CN114718015A - 基于高水材料-泥浆复合体的填海造陆吹填系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于填海造陆技术领域,具体涉及的是基于高水材料‑泥浆复合体的填海造陆吹填系统和方法。该系统包括一体化可移动载台、取砂系统、供水系统、料浆制备系统、料浆混合系统、料浆输送管路系统和吹填作业系统,所述一体化可移动载台一端分别设置取砂系统和供水系统,一体化可移动载台另一端设置料浆混合系统,一体化可移动载台中部设置料浆制备系统,供水系统连接料浆制备系统输入端,料浆混合系统输出端连接吹填作业系统,吹填系统均为管道运输,施工工艺简单方便,本发明中高水材料硬化体只需养护数日即可达到远高于一般软土的强度,因此本发明的围海造陆作业周期大大缩减,解决了现有技术吹填土地基处理效率低下和施工成本高昂的问题。
Description
技术领域
本发明属于填海造陆技术领域,具体涉及的是基于高水材料-泥浆复合体的填海造陆吹填系统和方法。
背景技术
随着经济建设的发展,土地资源相对变的越来越紧缺,人类对海洋空间利用的需求不断增加,填海造陆工程也日益增多。
填海造陆工程一般采用干填法和吹填法两种方式,干填法采用挖方的形式;吹填法是指用挖泥船挖泥后,然后通过管线把泥舱中泥沙水混合物,排放到近海或沿江洼地,将淤泥填垫排除其中的水分,使洼地上升达到一定高度,使之具有可利用价值的工程。
吹填土常常具有“三高一低”的特点,即天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、渗透系数小,一般呈软塑到流塑状态。为此,常常需要对吹填土进行地基处理以满足后续建设需要。
常用的吹填土地基处理方法有真空预压法、强夯法、水泥劈裂注浆法。但是,由于吹填土的“三高一低”特性,其固结时间很长,因此上述地基处理手段都面临工期漫长、施工成本高昂问题。此外,还存在施工机械设备和材料运输困难的问题,这都导致了吹填土地基处理效率低下的问题。
近年来,国际上还出现化学加固法处理吹填土,即往疏浚泥中加入固化材料,使其固化并具备良好工程特性。然而,这一方法的弊端就是大量使用固化材料,施工成本高昂,而且固化材料容易污染地下水。
此外,无论是传统地基处理方法,还是化学加固方法,其前提都是必须吹填足够量的土体,而后才是对吹填土进行处理,提高吹填土的强度。然而,很多填海造陆工程存在附近水底缺乏土料而且外运困难,这一问题一直是困扰填海造陆工程发展。
目前亟需一种用土量少、工期快、施工便捷、成本低的填海造陆施工技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的填海造陆施工技术用土量多、工期长、施工不便捷、成本高,为解决上述问题,本发明提供基于高水材料-泥浆复合体的填海造陆吹填系统和方法,尤其是一种使用高水材料-泥浆复合体进行吹填完成填海造陆工程的系统和方法。
本发明的目的是以下述方式实现的:基于高水材料-泥浆复合体的填海造陆吹填系统,包括一体化可移动载台、取砂系统、供水系统、料浆制备系统、料浆输送管路系统、料浆混合系统和吹填作业系统。取砂系统预定水域或海域底部进行取砂而后将泥浆通过管道输送至一体化可移动载台,并对泥浆进行处理后储存在泥浆储存装置中备用,泥浆储存装置另一端通过管道与料浆输送管路系统相连;供水系统在预定水域或海域中取水并为整个吹填系统供水,供水系统的净水器和储水装置放置在一体化可移动载台上,储水装置通过管道与料浆制备系统相连为其供水;料浆制备系统放置在一体化可移动载台上,料浆制备系统一端通过管道与供水系统相连,料浆制备系统另一端通过管道与料浆输送管路系统一端相连;料浆输送管路系统另一端通过管道与料浆混合系统一端相连;料浆混合系统另一端通过管道与吹填作业系统相连,吹填作业系统进行吹填作业完成填海造陆。
所述一体化可移动载台是指用于安装固定整个吹填系统的料浆制备系统、供水系统、取砂系统仪器设备的可移动一体化集成平台,该平台上划分若干分区,并且按照工艺流程顺序设计流水化工艺,而后将相关仪器设备按照工序先后进行线性布置。此外,为了施工便利,要求一体化集成平台必须可移动,优选使用运输车辆或船只,以便快速转移一体化集成平台至任意位置。
优选的,料浆制备系统需整体设置在一体化可移动载台;供水系统的净水器、储水器需设置在一体化可移动载台;取砂系统的泥浆处理装置、泥浆储存装置需设置在一体化可移动载台。
优选的,当一体化可移动载台距离吹填作业面较近时,可以将料浆输送管路系统和料浆混合系统整体设置在一体化可移动载台之上;当一体化可移动载台距离吹填作业面较远时,料浆输送管路系统的管道管线长度很大,此时料浆混合系统整体将不能设置在一体化可移动载台之上,料浆混合系统需就近设置在吹填作业面附近,料浆输送管路系统靠近料浆制备系统一端的输送泵、流量控制器可以设置在一体化可移动载台之上,输送管线中间增设的加压泵不能设置在在一体化可移动载台之上。需要补充的是,料浆输送管路系统的管线长度主要取决于一体化可移动载台与吹填作业面的距离。
所述取砂系统是指在预定水域或海域取砂而后将泥浆输送至一体化可移动载台,并对泥浆进行处理的系统。取砂系统包括挖泥船、输泥泵、输泥管线、加压泵、泥浆处理装置、泥浆储存装置;其中,输泥泵设置在挖泥船上,输泥泵一端与挖泥船相连另一端与输泥管相连以将挖泥船挖取的泥浆通过输泥管压送至泥浆处理装置,输泥管线中间设置加压泵以便在输泥管线过长管内液压不足时增加管内液压,输泥管线另一端与泥浆处理装置相连,泥浆处理装置通过管道与泥浆储存装置相连。
所述挖泥船是指用于挖取水底泥土的船只。常见的挖泥船有耙吸挖泥船、绞吸挖泥船、抓斗挖泥船、铲斗挖泥船、链斗挖泥船。不同挖泥船适用于不同工况。本发明中需根据实际工况对挖泥船类型进行选择。
优选的,应先根据地质、水文、经济指标,确定挖沙区,并对挖沙区进行分区以及分层。合理分配船只及挖沙深度,以确保挖泥船分区分层作业范围工效最大化、最合理化,避免挖沙船超过或接近本身最大作业深度的取砂作业及挖泥船损耗。
所述输泥泵是指用以将挖泥船挖取的泥浆加压输送到输泥管线上的泵。输泥泵的选型及功率需根据管线参数、泥浆浓度、流速确定。
所述输泥管线是指用于输送挖泥船挖取的泥浆的管线。输泥管线选型需根据泥浆特性、泥浆浓度、流速确定。
优选的,输泥管线长度不宜超过1.5 km,以避免管线长度正常导致材料磨损、水头损失问题,从而影响生产效率。
优选的,输泥管线布置应尽量秉持管线短、架设顺直、爬坡少、转弯次数少、浮管和沉管尽量少原则,以减少流速损失及管道磨损。
所述加压泵是指用于为挖泥船挖取的泥浆加压以使其顺利通过输泥管线输送至后续流程。
优选的加压泵的选型和设置位置应根据输送管线、输送流量、泥浆浓度确定。
所述泥浆处理装置是指将泥浆含砂量、泥砂材料特性、砂粒粒径级配特性进行处理使其达到后续使用要求的装置。泥浆处理装置包括过滤筛、旋流器、固液混合装置、泥浆混合池、输浆泵、进液出液装置,以及电机、搅拌装置辅助设备。
