CN107905178A - 一种水下礁石的清除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下礁石的清除方法，包括步骤：基于三维地貌成像系统，建立目标施工区域的礁石的三维地貌图像；根据三维地貌图像和设计的航道通航能力，确定施工关键参数；采用高速射流成缝系统，对目标施工区域的礁石进行网格化切缝；采用劈裂机构自动定位置入缝槽，对网格化切缝后的礁石进行液压劈裂；清除液压劈裂后的碎礁石。该清除方法对生态环境危害小、施工安全性高。

Description

一种水下礁石的清除方法

技术领域

本发明属于航道整治施工技术领域，具体涉及一种水下礁石的清除方法。

背景技术

航道整治或港口码头建设过程中，为了满足工程施工和水工结构运营的需求，经常要对水下礁石进行清除。

水下爆破是目前航道礁石整治的主要方法，虽技术成熟，工效较高，但对水生生态环境的影响极大。水下爆破对生态环境的破坏主要体现在三个方面，一、炸礁施工区域将使底栖生物被直接摧毁，附近一定区域的底栖生物被掩埋，或将直接炸死、炸伤或影响施工区域的部分水生生物，对局部生态各组成成分的影响较大。二、炸礁将造成河道水质悬浮物增加，局部悬浮物浓度升高将影响浮游植物的生长，引起水体初级生产力降低，使以浮游植物为饵料的浮游动物生物量减小，局部影响水生生物的生存条件。三、炸礁对水生生态环境的影响还表现在对水域的占用和扰动，导致河道部分地形发生变化，原有的急流环境变为缓流，破坏了部分鱼类的栖息地和产卵场，改变了部分水生生物的生境。尤其是针对长江上游等包含有大量国家一级重点保护野生动物的流域范围内，水下礁石清除工程对安全和环保要求较高，水下爆破不再适用。

此外，目前有少量清礁工程采用非爆破方法，比如重锤冲击法和钻孔分裂法。

重锤冲击法是利用重锤提高到一定的高度后自由落下，利用重力势能转化的巨大的冲击力使岩石破碎；该方法需要事先用抓斗船清除礁石表面覆盖的淤泥与粘土，钻孔并使重锤多次连续落在同一点，岩石的破碎需要反复冲击，一般适用于规模较小的限制性清礁工程，且工作效率较低。

钻孔分裂法是先利用钻机在礁石上钻孔，然后在钻孔中插入分裂棒，启动液压泵，液压泵工作产生高压，驱动分裂棒的中间楔块向前运动，将反向楔块两边撑开，生产巨大分裂力，礁石在此分裂力作用下，沿设定的位置分裂开来。使用该方法时，需要多个分裂棒，且各个分裂棒之间的间距不能太大，同时也需要液压泵产生很高的压力，安全性不高，并且工作效率也较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种水下礁石的清除方法，以提高礁石清除的安全性和效率。

本发明所述的水下礁石的清除方法，包括步骤：

a.基于三维地貌成像系统，建立目标施工区域的礁石的三维地貌图像；

b.根据三维地貌图像和设计的航道通航能力，确定施工关键参数；

c.采用高速射流成缝系统，对目标施工区域的礁石进行网格化切缝；

d.采用劈裂机构自动定位置入缝槽，对网格化切缝后的礁石进行液压劈裂；

e.清除液压劈裂后的碎礁石。

所述的施工关键参数包括：目标施工区域内需要清除的礁石量、高速射流成缝系统在动水淹没环境下的成缝条件、缝槽网格的布置参数和劈裂深度。

所述高速射流成缝系统在动水淹没环境下的成缝条件为：高速射流成缝系统的磨料浓度c满足：5％≤c≤25％，射流压力p满足：30Mpa≤p≤60Mpa，靶距a满足：1cm≤a≤10m，横移速度v满足：0.5m·min^-1＜v≤5m·min^-1。

