体筒壁2切割处两端的端部分别安装有一组齿耙型划耕构件，齿耙型划耕构件包括“丁”字形立架7以及安装在立架7上的划耕齿耙（划耕齿耙根据工作状态的不同，可以区分为立姿和卧姿，如图中12、13为同一划耕齿耙两种不同工作状态），立架7用螺丝8安装在罩体筒壁2的外侧。划耕齿耙顶端尖锐，尾端具有一圆形头部，立架7上设有半圆形凹槽9，划耕齿耙的圆形头部通过旋转轴栓11安装在立架7上的半圆形凹槽9中，划耕齿耙可以旋转轴栓11为轴进行转动。划耕齿耙面向罩体筒壁2呈弯形，背向罩体筒壁的一侧设置止位鳍10。在罩体筒壁2切割处两端的端部分别安装护边管5，护边管5可以采用与罩体筒壁2等长的半圆形金属圆柱体，立架7则位于护边管5的上方。由于止位鳍10、护边管5的限制，划耕齿耙作小于90°的转动。

如图2所示，划耕齿耙的顶端（即划耕齿耙的尖端位置）与疏浚刀头有效工作位置的距离L在5cm以上，此时，划耕齿耙处于立姿状态（划耕齿耙（立姿）12），即划耕齿耙的止位鳍顶在立架上；所谓疏浚刀头有效工作位置是指，疏浚刀头处于工作状态下，疏浚刀头旋转起来后，疏浚刀头露出疏浚刀头罩，疏浚刀头外廓所在的位置。该设置有利于划耕齿耙对从疏浚刀头罩下移动出的底泥进行划耕。

如图1所示，湿法疏浚最主要的运动方式就是疏浚刀头桥架在船体一端，以桥架点为圆心作扇形左右摆动。划耕准备时，疏浚刀头罩连同疏浚刀头放置于待疏浚区水下底泥表层，由于旋转轴栓11偏上，划耕齿耙中心偏低，划耕齿耙处于立姿工作状态（划耕齿耙（立姿）12），其前端部分朝向并插入底泥。当疏浚刀头罩向左摆动时，右侧的划耕齿耙在止位鳍10的限制下（止位鳍10顶在立架7上，划耕耙齿无法继续向右旋转，保持立姿状态），其前端将随疏浚刀头的运行而对刚露出疏浚刀头罩的表层底泥进行划耕，而左侧的划耕耙齿由于弯曲的背部受到底泥阻力，紧贴护边管5呈卧姿的非工作状态（划耕齿耙（卧姿）13）；当自左向右摆动时，左侧的划耕齿耙前端受底泥摩擦并绕旋转轴栓11旋转，在止位鳍10的限制下呈立姿工作状态，形成对底泥的刻划，而右侧的划耕齿耙则紧贴护边管5呈卧姿的非工作状态。

随着疏浚船的前行和疏浚桥架的周期性摆动，附着于疏浚刀头罩上的划耕齿耙将对刚疏浚的底泥进行“之”字形的连续划耕，从而增加整个疏浚工作面底泥的孔隙率和平整性，实施着对工作水域密实性疏浚底泥的适生性改善。根据船的功率和运行速度等，可适当调整划耕齿耙的长度和安装数量，提高疏浚底泥的划耕质量，即划耕的深度和密度。

采用本发明所提供的与疏浚刀头同步的底泥划耕装置，与一般疏浚刀头罩相比，疏浚后的上部5-10cm的底泥，孔隙率由0.6以下增加到0.65-0.70，表层平整度也得到破坏，改善了在底泥着生生物的适生环境。 

Claims (7)

1.一种与疏浚刀头同步的底泥划耕装置，包括疏浚刀头和疏浚刀头罩，其特征在于：所述疏浚刀头罩为侧面作平面切割后的圆台形，包括罩体筒壁、前底壁和后底壁；所述疏浚刀头从所述后底壁上开设的孔内伸入疏浚刀头罩内，并安装在所述后底壁上；所述疏浚刀头罩的罩体筒壁切割处两端的端部分别安装有一组齿耙型划耕构件；所述齿耙型划耕构件包括立架以及安装在所述立架上的划耕齿耙；所述划耕齿耙顶端尖锐，尾端具有一圆形头部；所述立架上设有半圆形凹槽；所述划耕齿耙的圆形头部通过旋转轴栓安装在所述立架的半圆形凹槽中；所述立架固定安装在罩体筒壁的外侧。

2.如权利要求1所述的与疏浚刀头同步的底泥划耕装置，其特征在于：所述划耕齿耙面向所述罩体筒壁呈弯形，背向罩体筒壁的一侧设置有止位鳍。

3.如权利要求1或2所述的与疏浚刀头同步的底泥划耕装置，其特征在于：所述罩体筒壁切割处两端的端部分别安装护边管；所述立架位于所述护边管的上方。

4.如权利要求3所述的与疏浚刀头同步的底泥划耕装置，其特征在于：所述护边管为与所述罩体筒壁等长的半圆形金属柱体。

5.如权利要求1所述的与疏浚刀头同步的底泥划耕装置，其特征在于：所述疏浚刀头罩为侧面沿母线作平面切割后的圆台形金属筒。

6.如权利要求1所述的与疏浚刀头同步的底泥划耕装置，其特征在于：所述后底壁上开设的孔的直径大于后底壁直径的1/2。

7.如权利要求1所述的与疏浚刀头同步的底泥划耕装置，其特征在于：所述划耕齿耙的顶端超过疏浚刀头有效工作位置5cm以上。

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