其中,过滤筛是指用于过滤输泥管线输送过来的泥浆中砂粒以控制泥浆中粒径级配分布的过滤装置。过滤筛包括若干粗细孔径的筛网,通过若干粗细孔径筛网组合可以控制泥浆中粒径级配分布。筛网的孔径组合需根据吹填工程对于地基强度需求来确定所需泥沙砂粒粒径级配而后来确定筛网粒径组合。关于地基土粒径级配与强度之间关系,可以参照土力学中相关设计理论。
其中,旋流器用于将过滤筛过滤的泥沙颗粒和水进行不同粒径泥浆分离以实现对于泥浆含砂量调控的装置。旋流器可以对预定粒径的泥浆进行分离,并通过旋流器溢流装置将分离后的清液分离出。旋流器可以为多个粒径组合的旋流器组合以便得到不同粒径组合浆液分离物。旋流器溢流装置分离出的清液可以循环使用。旋流器可以根据现有技术进行选型设计。
优选的,本发明中并不需要对泥浆进行彻底固液分离,只需对不同粒径的泥浆进行简单分离即可,通过不同粒径的泥浆进行再混合可以配置预定所需预定含砂量、预定粒径级配、材质均匀稳定的泥浆。
其中,固液混合装置用于将旋流器分离出的不同粒径泥浆重新进行混合以便配置成预定含砂量、预定粒径级配、材质均匀稳定的泥浆。
其中,泥浆混合池用于临时储存固液混合装置混合得到的泥浆液并对泥浆液进行进一步混合,蓄浆池内有进液出液装置和输浆泵装置用于进出浆液,并设置有搅拌装置以便使泥浆充分混合均匀、固相颗粒悬浮。
优选的,为保证吹填体材料均匀、性能稳定均一,需要求泥浆中含砂量以及砂粒的物理力学特性及粒径级配保持稳定和均匀,因此,本发明中要求用于吹填的泥浆需保证泥浆处理装置处理后的泥浆浓度均匀,粒径级配统一。泥浆浓度及粒径级配需根据后续吹填作业需要进行设计。
优选的,泥浆处理装置中需配置相应的检测仪器设备以便实时监测泥浆的物理特征参数(如泥浆中的含砂量、粒径级配、密度),所需检测仪器设备均为本领域常规技术。
优选的,泥浆处理装置可以根据现有技术进行组合设计。
泥浆处理装置的工作原理为通过若干粗细孔径筛网组合而成的过滤筛控制泥浆中粒径级配分布,而后通过旋流器对不同粒径组合的泥浆进行固液分离,而后通过固液混合装置将旋流器分离出的固相物和液相物重新进行混合以便配置成预定含砂量、预定粒径级配、材质均匀稳定的泥浆,而后将固液混合装置处理得到的泥浆临时储放在泥浆混合池并通过搅拌装置对泥浆液进行进一步混合,得到预定含砂量、预定粒径级配、材质均匀稳定的泥浆。
所述泥浆储存装置是指用于泥浆处理装置处理后的泥浆储存的装置。泥浆储存装置一段通过管道与泥浆处理装置的泥浆混合池相连接,另一端通过管道与料浆输送管路系统相连接。优选的,这一装置内设有搅拌装置,使泥浆处于均匀状态,不出现泥沙沉淀离层现象。泥浆储存装置可以根据现有技术进行组合设计。
优选的,泥浆储存装置中需配置相应的检测仪器设备以便实时监测泥浆的物理特征参数(如泥浆中的含砂量、粒径级配、密度)以及实时容量参数,所需检测仪器设备均为本领域常规技术。
优选的,泥浆储存装置设置有进液通道和出液通道,并在进液通道和出液通道上设置流量控制装置以便控制泥浆储存装置中泥浆的进出流量,进液通道和出液通道及相应的流量控制装置均为本领域现有常规技术。
所述供水系统主要为整个吹填系统提供所需水,包括抽水泵、输水管、净水器和储水装置。抽水泵置于取水点水源水体内,抽水泵出水口通过输水管连接净水器,净水器出水口连接储水装置,储水装置出水口通过出水口管道连接料浆制备系统。
其中,给水系统采用的水源是指吹填工程所在地就近自然水体。取水点需结合吹填地、一体化可移动载台的位置,选取无污染区域的海水。优选的,在吹填工程开始之前,对取砂区、取水点、吹填区进行合理划分。
优选的,本发明所用水源可以为淡水和海水。由于填海造陆工程处于海水环境中常常缺乏淡水,因此,填海造陆工程所需水体应尽可能就近取材。经试验研究,本发明中提供的高水材料水化硬化反应中所需水可以是海水,且经过对比试验论证,使用海水配置及养护的高水材料亦可达到与淡水配置养护的高水材料相似的力学特性且满足填海造陆的力学特性需求。因此,本发明中所需水源可以是淡水或海水,为了工程施工便利,优选使用海水。
所述抽水泵用以抽取取水点水体并压送进入供水系统中。需要注意的是,抽水泵进水口需设置过滤装置以防大尺寸杂物(如木块、死鱼、漂浮垃圾)进入抽水泵影响抽水泵运转。优选的,抽水泵选型需根据吹填工程施工速度、吹填系统用水量来确定,抽水泵工作效率需满足吹填系统供水要求。
所述净水器是指将抽水泵抽送的水体进行过滤、沉淀和除杂工艺以获得符合高水材料制作所需水质要求的净水的装置。
所述储水器是指储存净水装置处理得到的净水的装置。由于本发明优选水源水体为海水,因此储水器必须满足耐腐蚀性要求。储水器容量需根据后续吹填工程需要来确定。
所述输水管用以输送水的管道。优选的,输水管采用耐海水腐蚀的柔性管。
根据研究表明,高水材料可以通过海水进行配置和养护,且在海水中仍能表现出较好力学性能;但是高水材料的性能受水质影响。因此,对于不同水质的海水,需对相应的高水材料性能进行测算分析,并根据实际工程需要,合理确定水灰比,并根据水灰比反算出所需水量。而后,根据所需水量来确定抽水泵型号和效率、净水装置数量和效率、储水装置的容积、水管的管径和材质。
其中,料浆制备系统主要用以制备高水材料的甲、乙两种浆液。
高水材料,是一种新型胶凝材料,由A、AA、B、BB四种固体粉料分别与水混合制成A、AA、B、BB四种浆液,而后A、AA浆液混合制成甲浆液,B、BB浆液混合制成乙浆液,甲、乙浆液单独放置 24h 以上不凝固、不结底,适合进行机械化泵送施工,甲、乙浆液两料浆混合后迅速凝固成高水材料结石体。高水材料具有高含水率(含水率高达87%~90%,水灰比为 2.2:1~2.57:1,而基于此开发的超高水材料水体积大于95%,水灰比可达11∶1)、早起强度高(结石体1h强度可达0.5~1MPa,2h强度可达2MPa,7d可达5MPa以上)、可泵送、结石体早期破坏后还具有重结晶恢复强度的特性优点。
其中,A料以铝土矿、石膏制作而成, AA主要为复合超缓凝分散剂;B料以石膏、石灰混磨制作而成,BB主要为复合速凝剂。
优选的,本发明中,高水材料主料配料的质量比为A:AA:B:BB=1:0.1:1:0.04。根据添加水量的不同,引起高水材料水灰比的不同。常见的水灰比主要在2:1到超高水材料的11:1之间,对应的抗压强度介于6 MPa和0.5 MPa之间。水灰比的变化会对高水材料水化硬化反应进程产生影响,并进一步对高水材料结石体的含水率、容重、微观结构发育、宏观力学性能都会产生影响。高水材料的水化硬化产物为钙矾石(Ettringite,化学分子式:3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O),钙矾石质量占结石体固体质量的90%以上。
