CN109408982B - 一种大粒径物料疏浚方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大粒径物料疏浚方法，首先通过对实际疏浚工作过程进行模拟试验，根据多次试验过程中采集的参数构建疏浚系统计算模型，充分反映了不同输渣距离情况下输渣动力的沿程衰减规律，以及清淤机气动输出功率的控制指标生产效果之间的关系，并将其应用于实际河道大粒径物料的疏浚工作，通过疏浚系统计算模型科学合理地设置疏浚相关参数，有效提高了大粒径物料的疏浚效率及效果。

Description

一种大粒径物料疏浚方法

技术领域

本发明属于河道疏浚技术领域，具体涉及一种大粒径物料疏浚方法的设计。

背景技术

我国水库和河道的淤积问题普遍存在，据估算目前全国每年大约有50亿吨泥沙进入江河，其中淤积到水库的大约有16亿吨，大量淤积物抬高了下游水位，影响河道水流形态、泄洪能力和电站效益，存在清淤的迫切需求。而且这些淤积物级配范围广，通常包括较大比例的碎石土类淤积物，而且所处河段流速和水位变幅大，疏浚工程量大。如何实现高效实时清淤，根据水库或河道中大粒径颗粒物的目标特征，科学地设计疏浚管道的直径、流速等参数调控大粒径物料的疏浚过程，提高大粒径物料的疏浚效率和效果具有明显的意义。

发明内容

本发明的目的是提出一种大粒径物料疏浚方法，通过科学合理地设计疏浚相关参数，提高大粒径物料的疏浚效率。

本发明的技术方案为：一种大粒径物料疏浚方法，包括以下步骤：

S1、在试验疏浚点搭建疏浚系统。

S2、采用疏浚系统进行疏浚试验，并采集疏浚试验过程中的试验参数。

S3、根据试验参数构建疏浚系统计算模型。

S4、在待疏浚的河道中确定实际疏浚点。

S5、采集并计算实际疏浚点处大粒径物料的物理参数。

S6、根据大粒径物料的物理参数以及疏浚系统计算模型，确定疏浚系统参数。

S7、根据步骤S6确定的疏浚系统参数，在实际疏浚点搭建疏浚系统，对大粒径物料进行疏浚。

进一步地，步骤S1包括以下分步骤：

S11、在试验疏浚点正上方水面采用锚缆和定位桩固定水上作业平台。

S12、将气动式深水清淤机设置于试验疏浚点。

S13、将清淤管道入口与气动式深水清淤机连接，将清淤管道出口设置于水上作业平台上，并与输渣系统的入口连接，完成疏浚系统的搭建。

进一步地，步骤S2中采集疏浚试验过程中的试验参数具体包括：

在清淤管道入口和出口处分别设置水流测速仪，采集清淤管道入口流速v_入以及清淤管道出口流速v_出。

采集清淤管道入口直径d_入、清淤管道出口直径d_出以及清淤管道长度L。

采集气动式深水清淤机的气动输出功率P_气以及工作时间t。

采集清淤管道出口输出的大粒径物料质量M。

进一步地，步骤S3包括以下分步骤：

S31、根据清淤管道入口直径d_入和清淤管道出口直径d_出计算得到清淤管道入口面积S_入和清淤管道出口直径S_出：

S32、根据清淤管道入口面积S_入、清淤管道出口直径S_出、清淤管道入口流速v_入以及清淤管道出口流速v_出，计算清淤管道入口流量Q_入和清淤管道出口流量Q_出：

S33、根据清淤管道入口流量Q_入和清淤管道出口流量Q_出构建流量平衡方程：

Q_入·(1-λ)＝Q_出 (3)

其中λ为清淤管道损耗率，其正比于清淤管道长度L，即：

λ＝k·L+b (4)

其中k、b均为拟合系数。

S34、采用线性拟合方法得到拟合系数k和b。

S35、根据试验参数构建能量平衡方程：

其中P_气为气动式深水清淤机的气动输出功率，t为工作时间，q为气动式深水清淤机的热损耗率，λ为清淤管道损耗率，M为大粒径物料质量，g为重力常数，L为清淤管道长度，v_出为清淤管道出口流速。