所述缝槽网格由y条第一方向缝槽与x条第二方向缝槽交叉平行布置构成；所述缝槽网格的布置参数包括：第一方向缝槽条数y、第一方向缝槽深度d₁、相邻两条第一方向缝槽之间的间距l₁、第二方向缝槽条数x、第二方向缝槽深度d₂、相邻两条第二方向缝槽之间的间距l₂和缝槽网格单元体积V；其中，所述第一方向缝槽深度d₁的取值范围为：0.2m～1m，相邻两条第一方向缝槽之间的间距l₁的取值范围为：0.2m～2.5m，第二方向缝槽深度d₂的取值范围为：0.2m～1m，相邻两条第二方向缝槽之间的间距l₂的取值范围为：0.2m～2.5m，缝槽网格单元体积V的取值范围为0.1m³～1m³。

所述缝槽网格根据礁石原岩产状、岩石结构和节理裂隙特征布置，缝槽方向与礁石节理裂隙面或者层理面方位大体一致时，可增加缝槽布置间距，减小缝槽深度。

所述第一方向缝槽为纵向缝槽，所述第二方向缝槽为横向缝槽；高速射流成缝系统对目标施工区域的礁石进行网格化切缝时，先沿纵向进行直线切割形成y条纵向缝槽，再沿横向进行直线切割形成x条横向缝槽，纵向缝槽与横向缝槽垂直布置。

沿礁石弱面方位(比如礁石节理裂隙面或者层理面等)布置的纵向缝槽深度(即纵向射流切缝深度)比不沿礁石弱面方位布置的纵向缝槽深度小，当纵向缝槽沿礁石弱面方位布置时，沿纵向缝槽的劈裂深度为纵向缝槽深度d₁的3～5倍(相当于纵向缝槽深度d₁为沿纵向缝槽的劈裂深度的20％～33％)，当纵向缝槽不沿礁石弱面方位布置时，沿纵向缝槽的劈裂深度为纵向缝槽深度d₁的2～2.5倍(相当于纵向缝槽深度d₁为沿纵向缝槽的劈裂深度的40％～50％)；沿礁石弱面方位(比如礁石节理裂隙面或者层理面等)布置的横向缝槽深度(即横向射流切缝深度)比不沿礁石弱面方位布置的横向缝槽深度小，当横向缝槽沿礁石弱面方位布置时，沿横向缝槽的劈裂深度为横向缝槽深度d₂的3～5倍(相当于横向缝槽深度d₂为沿横向缝槽的劈裂深度的20％～33％)，当横向缝槽不沿礁石弱面方位布置时，沿横向缝槽的劈裂深度为横向缝槽深度d₂的2～2.5倍(相当于横向缝槽深度d₂为沿横向缝槽的劈裂深度的40％～50％)。

所述劈裂机构包括自动定位模块、自动置入模块和液压劈裂模块，所述自动定位模块与船载主控平台连接，获取水下礁石的缝槽位置，并发送给船载主控平台，液压劈裂模块安装在自动置入模块上，自动置入模块与船载主控平台连接，船载主控平台根据水下礁石的缝槽位置，控制自动置入模块带动液压劈裂模块运动到该缝槽位置，液压劈裂模块与船载主控平台连接，船载主控平台控制液压劈裂模块对网格化切缝后的礁石进行液压劈裂。在进行劈裂时，多支劈裂机(即液压劈裂模块)同时工作，单只劈裂机的劈裂压力F的范围为10MPa≤F≤30MPa。

在进行液压劈裂时，利用水下礁石边界作为临空面，劈裂机构插入缝槽中，按照先周边、后中间的顺序进行劈裂。

在清除液压劈裂后的碎礁石时，采用抓斗船对碎礁石进行抓清。

对于一些水下特大礁石，如果进行一次清除操作不能够完全清除礁石，则可重复前述步骤a～e，直至完全清除礁石。

本发明与现有技术相比具有如下效果：

(1)安全可控：避免了地震波、水击波、爆破飞石及爆破涌浪等水下爆破危害作用对水下构筑物、水中船只以及邻近建筑物等带来的影响；河床礁石三维地貌成像、磨料射流预裂礁石(切缝)以及劈裂分解礁石等过程通过船载主控平台上实时控制，保证了施工过程安全可控。

(2)施工效率高：通过磨料射流预裂礁石形成网格化缝槽结构，这些缝槽周围已经形成了一些微裂纹，这些微裂纹改变了礁石原有的坚硬结构，而后通过劈裂机构进劈裂时，更容易劈裂，与现有的钻孔分裂法相比，在同等条件下，碎礁效率更高。经研究发现，本发明与重锤冲击、钻孔分裂等非爆破类清礁手段相比，工效提高了50％～80％。