具体的,料浆制备系统分为甲、乙两套系统组成,甲、乙制浆系统设备完全相同,每条生产线均由料仓、称料装置、输料装置、搅拌装置、储液装置、混合装置、储浆装置组成,并辅以重量控制器以控制固体材料的称取重量、各类流量控制器以控制水、浆液、料浆的流量,以及输送泵以提供泵送压力。料仓、称料装置、输料装置、储液装置、混合装置、储浆装置通过管道连接,料仓通过管道与称料装置的一端连接,称料装置的另一端通过管道与输料装置的一端连接,输料装置的另一端通过管道与储液装置的一端连接,储液装置的另一端通过管道与混合装置的一端连接,混合装置的另一端通过管道与储浆装置的一端连接,储浆装置的另一端通过管道与料浆输送系统相连接,储液装置和储浆装置内置搅拌装置。
所述料仓主要用于分别储存A、B、AA、BB四种材料。
所述称料装置是指称取制备高水材料的A、B、AA、BB四种材料和所需水的装置。优选的,配置高水材料所需的水可以为海水,用供水装置提供。称水量可以按重量控制,也可以按流量控制。配置A、B、AA、BB四种浆液所需的水量需要分别称取并用管道输送。
所述输料装置是指将称料装置称量的材料输送到后续流程的装置。优选采用螺旋输送机。
所述搅拌装置是指将A、B、AA、BB四种材料分别和水混合搅拌并配置成A、B、AA、BB四种浆液的搅拌器。
所述储液装置是指储存A、B、AA、BB四种浆液的装置。
所述混合装置是指将A浆液和AA浆液混合制备成甲浆液、B浆液和BB浆液混合制备成乙浆液的装置。
所述储浆装置是指分别储存甲、乙浆液的装置。
甲、乙制浆系统生产流程为:首先通过称料装置从料仓中分别称取制备高水材料所需的A、B两种主料以及AA和BB两种配料(也称为添加剂),并通过称料装置从储水器中称取相应量的净水,而后通过搅拌装置将主料和配料分别和水搅拌混合制成A、B、AA、BB四种浆液,A、B、AA、BB四种浆液分别储存在A、B、AA、BB储液装置,再而后通过混合装置将A和AA两种浆液混合得到甲浆液,通过混合装置将B和BB两种浆液混合得到乙浆液,最后将甲浆液和乙浆液分别储放在甲储浆装置和乙储浆装置中备用。
具体的,甲料浆制备系统包括A料料仓、AA料料仓、A料称料装置、AA料称料装置、A料输料装置、AA料输料装置、A料进水流量控制器、AA料进水流量控制器、A料搅拌装置、AA料搅拌装置、A浆液储存器、AA浆液储存器、A浆液流量控制器、AA浆液流量控制器和甲料浆储存器、甲料浆搅拌装置。其中,A料进水流量控制器设置在供水系统储水装置通往A浆液储存器的管道接口处用以控制A浆液储存器进水流量,AA料进水流量控制器设置在供水系统储水装置通往AA浆液储存器的管道接口处用以控制AA浆液储存器进水流量;A浆液流量控制器设置在A浆液储存器通往甲料浆储存器的管道接口处用以控制进入甲料浆储存器的A浆液流量,AA浆液流量控制器设置在AA浆液储存器通往甲料浆储存器的管道接口处用以控制进入甲料浆储存器的AA浆液流量;A料搅拌装置、AA料搅拌装置分别设置在A浆液储存器、AA浆液储存器内部;甲料浆搅拌装置设置在甲料浆储存器内。
甲料浆制浆系统生产流程为:A料料仓通过A料称料装置称取足够量的A料,并通过A料输料装置将称取好的A料通过管道输送到A浆液储存器与供水系统储水装置中的水混合,水量由A料进水流量控制器控制,而后在A浆液储存器中在A料搅拌装置作用下将A料和水进行搅拌混合制成A浆液;AA料料仓通过AA料称料装置称取足够量的AA料,并通过AA料输料装置将称取好的AA料通过管道输送到AA浆液储存器与供水系统储水装置中的水混合,水量由AA料进水流量控制器控制,而后在AA浆液储存器中在AA料搅拌装置作用下将AA料和水进行搅拌混合制成AA浆液;在A浆液流量控制器、AA浆液流量控制器控制下,A浆液储存器的A浆液和AA浆液储存器的AA浆液两种浆液分别通过管道输送到甲料浆储存器中,并在甲料浆搅拌装置作用下搅拌混合制成甲料浆。
其中,乙料浆制备系统包括B料料仓、BB料料仓、B料称料装置、BB料称料装置、B料输料装置、BB料输料装置、B料进水流量控制器、BB料进水流量控制器、B料搅拌装置、BB料搅拌装置、B浆液储存器、BB浆液储存器、B浆液流量控制器、BB浆液流量控制器和乙料浆储存器、乙料浆搅拌装置。其中,B料进水流量控制器设置在供水系统储水装置通往B浆液储存器的管道接口处用以控制B浆液储存器进水流量,BB料进水流量控制器设置在供水系统储水装置通往BB浆液储存器的管道接口处用以控制BB浆液储存器进水流量;B浆液流量控制器设置在B浆液储存器通往乙料浆储存器的管道接口处用以控制进入乙料浆储存器的B浆液流量,BB浆液流量控制器设置在BB浆液储存器通往乙料浆储存器的管道接口处用以控制进入乙料浆储存器的BB浆液流量;B料搅拌装置、BB料搅拌装置分别设置在B浆液储存器、BB浆液储存器内部;乙料浆搅拌装置设置在乙料浆储存器内。
乙料浆制浆系统生产流程为:B料料仓通过B料称料装置称取足够量的B料,并通过B料输料装置将称取好的B料通过管道输送到B浆液储存器与供水系统储水装置中的水混合,水量由B料进水流量控制器控制,而后在B浆液储存器中在B料搅拌装置作用下将B料和水进行搅拌混合制成B浆液;BB料料仓通过BB料称料装置称取足够量的BB料,并通过BB料输料装置将称取好的BB料通过管道输送到BB浆液储存器与供水系统储水装置中的水混合,水量由BB料进水流量控制器控制,而后在BB浆液储存器中在BB料搅拌装置作用下将BB料和水进行搅拌混合制成BB浆液;在B浆液流量控制器、BB浆液流量控制器控制下,B浆液储存器的B浆液和BB浆液储存器的BB浆液两种浆液分别通过管道输送到乙料浆储存器中,并在乙料浆搅拌装置作用下搅拌混合制成乙料浆。
所述料浆输送管路系统包括用以将甲、乙两种浆液分别从甲储浆装置和乙储浆装置输送至混合器之间的管道及加压装置,以及将泥浆从泥浆储存装置中输送至混合器之间的管道和加压装置;具体包括甲料浆输送管、甲料浆输送泵、甲料浆流量控制器、乙料浆输送管、乙料浆输送泵、乙料浆流量控制器、泥浆输送管、泥浆输送泵、泥浆流量控制器,并根据需要加设加压泵。
其中,甲料浆储存器出料口连接甲料浆输送泵,甲料浆输送泵的输出端连接料浆混合系统,甲料浆输送泵与料浆混合系统之间的管道上设置甲料浆流量控制器;乙料浆储存器出料口连接甲料浆输送泵,乙料浆输送泵的输出端连接料浆混合系统,乙料浆输送泵与料浆混合系统之间的管道上设置乙料浆流量控制器;料浆混合系统输入端连接泥浆输送泵,泥浆输送泵靠近料浆混合系统一端的管道上设置泥浆流量控制器,泥浆输送泵与料浆混合系统之间的管道上设置为泥浆加压以使泥浆顺利通过输泥管线输送至后续流程的加压泵。
优选的,要求料浆输送速度不小于1.8—2.0m/s以防止料浆沉积发生;对应的,要求输送管路内径不宜小于100mm;要求管道具有良好的抗压能力(强度不宜小于8MPa),材质优选无缝钢管。此外,为了提升浆液液压以便使其顺利通过混合系统并输送至工作面,在料浆输送管道中需增设加压泵提升输出浆液液压。
优选的,由于甲、乙两种浆液具有单独放置储存可以24小时不凝固、不结底,但是如果甲、乙两种浆液混合之后会迅速凝固,初凝时间约30分钟。因此,当一体化可移动载台距离吹填工地较远时,需将料浆混合系统设置在吹填工地附近,即此时,料浆输送管路系统输送管道将甲、乙两种浆液和泥浆从一体化可移动载台上输送至吹填工地附近的料浆混合系统中,此时料浆输送管路系统输送管道长度较长,需要增设加压泵提供泵送压力。