S36、根据能量平衡方程和流量平衡方程构建疏浚系统计算模型：

进一步地，步骤S4具体为：

通过三维成像声纳系统获取待疏浚的河道中大粒径物料堆的三维成像图，选择大粒径物料堆的中心位置作为实际疏浚点。

进一步地，步骤S5包括以下分步骤：

S51、采集实际疏浚点处大粒径物料所在水下的深度H。

S52、根据大粒径物料的三维成像图计算大粒径物料的体积V，计算方法为：

将大粒径物料的三维成像图在Z轴方向上的区间[e,f]等分为m个子区间，则大粒径物料的体积V的计算公式为：

其中f_i(x,y)表示第i个子区间横截面的面积。

S53、根据大粒径物料的主要成分估算大粒径物料的平均密度ρ。

S54、根据大粒径物料的平均密度ρ和体积V计算得到大粒径物料的质量M：

M＝ρ·V (8)。

进一步地，步骤S6中确定疏浚系统参数具体为：

设置清淤管道长度L＝H，并根据大粒径物料的质量M和疏浚系统计算模型确定清淤管道入口直径d_入、清淤管道出口直径d_出、气动式深水清淤机的气动输出功率P_气以及工作时间t的数值。

进一步地，步骤S7包括以下分步骤：

S71、在实际疏浚点正上方水面采用锚缆和定位桩固定水上作业平台。

S72、将气动式深水清淤机设置于实际疏浚点。

S73、根据步骤S6确定的清淤管道长度L、清淤管道入口直径d_入和清淤管道出口直径d_出选取清淤管道。

S74、将清淤管道入口与气动式深水清淤机连接，将清淤管道出口设置于水上作业平台上，并与输渣系统的入口连接，完成疏浚系统的搭建。

S75、根据步骤S6确定的气动式深水清淤机的气动输出功率P_气对大粒径物料进行疏浚。

本发明的有益效果是：本发明首先通过对实际疏浚工作过程进行模拟试验，根据多次试验过程中采集的参数构建疏浚系统计算模型，充分反映了不同输渣距离情况下输渣动力的沿程衰减规律，以及清淤机气动输出功率的控制指标生产效果之间的关系，并将其应用于实际河道大粒径物料的疏浚工作，通过疏浚系统计算模型科学合理地设置疏浚相关参数，有效提高了大粒径物料的疏浚效率及效果。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的一种大粒径物料疏浚方法流程图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种大粒径物料疏浚方法，如图1所示，包括以下步骤S1～S7：

S1、在试验疏浚点搭建疏浚系统。

步骤S1包括以下分步骤S11～S13：

S11、在试验疏浚点正上方水面采用锚缆和定位桩固定水上作业平台。

本发明实施例中，试验疏浚点可以选择含有大粒径淤积物的河道、水库等水体。

S12、将气动式深水清淤机设置于试验疏浚点。

本发明实施例中，气动式深水清淤机采用SSYA1000型气动式深水清淤设备，其主要原理是将压缩空气通过耐压管道连续不断地输入采集装置的工作头部，经过分配系统控制，向物料管内释放，使得物料管内的水体不断向上浮托，从而导致物料管外的压力大于管内压力。在此压差作用下，物料管口外周围的泥沙、砂砾石及其他物料随水流进入采集装置内，并经由物料管输送到水面的水上作业平台，最终可通过输渣系统或船舶外运。该设备机械磨损小，疏浚深度大，能耗低，无二次污染，适用范围广，可拆卸并运送到边远地区。

S13、将清淤管道入口与气动式深水清淤机连接，将清淤管道出口设置于水上作业平台上，并与输渣系统的入口连接，完成疏浚系统的搭建。

S2、采用疏浚系统进行疏浚试验，并采集疏浚试验过程中的试验参数。

本发明实施例中，采集疏浚试验过程中的试验参数具体包括：

(1)在清淤管道入口和出口处分别设置水流测速仪，采集清淤管道入口流速v_入以及清淤管道出口流速v_出。

(2)采集清淤管道入口直径d_入、清淤管道出口直径d_出以及清淤管道长度L。

(3)采集气动式深水清淤机的气动输出功率P_气以及工作时间t。

(4)采集清淤管道出口输出的大粒径物料质量M。

S3、根据试验参数构建疏浚系统计算模型。

步骤S3包括以下分步骤S31～S36：

S31、根据清淤管道入口直径d_入和清淤管道出口直径d_出计算得到清淤管道入口面积S_入和清淤管道出口直径S_出：

S32、根据清淤管道入口面积S_入、清淤管道出口直径S_出、清淤管道入口流速v_入以及清淤管道出口流速v_出，计算清淤管道入口流量Q_入和清淤管道出口流量Q_出：

S33、根据清淤管道入口流量Q_入和清淤管道出口流量Q_出构建流量平衡方程：

Q_入·(1-λ)＝Q_出 (3)

其中λ为清淤管道损耗率，其正比于清淤管道长度L，即：

λ＝k·L+b (4)