(3)环境友好：避免了爆破产生的有毒有害气体以及爆破后残留物对水体的污染，射流速度随测量面距喷嘴距离的增加而迅速减小，极大的缩小了水下作业的影响范围，减少了水下破礁工作对水生生物及其生存环境的破坏；试验结果表明，1m范围以内的鱼类可长期存活。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

图2为对礁石进行网格化切缝后形成的缝槽网格的布置示意图。

其中，1、纵向缝槽，2、横向缝槽，3、礁石边界，4、礁石节理裂隙。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

为了将重庆至涪陵段的长江部分由Ⅱ级航道整治建设为Ⅰ级航道，需要对该航道水下礁石进行清除，其清除方法如图1所示，包括：

第一步、基于三维地貌成像系统，建立目标施工区域(比如该航道上的一个需要清除礁石的A地方)的礁石的三维地貌图像；三维地貌成像系统用于对水下地形地貌进行大范围全覆盖测量及水下实时声纳三维图像显示，精确、快速测量目标施工区域水下礁石的大小、形状和高低变化，描绘出礁石的水下三维特征(即得到三维地貌图像)。

第二步、根据三维地貌图像和设计的航道通航能力，确定目标施工区域内需要清除的礁石量为6343m³，施工区域面积为98.5m×68.7m＝6767m²，确定采用的高速射流成缝系统(又称高压水射流切缝系统)在动水淹没环境下的磨料浓度c＝10％，射流压力p＝50Mpa，靶距a＝2cm，横移速度v＝4m·min^-1，确定缝槽网格的布置参数和劈裂深度。其中，缝槽网格根据节理裂隙特征布置，由y条纵向缝槽1与x条横向缝槽2垂直交叉布置构成，缝槽网格的布置参数包括：纵向缝槽条数y＝55～99条、纵向缝槽深度d₁＝0.2m～1m、相邻两条纵向缝槽之间的间距l₁＝1m～1.8m、横向缝槽条数x＝43～69条、横向缝槽深度d₂＝0.2m～1m、相邻两条横向缝槽之间的间距l₂＝1m～1.6m、缝槽网格单元体积V＝0.5m³～1m³，横向缝槽2沿较长的礁石节理裂隙4布置，沿横向缝槽2的劈裂深度为横向缝槽深度d₂的4倍，沿纵向缝槽1的劈裂深度为纵向缝槽深度d₁的2.5倍。

第三步、采用高速射流成缝系统，按照缝槽网格的布置参数，对目标施工区域的礁石进行网格化切缝。高速射流成缝系统具有多个喷嘴，在动水淹没环境下对目标施工区域的礁石进行冲蚀网格化切缝，在切缝时，先沿纵向进行直线切割形成y条纵向缝槽1，再沿横向进行直线切割形成x条横向缝槽2。

第四步、采用劈裂机构自动定位置入缝槽，对网格化切缝后的礁石进行液压劈裂。其中，劈裂机构包括自动定位模块、自动置入模块和液压劈裂模块，自动定位模块与船载主控平台连接，获取水下礁石的缝槽位置，并发送给船载主控平台，液压劈裂模块安装在自动置入模块上，自动置入模块与船载主控平台连接，船载主控平台根据水下礁石的缝槽位置，控制自动置入模块带动液压劈裂模块运动到该缝槽位置，液压劈裂模块与船载主控平台连接，船载主控平台控制液压劈裂模块对网格化切缝后的礁石进行液压劈裂。在进行液压劈裂时，多支劈裂机(即液压劈裂模块)同时工作，单只劈裂机的劈裂压力F＝15MPa，利用水下礁石边界3作为临空面，劈裂机插入缝槽中，按照先周边、后中间的顺序进行劈裂。

第五步、采用抓斗船对液压劈裂后的碎礁石进行抓清。

对于一些水下特大礁石，如果进行一次清除操作不能够完全清除礁石，则可重复前述第一步至第五步，直至完全清除礁石。

Claims (10)