本领域技术人员不难明白,一体化可移动载台与吹填工作面之间距离的远近划分标准并非局限于绝对距离长度,还应取决于料浆混合系统中高水材料初凝时间。当料浆混合系统设置在一体化可移动载台之上通过调节管道中高水材料-泥浆复合体流速无法保证在高水材料-泥浆复合体注入吹填作业系统工作面时保持流动性而不发生初凝的时候,就必须将料浆混合系统就近设置在吹填工作面附近而非一体化可移动载台之上,此时一体化可移动载台与吹填工作面之间距离通过料浆输送管路系统进行高水材料甲、乙两种浆液和泥浆的输送。
所述料浆混合系统是指将甲浆液、乙浆液和泥浆充分混合制成高水材料-泥浆复合体的装置,具体的,料浆混合系统包括混合器、混合管和混合浆液流量控制器,料浆制备系统出口连接混合器,混合器出口连接混合管,混合管上设置混合浆液流量控制器。
所述流量控制计安装在甲浆液、乙浆液和泥浆三种浆液的料浆输送管路系统的末端(意即进入混合器的管道前端),用以严格控制甲、乙两种浆液的体积比为1:1,并通过控制泥浆控制最终的含泥量以及水灰比。
所述混合器是指将甲浆液、乙浆液和泥浆充分混合的装置,装置内应设有搅拌混合装置以便两种浆液可以充分混合。需要注意的是,混合器中只进行甲浆液、乙浆液和泥浆的搅拌混合,不储存混合浆液,即充分混合后直接输送至混合管中,以便混合浆液在混合器中停留时间过长以致于凝固硬化成形堵塞后续管路。
所述混合管是指让混合浆液充分混合并引导其输送至工作面的管道。管道材质优选内壁光滑的高强度无缝钢管。为了改善混合效果,要求管内加装叶片。要求混合管内的混合浆液流速不宜低于3 m/s,以防止混合浆液凝固沉淀。
优选的,由于高水材料具有速凝特性,甲、乙两种浆液料一旦混合将会快速发生水化硬化反应,因此,需要严格控制混合浆液在料浆混合系统中停留的时间,这一时间与水灰比有关,需根据实际配制的水灰比以及距离工作面的距离进行设计。
其中,吹填作业系统是指将高水材料-泥浆复合体吹填注入吹填区的工艺设施,具体包括管道转接器、流量控制器、吹填管、吹填袋、吹填泵、围埝。所述流量控制器用以控制高水材料-泥浆混合浆液开关及流量流速,吹填管用以输送混合浆液至充填袋内,充填袋是用以填充高水材料-泥浆混合浆液并在其内发生水化硬化反应及养护的容器,吹填泵用以为高水材料-泥浆复合体加压以便顺利扬出吹填至预定工作面,围埝用以将吹填区域划分成若干区域并在各个区域内安装吹填袋以便分片吹填。其中,料浆混合系统混合器出口通过混合管连接管道转接器,管道转接器出口连接吹填作业系统吹填管,管道转接器上设置混合浆液流量控制器,吹填管上设置吹填泵,吹填管出料口设置在吹填区域围埝内的吹填袋内以便将吹填材料吹填进入吹填袋内完成吹填作业。
优选的,整个吹填区域划分为若干分区,并在分区分界线处设置围埝使各个吹填分区分隔开,相关仪器设备运输亦可通过围埝运输。
优选的,各个吹填分区需提前将积水排干,并对基底进行整平,以便布置充填袋。
优选的,本发明中充填袋的主要职能是用于提供填充高水材料-泥浆混合浆液并在其内发生水化硬化反应及养护的场所,要求充填袋具有防渗功能,以便阻隔高水材料-泥浆混合浆液从充填袋内渗出或充填袋外水体渗入充填袋内。充填袋可以为传统的长方体形状的袋体,亦可通过在整个充填分区内铺设防渗膜达到跟传统充填袋相似的功能。
优选的,吹填基底排完水后,土体需要进行适当处理以满足后续工程需要。在施工实际情况允许范围内可以使用传统物理地理处理方法进行处理。如条件不允许,可以使用高水材料混合浆液进行处理,此处不做特殊要求。
此外,为了便于在吹填现场操作,要求充填管应为柔性管。由于混合管为刚性管、充填管为柔性管,为此,在混合管和充填管之间需要设置管道转接器实现不同材质管道的转换。
本发明所涉及的一种基于高水材料-泥浆复合体的新型填海造陆吹填系统的工作原理为:
供水系统就近取水为整个吹填系统提供所需水源,取砂系统在预定水域吸取水底的泥沙并将泥浆输送到吹填系统中处理成预定含砂量、预定粒径级配、材质均匀稳定的泥浆,料浆制备系统制备高水材料甲、乙料浆,而后通过料浆输送管路系统将高水材料甲、乙料浆及泥浆输送至吹填工作面附近,并在料浆混合系统作用下完成高水材料甲、乙料浆及泥浆的混合以制成高水材料-泥浆复合体,通过吹填作业系统将高水材料-泥浆复合体输送至预定吹填工作面注入吹填袋中完成吹填作业,经养护,高水材料-泥浆复合体会迅速凝固形成填海造陆的陆地地基,从而完成填海造陆工作。
基于高水材料-泥浆复合体的填海造陆吹填方法,步骤包括:
步骤一,根据实际工况对吹填施工工艺进行吹填造陆作业设计和施工前各项准备工作。根据地质、水文、交通、工期的技术指标以及安全指标、经济指标,对取砂区、吹填区进行合理分区分层,确定吹填工艺,并确定挖泥船选型及数量,合理布置输泥管线,制定挖沙和吹填计划,并根据挖沙和吹填计划制定高水材料生产计划,完成吹填区域的排水、整平及吹填准备工作。
优选的,需根据吹填区域地基的强度设计要求,对高水材料-泥浆复合体中高水材料的水灰比及该复合体中含泥量进行试验设计。一般来说,随着水灰比的增加,高水材料-泥浆复合体的力学强度会降低;随着高水材料-泥浆复合体中含泥量的增加,高水材料-泥浆复合体所形成的硬化体强度也会增加,但是当泥沙含量过多时,会影响泥浆的可泵性。因此,高水材料-泥浆复合体的相关参数需提前进行试验测试和参数设计。
需要说明的是,高水材料-泥浆复合体的水灰比中的“水”应该包括高水材料甲乙浆液中的水量以及泥浆中的含水量,“灰”则单指高水材料A、AA、B、BB四种材料的重量。泥浆中的泥沙作为高水材料硬化体内的充填物,被硬化体中的钙矾石包围,提升高水材料的强度。研究表明,高水材料-泥浆复合体形成的硬化体的强度可以是高水材料硬化体以及土体的2-10倍。
步骤二,挖泥船进场开赴预定挖泥取砂区域,而后开始挖泥作业,并在输泥泵作用下通过输泥管将泥浆输送至泥水处理器进行处理得到浓度均匀、泥沙粒径级配大致统一的泥浆并储存在泥浆储存器中备用。挖泥船进场,完成管线布置,检验系统可行性,然后开始挖泥作业,并通过取砂系统将海床上的泥沙吸入取砂系统并制成泥浆输送至吹填系统中使用。
优选的,挖泥作业需要分区分段分层作业,以便充分开采海床下的泥沙资源,做到挖泥船作业范围内工效最大化、最合理化,避免挖泥船超过或者接近本身最大作业深度的取砂作业,避免挖泥船的损耗。
优选的,挖泥作业需要提前设计和规划,并合理布置输泥管线。
优选的,需要对挖泥船挖取的泥沙进行实时监控和检测,对泥沙的粒径和级配进行监测和控制,以便是泥浆处理装置可以按照要求工作,以便泥浆处理装置处理后并储存在泥浆储存装置的泥浆浓度均匀,泥沙粒径级配大致统一。
步骤三,在甲、乙料浆制备系统中分别称取A料和AA料,B料和BB料,并将其与水进行混合制得相应浆液,而后将A浆液和AA浆液、B浆液和BB浆液分别混合制得甲料浆和乙料浆,并将其分别储存在相应储存器中备用。