其中k、b均为拟合系数。

S34、采用线性拟合方法得到拟合系数k和b，具体拟合步骤为：

改变清淤管道长度L，进行多组疏浚试验，根据多组疏浚试验的试验参数，结合流量平衡方程，以清淤管道长度L为自变量，清淤管道损耗率λ为因变量进行线性拟合，得到拟合系数k和b。

S35、根据试验参数构建能量平衡方程：

其中P_气为气动式深水清淤机的气动输出功率，t为工作时间，q为气动式深水清淤机的热损耗率，λ为清淤管道损耗率，M为大粒径物料质量，g为重力常数，L为清淤管道长度，v_出为清淤管道出口流速。

针对能量平衡方程(5)，等式左边的P_气t表示气动式深水清淤机所做的功，这部分做功主要会有两方面的损耗，一方面是气动式深水清淤机工作时的热损耗，因此需要乘以(1-q)；另一方面就是在清淤管道内的摩擦损耗，由于在流量平衡方程(3)中清淤管道损耗率为λ，而在时间恒定的情况下，物料体积V正比于流量Q，在物料密度恒定的情况下，物料质量M正比于物料体积V，在做功高度恒定的情况下，势能做功MgH正比于物料质量M，因此在能量平衡方程(5)中，清淤管道损耗率依然为λ，因此等式左边需要进一步乘以(1-λ)。等式右边即为气动式深水清淤机所做的功经两部分损耗后所转化为的机械能(动能+势能)，需要说明的是，本发明实施例中，由于水上作业平台设置于疏浚点正上方的水面，而气动式深水清淤机设置于疏浚点，因此连接气动式深水清淤机和水上作业平台的清淤管道长度L即可近似认定为大粒径物料所在水深，即势能做功高度H。

S36、根据能量平衡方程和流量平衡方程构建疏浚系统计算模型：

S4、在待疏浚的河道中确定实际疏浚点。

本发明实施例中，确定实际疏浚点的具体方法为：通过三维成像声纳系统获取待疏浚的河道中大粒径物料堆的三维成像图，选择大粒径物料堆的中心位置作为实际疏浚点。

S5、采集并计算实际疏浚点处大粒径物料的物理参数。

步骤S5包括以下分步骤S51～S54：

S51、采集实际疏浚点处大粒径物料所在水下的深度H。

S52、根据大粒径物料的三维成像图计算大粒径物料的体积V，计算方法为：

将大粒径物料的三维成像图在Z轴方向上的区间[e,f]等分为m个子区间，则大粒径物料的体积V的计算公式为：

其中f_i(x,y)表示第i个子区间横截面的面积。

S53、根据大粒径物料的主要成分估算大粒径物料的平均密度ρ。

S54、根据大粒径物料的平均密度ρ和体积V计算得到大粒径物料的质量M：

M＝ρ·V (8)。

S6、根据大粒径物料的物理参数以及疏浚系统计算模型，确定疏浚系统参数。

首先设置清淤管道长度L＝H，然后根据大粒径物料的质量M和疏浚系统计算模型确定清淤管道入口直径d_入、清淤管道出口直径d_出、气动式深水清淤机的气动输出功率P_气以及工作时间t的数值，具体确定方法为：

将大粒径物料的质量M带入能量平衡方程(5)，由于大粒径物料的质量M、重力常数g、清淤管道长度L、清淤管道损耗率λ以及气动式深水清淤机的热损耗率q均为已知量，在保证清淤管道出口流速v_出≥0的条件下，即可根据疏浚工作时间t的要求合理设置气动式深水清淤机输出功率P_气。然后再将设置好的P_气和t带入能量平衡方程(5)，计算得到清淤管道出口流速v_出并将其带入流量平衡方程(3)中，根据对清淤管道入口流速v_入的要求即可合理设置清淤管道入口直径d_入和清淤管道出口直径d_出。

S7、根据步骤S6确定的疏浚系统参数，在实际疏浚点搭建疏浚系统，对大粒径物料进行疏浚。

步骤S7包括以下分步骤S71～S75：

S71、在实际疏浚点正上方水面采用锚缆和定位桩固定水上作业平台。

S72、将气动式深水清淤机设置于实际疏浚点。

S73、根据步骤S6确定的清淤管道长度L、清淤管道入口直径d_入和清淤管道出口直径d_出选取清淤管道。

S74、将清淤管道入口与气动式深水清淤机连接，将清淤管道出口设置于水上作业平台上，并与输渣系统的入口连接，完成疏浚系统的搭建。

S75、根据步骤S6确定的气动式深水清淤机的气动输出功率P_气对大粒径物料进行疏浚。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种大粒径物料疏浚方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在试验疏浚点搭建疏浚系统；