1.一种水下礁石的清除方法，其特征在于，包括步骤：

a.基于三维地貌成像系统，建立目标施工区域的礁石的三维地貌图像；

b.根据三维地貌图像和设计的航道通航能力，确定施工关键参数；

c.采用高速射流成缝系统，对目标施工区域的礁石进行网格化切缝；

d.采用劈裂机构自动定位置入缝槽，对网格化切缝后的礁石进行液压劈裂；

e.清除液压劈裂后的碎礁石。

2.根据权利要求1所述的水下礁石的清除方法，其特征在于，所述的施工关键参数包括：目标施工区域内需要清除的礁石量、高速射流成缝系统在动水淹没环境下的成缝条件、缝槽网格的布置参数和劈裂深度。

3.根据权利要求2所述的水下礁石的清除方法，其特征在于：所述高速射流成缝系统在动水淹没环境下的成缝条件为：高速射流成缝系统的磨料浓度c满足：5％≤c≤25％，射流压力p满足：30Mpa≤p≤60Mpa，靶距a满足：1cm≤a≤10m，横移速度v满足：0.5m·min^-1＜v≤5m·min^-1。

4.根据权利要求2所述的水下礁石的清除方法，其特征在于：所述缝槽网格由y条第一方向缝槽与x条第二方向缝槽交叉平行布置构成；所述缝槽网格的布置参数包括：第一方向缝槽条数y、第一方向缝槽深度d₁、相邻两条第一方向缝槽之间的间距l₁、第二方向缝槽条数x、第二方向缝槽深度d₂、相邻两条第二方向缝槽之间的间距l₂和缝槽网格单元体积V；其中，所述第一方向缝槽深度d₁的取值范围为：0.2m～1m，相邻两条第一方向缝槽之间的间距l₁的取值范围为：0.2m～2.5m，第二方向缝槽深度d₂的取值范围为：0.2m～1m，相邻两条第二方向缝槽之间的间距l₂的取值范围为：0.2m～2.5m，缝槽网格单元体积V的取值范围为：0.1m³～1m³。

5.根据权利要求4所述的水下礁石的清除方法，其特征在于：所述缝槽网格根据礁石原岩产状、岩石结构和节理裂隙特征布置，缝槽方向与礁石节理裂隙面或者层理面方位一致时，可增加缝槽布置间距，减小缝槽深度。

6.根据权利要求4所述的水下礁石的清除方法，其特征在于：所述第一方向缝槽为纵向缝槽(1)，所述第二方向缝槽为横向缝槽(2)；高速射流成缝系统对目标施工区域的礁石进行网格化切缝时，先沿纵向进行直线切割形成y条纵向缝槽，再沿横向进行直线切割形成x条横向缝槽，纵向缝槽与横向缝槽垂直布置。

7.根据权利要求6所述的水下礁石的清除方法，其特征在于：当纵向缝槽(1)沿礁石弱面方位布置时，沿纵向缝槽的劈裂深度为纵向缝槽深度d₁的3～5倍，当纵向缝槽(1)不沿礁石弱面方位布置时，沿纵向缝槽的劈裂深度为纵向缝槽深度d₁的2～2.5倍；当横向缝槽(2)沿礁石弱面方位布置时，沿横向缝槽的劈裂深度为横向缝槽深度d₂的3～5倍，当横向缝槽(2)不沿礁石弱面方位布置时，沿横向缝槽的劈裂深度为横向缝槽深度d₂的2～2.5倍。

8.根据权利要求1-7任一所述的水下礁石的清除方法，其特征在于：所述劈裂机构包括自动定位模块、自动置入模块和液压劈裂模块，所述自动定位模块与船载主控平台连接，获取水下礁石的缝槽位置，并发送给船载主控平台，液压劈裂模块安装在自动置入模块上，自动置入模块与船载主控平台连接，船载主控平台根据水下礁石的缝槽位置，控制自动置入模块带动液压劈裂模块运动到该缝槽位置，液压劈裂模块与船载主控平台连接，船载主控平台控制液压劈裂模块对网格化切缝后的礁石进行液压劈裂。

9.根据权利要求1-7任一所述的水下礁石的清除方法，其特征在于：

在进行液压劈裂时，利用水下礁石边界作为临空面，劈裂机构插入缝槽中，按照先周边、后中间的顺序进行劈裂。

10.根据权利要求1-7任一所述的水下礁石的清除方法，其特征在于：在清除液压劈裂后的碎礁石时，采用抓斗船对碎礁石进行抓清。