优选的,高水材料主料配料的质量比必须严格控制为A:AA:B:BB=1:0.1:1:0.04,AA和BB的称重误差不得超过0.5%,A和B的称重误差不得超过2%。
优选的,高水材料的水灰比中的水的量是高水材料甲、乙浆液中的水量加上泥浆中的水量之和,因此,在制备高水材料甲、乙浆液时能够添加的水量需要结合泥浆中的含水量进行反算确定,且甲、乙浆液中的含水率需保持一致。
优选的,制备甲浆液时需将A和AA充分搅拌均匀,配置乙浆液时需将B和BB充分搅拌。
优选的,在甲、乙浆液储液装置和储浆装置中需设置搅拌装置,以便浆液保持均匀稳定,不出现离层沉淀现象。
步骤四,将预定液压和预定流量的甲料浆、乙料浆和泥浆三种浆液在混合器中进行充分搅拌混合,而后经过混合管中进一步混合和压送,并最终经过管道转接器从混合管进入吹填作业系统。具体的,将取砂系统制备的泥浆,和高水材料甲乙浆液分别通过管线输送至料浆混合系统,并在混合器、混合管的作用下,制备成成分均匀统一的高水材料-泥浆混合浆液。
优选的,由于高水材料的水灰比中的水的量是高水材料甲、乙浆液中的水量加上泥浆中的水量之和,且吹填的高水材料-泥浆硬化体的强度与高水材料的水灰比及泥沙含量密切相关,因此,需要严格控制甲、乙浆液以及泥浆的流量。
优选的,料浆混合系统需要对高水材料-泥浆混合体进行充分搅拌均匀。
优选的,由于高水材料具有速凝特性,需要严格控制高水材料-泥浆混合体在料浆混合系统以及吹填作业系统的管道内停留时间,因此,需要严格控制高水材料-泥浆混合体的流速(不宜低于3m/s),以及混合管以及吹填管管道的长度。优选的,料浆混合装置需就近布置在吹填作业面附近。
步骤五,将预定流速液压预定流量的高水材料-泥浆混合浆液输送至吹填作业系统中,并注入充填袋内最终形成高水材料-泥浆硬化体,而后进行养护并最终完成吹填作业。具体的,在吹填作业系统的作用下,将高水材料-泥浆混合浆液输送至吹填工作面,并开始吹填作业。吹填作业可以根据实际情况一次性完成吹填,也可以分层实施。将高水材料-泥浆混合浆液吹填至吹填区后,高水材料-泥浆混合浆液会在短时间内保持较好的流动性,并借助其流动性实现自我找平;当高水材料-泥浆混合浆液自我找平效果达不到预期时,可以在吹填区借助机械振捣或机械整平手段予以整平。
需要注意的是,高水材料在水化硬化反应初期,仍能保持较好的重结晶能力,即便借助机械振捣方法破坏了初期硬化体的形貌,高水材料-泥浆混合浆液也可以通过重结晶能力重新实现结晶成形效果。因此,吹填作业初期,可以对高水材料-泥浆吹填硬化体进行机械振捣、机械整平操作。
优选的,当吹填作业分层实施时,在二次吹填作业施工前,需对上一次吹填作业的硬化体表面进行刮毛,以便两次吹填作业形成的硬化体可以更好的结合成一个整体。
优选的,吹填作业结束后,在高水材料-泥浆吹填硬化体完全硬化之前,需对其进行养护。
本发明还提供了基于高水材料-泥浆复合体作为吹填体的新型填海造陆吹填系统及吹填方法的原理在于:
传统的吹填作业包括吹填和地基处理两个部分,其设计思想在于将海底泥沙吹填至吹填区,而后通过地基处理技术,将吹填土中的水排掉,从而实现吹填土的加固并使其达到预定工程特性,进而完成围海造陆的目的。从中不难看出,传统吹填作业的核心在于获得足够多的泥沙,而后通过土力学基本理论和地基处理技术将高含水率的吹填土中的水排掉实现吹填土的固结,从而实现吹填土地基的加固;而在这一过程中,吹填土中的水对于整个工程而言是废料,也是造成吹填土强度弱、变形大问题的主要原因。
而本发明中的吹填作业使用高水材料-泥浆复合体作为吹填材料,其理论基础在于两点:一是,高水材料具有“化水为石”的特点,高水材料可以通过水化硬化反应用占比很少的固体材料吸收大量水分形成硬化体,硬化体含水率可以高达90%以上,且硬化体具有较高力学强度;二是,高水材料-泥浆复合体通过添加少量泥沙即可实现力学特性显著提升,高水材料中添加少量砂土及粗细骨料构成高水材料-土或者高水材料-骨料复合体,可以大大提高高水材料的强度,比如,根据实验研究高水材料中添加5%-10%的泥沙即可对高水材料的强度提升2-10倍。
本发明就是创造性利用这两点提出了一种基于高水材料-泥浆复合体的新型吹填系统,其核心思想在于“化水为石”和“化废为宝”,即将吹填工程中挖取的泥浆中的“废料”水转化成筑造吹填地基的工程材料,将这一“废料水”转化成高水材料硬化体的组成部分,即将废料水变成“人工石”。
具体的,本发明中,跟正常吹填作业一样,挖泥船挖取海床上的泥浆,但是,本发明中并不需要将泥浆中的水分排掉以便彻底泥水分离,相反,本发明直接利用泥浆这一泥水混合体;而后,通过高水材料料浆制备系统制备甲、乙两种料浆,在甲、乙两种料浆混合制备高水材料时,泥浆中的水可以“化水为石”用于调配高水材料水灰比并最终转化为高水材料硬化体的一部分(主要为高水材料硬化体钙矾石中的结合水),泥浆中的泥沙或粗细颗粒珊瑚礁石可以变成高水材料硬化体中的加筋物(即在高水材料硬化体中加入泥沙或粗细颗粒珊瑚礁石起到加筋作用),泥沙颗粒以及粗细颗粒珊瑚礁石的颗粒体的强度很大,泥沙颗粒以及粗细骨料相互咬合,可以显著提高高水材料硬化体的力学强度。再一点,高水材料中添加泥沙颗粒以及粗细骨料可以显著提高其抗腐蚀能力及抗风化能力。
此外,颜志平提出使用高水材料改良软土地基(参见:颜志平, 杨航宇, 朱赞凌.高水速凝材料应用于软土地基处理的可行性研究[J]. 广东公路交通, 1999(C00):6.;颜志平. 高水速凝材料-软土微观结构的SEM研究[J]. 岩土力学, 2004, 025(002):275-278,282.)。然而,这些研究的本质还是在于如何实现软土的地基处理,其思想内核还是在于通过往软土中加固化剂的方法实现软土地基加固,即软土为主要物质框架和结构主体,高水材料只是固化剂将软土中的水分固定住。
与之相比,本发明中遇到的问题是泥沙不足情况下如何实现填海造陆。因此,本发明中,高水材料是吹填物质的物质主体和结构主体,挖泥船所挖取的泥沙、砂砾和粗细颗粒珊瑚礁石只是高水材料内部钙矾石晶体之间的填充物,用于提高高水材料的力学强度。因此,不难看出,二者技术路线之间存在本质差别。
同理,传统意义上通过添加化学固化剂实现软土地基加固的诸多技术与本发明也存在本质性差别。传统化学加固软土地基法的本质依然是以软土为物质和结构主体,而后通过添加少量固化剂将软土颗粒间的水分予以固定,从而提高软土的力学特性。而本发明则相反,本发明中,吹填物体的物质和结构主体是高水材料硬化体,挖泥船挖取的泥沙和砂砾骨料只是高水材料硬化体的内部填充物;且本发明中并不以排水为目的,而是以直接将水转化为高水材料硬化体的一部分。
再一点,与传统围海造陆吹填作业相比,本发明所提出的吹填方法具有创造性突破。
传统围海造陆吹填作业一般包括两大部分,一为吹填,二为软土地基处理。吹填部分主要包括挖泥船从河床海底挖泥浆,并泵送至吹填作业区进行吹填。吹填过后,进入吹填土处理环节,将吹填土视为软土地基,并采用各种软土地基处理技术对吹填土进行加固处理。