S2、采用疏浚系统进行疏浚试验，并采集疏浚试验过程中的试验参数；

S3、根据试验参数构建疏浚系统计算模型；

S4、在待疏浚的河道中确定实际疏浚点；

S5、采集并计算实际疏浚点处大粒径物料的物理参数；

S6、根据大粒径物料的物理参数以及疏浚系统计算模型，确定疏浚系统参数；

S7、根据步骤S6确定的疏浚系统参数，在实际疏浚点搭建疏浚系统，对大粒径物料进行疏浚；

所述步骤S2中采集疏浚试验过程中的试验参数具体包括：

在清淤管道入口和出口处分别设置水流测速仪，采集清淤管道入口流速v_入以及清淤管道出口流速v_出；

采集清淤管道入口直径d_入、清淤管道出口直径d_出以及清淤管道长度L；

采集气动式深水清淤机的气动输出功率P_气以及工作时间t；

采集清淤管道出口输出的大粒径物料质量M；

所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、根据清淤管道入口直径d_入和清淤管道出口直径d_出计算得到清淤管道入口面积S_入和清淤管道出口面积 S_出：

S32、根据清淤管道入口面积S_入、清淤管道出口面积S_出、清淤管道入口流速v_入以及清淤管道出口流速v_出，计算清淤管道入口流量Q_入和清淤管道出口流量Q_出：

S33、根据清淤管道入口流量Q_入和清淤管道出口流量Q_出构建流量平衡方程：

Q_入·(1-λ)＝Q_出 (3)

其中λ为清淤管道损耗率，其正比于清淤管道长度L，即：

λ＝k·L+b (4)

其中k、b均为拟合系数；

S34、采用线性拟合方法得到拟合系数k和b；

S35、根据试验参数构建能量平衡方程：

其中P_气为气动式深水清淤机的气动输出功率，t为工作时间，q为气动式深水清淤机的热损耗率，λ为清淤管道损耗率，M为大粒径物料质量，g为重力常数，L为清淤管道长度，v_出为清淤管道出口流速；

S36、根据能量平衡方程和流量平衡方程构建疏浚系统计算模型：

2.根据权利要求1所述的大粒径物料疏浚方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下分步骤：

S11、在试验疏浚点正上方水面采用锚缆和定位桩固定水上作业平台；

S12、将气动式深水清淤机设置于试验疏浚点；

S13、将清淤管道入口与气动式深水清淤机连接，将清淤管道出口设置于水上作业平台上，并与输渣系统的入口连接，完成疏浚系统的搭建。

3.根据权利要求1所述的大粒径物料疏浚方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：

通过三维成像声纳系统获取待疏浚的河道中大粒径物料堆的三维成像图，选择大粒径物料堆的中心位置作为实际疏浚点。

4.根据权利要求3所述的大粒径物料疏浚方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下分步骤：

S51、采集实际疏浚点处大粒径物料所在水下的深度H；

S52、根据大粒径物料的三维成像图计算大粒径物料的体积V，计算方法为：

将大粒径物料的三维成像图在Z轴方向上的区间[e,f]等分为m个子区间，则大粒径物料的体积V的计算公式为：

其中f_i(x,y)表示第i个子区间横截面的面积；

S53、根据大粒径物料的主要成分估算大粒径物料的平均密度ρ；

S54、根据大粒径物料的平均密度ρ和体积V计算得到大粒径物料的质量M：

M＝ρ·V (8)。

5.根据权利要求4所述的大粒径物料疏浚方法，其特征在于，所述步骤S6中确定疏浚系统参数具体为：

设置清淤管道长度L＝H，并根据大粒径物料的质量M和疏浚系统计算模型确定清淤管道入口直径d_入、清淤管道出口直径d_出、气动式深水清淤机的气动输出功率P_气以及工作时间t的数值。

6.根据权利要求5所述的大粒径物料疏浚方法，其特征在于，所述步骤S7包括以下分步骤：

S71、在实际疏浚点正上方水面采用锚缆和定位桩固定水上作业平台；

S72、将气动式深水清淤机设置于实际疏浚点；

S73、根据步骤S6确定的清淤管道长度L、清淤管道入口直径d_入和清淤管道出口直径d_出选取清淤管道；

S74、将清淤管道入口与气动式深水清淤机连接，将清淤管道出口设置于水上作业平台上，并与输渣系统的入口连接，完成疏浚系统的搭建；

S75、根据步骤S6确定的气动式深水清淤机的气动输出功率P_气对大粒径物料进行疏浚。