而本发明提供的吹填系统和吹填方法则将吹填和固结一气呵成。由于高水材料可以将吹填泥浆中的水分转化为高水材料硬化体的一部分,且高水材料具有速凝效果,高水材料硬化体的强度远高于一般软土的强度,因此,本发明中吹填和“固结”合二为一,一旦吹填完成,高水材料硬化体养护固化之后,即形成具有相当强度的硬化体,即完成了吹填土的加固。
由于传统软土地基处理一般周期漫长,而本发明中高水材料硬化体只需养护数日即可达到远高于一般软土的强度,因此本发明的围海造陆作业周期大大缩减。
此外,与传统的高水材料使用用途相比,本发明所提出的使用高水材料-泥浆复合体作为吹填体的新型填海造陆吹填系统及吹填方法在高水材料的应用领域和技术设计思想及相应理论基础方面亦有突破和创新,且上述突破和创新并非本领域人员基于现有技术所能直接想到的。具体的,传统上,高水材料用于采空区的充填,通过往采空区充填高水材料,并借助矿柱对高水材料充填体的侧向力,支撑顶板,控制围岩变形和顶板覆岩活动,即本质上高水材料充填体处于三向受压状态(受到地应力、上覆荷载、矿柱侧向力作用)。而吹填工艺本质上是使用海床泥沙进行填海造陆,吹填工艺和充填工艺存在本质性差别;此外,吹填土本质上是地基土,地基土本质上是轴向受压且无地应力(或者地基工程中将地应力视为0),其性能要求侧重于地基承载力,也是轴向抗压能力。因此,充填和吹填并不具有可比性,本发明所提出的使用高水材料-泥浆复合体作为吹填体的新型填海造陆吹填系统及吹填方法具有创造性。
根据上述分析,不难看出,本发明所提供的基于高水材料的新型吹填系统及吹填方法具有以下几个特点:
(1)化水为石。本发明中,大量使用挖泥船挖取的泥浆中的水,以及吹填区附近水体中的水,并通过高水材料的水化硬化反应,将大量水转化为高水材料硬化体的一部分(主要为高水材料硬化体中钙矾石的结合水),并将高水材料硬化体用于吹填区的造陆工作。由于高水材料硬化体的强度高于一般软土地基,本发明使用高水材料起到了“化水为石”的技术效果。
(2)用砂量少。由于本发明中用于填充吹填区的物质不以水底泥砂为主,更多的,本发明中使用高水材料作为吹填区域的吹填。高水材料具有非常高的水灰比,且高水材料可以“化水为石”,通过少量固体材料吸收固定大量水分形成硬化体完成吹填。因此,本发明中,用砂量大为减少。
(3)施工速度快、工期短。由于传统软土地基处理一般周期漫长,而本发明中高水材料硬化体只需养护数日即可达到远高于一般软土的强度,因此本发明的围海造陆作业周期大大缩减。
(4)围海造陆的地基强度高。如前所述,高水材料硬化体的强度显著高于软土,而且高水材料-泥浆复合体的硬化体中往高水材料硬化体中添加泥砂、粗细骨料构成高水材料-土或者高水材料-骨料复合体,可以大大提高高水材料的强度。通过此构筑的围海造陆吹填区,其强度显著提高。
(5)化废为宝。对于吹填工程来说,泥浆中的水体为工程废水,需进行排泄和处理。本发明专利提出使用这些传统意义的“工程废水”,转化为高水材料硬化体中的一部分,用于构筑吹填物,实现化废为宝的效果。
(6)可就近取材。本发明的吹填作业中,可以就近取材,将附近水域的水体和水底泥砂用于吹填工程,挖泥船挖取的泥浆用于吹填作业和围海造陆中,避免从外运输大量材料。
(7)施工便捷,可操作性强。本发明提出,使用一体化可移动载台作为整个吹填系统主要设备的载台,可以快速便捷转移整个吹填系统,将整个吹填系统合理布置在吹填作业面附近,便于施工开展。而且,由于高水材料甲、乙两种浆液料单独放置或输送时24小时以上不凝固、不结底,具有优良可泵性,这个吹填系统均为管道运输,施工方便简单,不占用大量工作面。
(8)成本低。使用高水材料构筑吹填体,可以大量使用就近水作为构筑材料;同时,由于整个吹填系统放置在可移动载台上,可以就近布置吹填系统,避免不必要的运输成本;吹填系统均为管道运输,施工工艺简单方便;以上措施均可以大幅度节约施工成本。
(9)环境友好,且无大量工程废料。高水材料本身无毒、无害、无腐蚀,使用高水材料进行围海造陆具有环境友好的特点。而且,整个吹填施工过程中不会制造大量的工程废料。
综上所述,本发明提供了一种基于高水材料的新型围海造陆吹填系统和吹填方法,可以圆满解决现有技术不足。
附图说明
图1是基于高水材料-泥浆复合体的填海造陆吹填系统示意图。
其中,1、水源;2、抽水泵;3、输水管;4、净水器;5、储水装置;6、乙料浆制备系统;7、甲料浆制备系统;8、AA料料仓;9、A料料仓;10、A料进水流量控制器;11、AA料进水流量控制器;12、A浆液储存器;13、A浆液流量控制器;14、AA浆液储存器;15、AA浆液流量控制器;16、甲料浆储存器;17、甲料浆输送泵;18、甲料浆流量控制器;19、混合器;20、混合浆液流量控制器;21、混合管;22、管道转接器;23、吹填泵;24、吹填管;25、吹填袋;26、围埝;27、乙料浆流量控制器;28、乙料浆输送泵;29、泥浆流量控制器;30、泥浆输送泵;31、乙料浆储存器;32、泥浆储存器;33、BB浆液流量控制器;34、B浆液流量控制器;35、BB浆液储存器;36、B浆液储存器;37、BB料进水流量控制器;38、B料进水流量控制器;39、BB料仓;40、B料仓;41、泥水处理器;42、输泥泵;43、挖泥船;44、挖泥抓斗;45、取砂区;46、输泥管;47、一体化可移动载台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
某海上填海造陆工程,距离大陆较远,砂石运输不便,初拟采用吹填造陆工艺,然而周边海域海床砂石材料相对缺乏,无法使用传统吹填造陆工艺,因此改用本发明所涉及基于高水材料的新型吹填系统技术完成吹填造陆作业。下面对该工程展开详细描述:
根据附图1所示的基于高水材料-泥浆复合体的填海造陆吹填系统,包括一体化可移动载台、取砂系统、供水系统、料浆制备系统、料浆混合系统、料浆输送管路系统、吹填作业系统七大部分。所述取砂系统预定水域或海域底部进行取砂而后将泥浆通过管道输送至一体化可移动载台,并对泥浆进行处理后储存在泥浆储存装置中备用,泥浆储存装置另一端通过管道与料浆输送管路系统相连;供水系统在预定水域或海域中取水并为整个吹填系统供水,供水系统的净水器和储水装置放置在一体化可移动载台上,储水装置通过管道与料浆制备系统相连为其供水;料浆制备系统放置在一体化可移动载台上,料浆制备系统一端通过管道与供水系统相连,料浆制备系统另一端通过管道与料浆输送管路系统一端相连;料浆输送管路系统另一端通过管道与料浆混合系统一端相连;料浆混合系统另一端通过管道与吹填作业系统相连,吹填作业系统进行吹填作业完成填海造陆。
其中,一体化可移动载台47是指用于安装固定整个吹填系统主要仪器设备的可移动一体化集成平台,本实施方式中一体化可移动载台使用具有动力的海船或可以被拖拽的船只,在实际施工过程中根据工作面位置和取砂位置的变化快速转移一体化可移动载台至最佳位置。
其中,取砂系统用于在预定水域或海域取砂而后将泥浆输送至一体化可移动载台,并对泥浆进行处理,取砂系统包括泥浆储存装置(即泥浆储存器32)、泥浆处理装置(即泥水处理器41)、输泥泵42、挖泥船43、挖泥抓斗44和输泥管46,泥浆输送泵30远离料浆混合系统一端设置泥浆储存器32,泥浆储存器32通过泥浆管道连接泥水处理器41出料口,泥水处理器41进料口连接输泥泵42,输泥泵42设置在挖泥船43上,输泥泵42进料口连接输泥管46,输泥管46远离输泥泵42一端设置挖泥装置44。
其中,供水系统用以为整个吹填系统提供所需水。所述供水系统包括抽水泵2、输水管3、净水器4和储水装置5,抽水泵2出水口通过输水管3连接净水器4,净水器4出水口连接储水装置5,储水装置5出水口通过出水口管道连接料浆制备系统。本实施方式中,水源1选用吹填工作面就近水域的自然水体。
其中,料浆制备系统主要用以制备高水材料的甲、乙两种浆液,料浆制备系统分为甲料浆制备系统7和乙料浆制备系统6,甲、乙制浆系统设备完全相同,每条生产线均由料仓、称料装置、输料装置、搅拌装置、储液装置、混合装置、储浆装置组成。具体的,料浆制备系统由甲料浆制备系统7和乙料浆制备系统6组成,甲料浆制备系统7和乙料浆制备系统6设备相同,甲料浆制备系统7包括AA料料仓8、AA料进水流量控制器11、A料料仓9、A料进水流量控制器10、AA浆液储存器14、A浆液储存器12、A浆液流量控制器13、AA浆液流量控制器15和甲料浆储存器16,AA料料仓8通过AA料管道连接AA浆液储存器14,A料料仓9通过A料管道连接A浆液储存器12,AA料管道和A料管道中部分别连接储水装置5出水口管道,储水装置5出水口管道与AA料管道接口处设置AA料进水流量控制器11,储水装置5出水口管道与A料管道接口处设置A料进水流量控制器10,AA浆液储存器14出料口通过AA浆液管连接甲料浆储存器16,A浆液储存器12出料口通过A浆液管连接甲料浆储存器16,AA浆液管上设置AA浆液流量控制器15,A浆液管上设置A浆液流量控制器13,甲料浆储存器16出料口连接料浆输送管路系统,乙料浆制备系统6包括B料仓40、BB料仓39、B料进水流量控制器38、BB料进水流量控制器37、B浆液储存器36、BB浆液储存器35、B浆液流量控制器34、BB浆液流量控制器33、乙料浆储存器31,BB料仓39通过BB料管道连接BB浆液储存器35,B料仓40通过B料管道连接B浆液储存器36,BB料管道和B料管道中部分别连接储水装置5出水口管道,储水装置5出水口管道与BB料管道接口处设置BB料进水流量控制器37,储水装置5出水口管道与B料管道接口处设置B料进水流量控制器38,BB浆液储存器35出料口通过BB浆液管连接乙料浆储存器31,B浆液储存器36出料口通过B浆液管连接乙料浆储存器31,BB浆液管上设置BB浆液流量控制器33,B浆液管上设置B浆液流量控制器34,乙料浆储存器31出料口连接料浆输送管路系统。
其中,料浆制备系统所制备的高水材料具有以下特性:
(1)该材料由 A、B 两种材料组成。A 料以铝土矿、石膏制作而成,并配以复合超缓凝分散剂(又称 AA)构成;B 料以石膏、石灰混磨制作而成并配以少量复合速凝剂(又称BB)构成。
(2)该材料具有含水性高的特点,含水率高达87%~90%,水灰比为2.2:1~2.57:1,而基于此开发的超高水材料水体积大于 95%,水灰比可达 11∶1。
(3)可泵性好:A、B两种固体粉料与水搅拌制成两种浆液,单独放置24h以上不凝固、不结底,适合进行机械化泵送施工。
(4)速凝性:A、B两料浆混合后迅速凝固,初凝时间不超过30分钟。
(5)早期强度高:A、B浆液混合后形成的结石体1h强度可达0.5~1MPa,2h强度可达2MPa,7d可达5MPa以上。
(6)环保无毒、无害、无腐蚀性。
(7)A料的pH=9~10,为弱碱性;B料的pH=11~12,为碱性。
(8)A、B两种固体粉料的有效保存期为6个月。
(9)高水材料所形成的结石体早期破坏后还具有重结晶恢复强度的特性。
(10)高水材料主要选用铝钒石、石灰和石膏主要原料,材料制作工艺简单,成本低廉。
优选的,本发明中,高水材料主料配料的质量比为A:AA:B:BB=1:0.1:1:0.04。
其中,A的矿物成分主要为无水硫铝酸钙(3CaO·3Al2O3·CaSO4)和硅酸二钙(2CaO·SiO2)。
其中,B料中主要含量为硬石膏(CaSO4),达到65%左右,其次为白云石(Ca Mg(CO3)2),另外还含有熟石膏(CaSO4·0.5H2O)和CaCO3、Ca(OH)2矿物成分。在高水材料水化硬化反应中,石膏在硅酸盐水泥的浆体中溶解速度快,并且与3CaO•Al2O3很快地反应生产细小的钙矾石,在水泥颗粒周围形成包裹层,起到水化的缓冲作用,还可以降低混凝土干缩变形,提高其耐腐蚀性能,以及提高早期强度。石膏加入到石灰中可使石灰消化时的体积膨胀值显著减少。
其中,AA的主要化学成分为Na2CO3,其含量高达97%;其次为BaBiO3,含量仅为3%左右。AA的主要作用是缓凝、悬浮、分散。
其中,BB的主要化学成分为SiO2(约占54%)、CaSO4(约占31%)和Rb2FeZr(PO4)3(约占15%),其主要作用在于速凝、悬浮、分散、活化。
优选的,根据添加水量的不同,引起高水材料水灰比的不同。常见的水灰比主要在2:1到超高水材料的11:1之间,对应的抗压强度介于6 MPa和0.5 MPa之间。水灰比的变化会对高水材料水化硬化反应进程产生影响,并进一步对高水材料结石体的含水率、容重、微观结构发育、宏观力学性能都会产生影响。
高水材料的水化硬化产物为钙矾石(Ettringite,化学分子式:3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O),钙矾石质量占结石体固体质量的90%以上。水化硬化反应为:
这一反应的进行导致高水材料混合浆液中的自由水大量参加水化反应并转变为钙矾石的结合水,最终导致高水材料结石体形成。
由于本发明的适用工况环境包含海水环境,经过试验研究,本发明所使用的的高水材料在海水环境中,上述水化硬化反应可以正常发生;此外,高水材料的主料配料中的矿物成分会与海水中离子发生化学反应,产生Zincgartrellite(化学式为:Pb(Zn,Fe3+,Cu)2(AsO4)2 • 2(H2O,OH)),Zincgartrellite的出现可以填充钙矾石晶体内部的孔隙,Zincgartrellite晶体和钙矾石晶体交错连接,提高微观结构的稳定性,从而提高高水材料的力学特性。因此,本发明所用的高水材料可以适应海水环境。
所述料浆输送管路系统包括用以将甲、乙两种浆液从甲储浆装置和乙储浆装置输送至混合器之间的管道及加压装置,以及将泥浆从泥浆储存装置中输送至混合器之间的管道和加压装置。具体包括甲料浆输送泵17、甲料浆流量控制器18、泥浆输送泵30、泥浆流量控制器29和加压泵,甲料浆储存器16出料口连接甲料浆输送泵17,甲料浆输送泵17的输出端连接料浆混合系统,甲料浆输送泵17与料浆混合系统之间的管道上设置甲料浆流量控制器18,料浆混合系统输入端连接泥浆输送泵30,泥浆输送泵30靠近料浆混合系统一端的管道上设置泥浆流量控制器29,泥浆输送泵30与料浆混合系统之间的管道上设置为泥浆加压以使泥浆顺利通过输泥管线输送至后续流程的加压泵,料浆输送管路系统包括乙料浆输送泵28、乙料浆流量控制器27,乙料浆储存器31出料口连接乙料浆输送泵28,乙料浆输送泵28的输出端连接料浆混合系统,乙料浆输送泵28与料浆混合系统之间的管道上设置乙料浆流量控制器27。
所述料浆混合系统包括混合器19、混合管21和混合浆液流量控制器20,料浆制备系统出口连接混合器19,混合器19出口连接混合管21,混合管21上设置混合浆液流量控制器20。所述混合管21采用内壁光滑的高强度无缝钢管,混合管21内设置增强混合效果的叶片。
所述吹填作业系统包括管道转接器22、吹填泵23、吹填管24、吹填袋25、围埝26,混合器19出口通过混合管21连接管道转接器22,管道转接器22出口连接吹填管24,混合管21上远离管道转接器22一端设置混合浆液流量控制器20,管道转接器22远离混合管21一端连接吹填泵23,吹填泵23出料口连接吹填管24。预定吹填区域划分为若干分区,并在分区分界线处设置围埝26使各个吹填分区分隔开,并在各个区域内安装吹填袋25以便分片吹填。通过将吹填管24出料口依次放进各个区域吹填袋25内进行吹填作业。
本实施方式中还提供了上述基于高水材料的新型吹填系统的使用方法,该方法包括:
(1)吹填准备,根据实际工况对吹填施工工艺进行设计和准备。根据工程周边地形地质、气象水文、交通及工程需要指标,选定取砂区45和水源地1,确定挖泥、取水和吹填计划,确定相关仪器设备的选型和布置,完成挖泥、取水和吹填的各种准备工作。
(2)挖泥作业。根据挖泥作业计划,挖泥船43进场开赴预定挖泥取砂区域,而后开始挖泥作业,并在输泥泵42作用下通过输泥管46输送至泥水处理器41,并在泥水处理器41处理下得到浓度均匀、泥沙粒径级配大致统一的泥浆并储存在泥浆储存器32(即泥仓)中备用。泥浆储存器32中设有搅拌器并保持匀速搅拌以保持泥浆储存器32中的泥浆保持均质。
(3)高水材料甲、乙浆液制备。在甲料浆制备系统7中,A料和AA料分别存放在A料仓9和AA料仓8。使用卸料装置分别称取制备高水材料所需的A料和AA料;通过A料进水流量控制器10和AA料进水流量控制器11 注入预定量的水;A料和AA料和水分别搅拌并得到A浆液和AA浆液。A浆液储存在A浆液储存器12内,AA浆液储存在AA浆液储存器14内。通过A浆液流量控制器13、AA浆液流量控制器15分别控制A浆液流量和AA浆液流量,而后通过搅拌机混合得到甲料浆,甲料浆储存在甲料浆储存器16中。
由于甲料浆制备系统7和乙料浆制备系统6的仪器设备完全相同,通过类似方法可以得到乙料浆并储存在乙料浆储存器31中。
(4)高水材料-泥浆混合浆液制备。通过甲料浆输送泵17加压并在甲料浆流量控制器18的流量控制下将预定流量的甲料浆输送至混合器19;同理,在乙料浆输送泵28的抽送和乙料浆流量控制器27的流量控制下,将预定流量乙料浆输送至混合器19;在泥浆输送泵30的抽送和泥浆流量控制器29的流量控制下,将预定流量泥浆输送至混合器19。而后将预定液压和预定流量的甲料浆、乙料浆和泥浆三者在混合器19中进行充分搅拌混合,而后经过混合管21中进一步混合和压送,并最终经过管道转接器22从混合管21进入吹填作业系统。
(5)高水材料-泥浆混合浆液吹填作业。在混合浆液流量控制器20的控制下,将预定流速液压预定流量的高水材料-泥浆混合浆液输送至吹填作业系统中。吹填管24为柔性管以便于在吹填现场操作。管道转接器22实现了刚性的混合管21和柔性的吹填管24之间的转换。预定液压和流量的高水材料-泥浆混合浆液通过柔性的吹填管24输送到吹填施工面上,并注入充填袋25内,并在充填袋25内发生水化硬化反应,最终形成高水材料-泥浆硬化体。高水材料-泥浆硬化体在吹填结束后续进行养护,相关养护方法和要求可以参照混凝土养护标准执行。
本发明的工作过程如下:根据实际工况对吹填施工工艺进行吹填造陆作业设计和施工前各项准备工作,提前建造好围埝26,围埝26内放置吹填袋25;挖泥船进场开赴预定挖泥取砂区域,而后开始挖泥作业,并在输泥泵42作用下通过输泥管46将泥浆输送至泥水处理器41进行处理得到浓度均匀、泥沙粒径级配大致统一的泥浆并储存在泥浆储存器32中备用;在甲、乙料浆制备系统中分别称取A料和AA料,B料和BB料,并将其与水进行混合制得相应浆液,而后将A浆液和AA浆液、B浆液和BB浆液分别混合制得甲料浆和乙料浆,并将其分别储存在相应储存器中备用;将预定液压和预定流量的甲料浆、乙料浆和泥浆三种浆液在混合器19中进行充分搅拌混合,而后经过混合管中进一步混合和压送,并最终经过管道转接器22从混合管21进入吹填作业系统;将预定流速液压预定流量的高水材料-泥浆混合浆液通过吹填作业系统输送并注入充填袋25内最终形成高水材料-泥浆硬化体,而后进行养护并最终完成吹填作业。
本发明所提供的基于高水材料的新型吹填系统及吹填方法具有化水为石化废为宝、可就近取材、用砂量少、施工速度快、工期短、围海造陆的地基强度高、施工便捷、可操作性强、成本低、环境友好且不产生大量工程废料优点。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本领域的技术人员来说,在不脱离本发明整体构思前提下,还可以作出若干改变和改进,这些也应该视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.基于高水材料-泥浆复合体的填海造陆吹填系统,其特征在于,包括一体化可移动载台、取砂系统、供水系统、料浆制备系统、料浆混合系统、料浆输送管路系统和吹填作业系统,所述一体化可移动载台一端分别设置取砂系统和供水系统,一体化可移动载台另一端设置料浆混合系统,一体化可移动载台中部设置料浆制备系统,供水系统连接料浆制备系统输入端,料浆混合系统输出端连接吹填作业系统,料浆制备系统的输出端与取砂系统通过料浆输送管路系统连接,料浆输送管路系统与料浆混合系统输入端连接。
2.如权利要求1所述的基于高水材料-泥浆复合体的填海造陆吹填系统,其特征在于,所述一体化可移动载台是指用于安装固定吹填系统仪器设备的可移动一体化集成平台。
3.如权利要求1所述的基于高水材料-泥浆复合体的填海造陆吹填系统,其特征在于,所述取砂系统包括挖泥船、输泥泵、输泥管线、加压泵、泥浆处理装置、泥浆储存装置,输泥泵设置在挖泥船上,输泥泵一端与挖泥船连接,输泥泵另一端与将挖泥船挖取的泥浆通过输泥管压送至泥浆处理装置的输泥管线一端连接,输泥管线中部设置以便在输泥管线过长管内液压不足时增加管内液压的加压泵,输泥管线另一端与泥浆处理装置连接,泥浆处理装置通过管道与泥浆储存装置连接。
4.如权利要求1所述的基于高水材料-泥浆复合体的填海造陆吹填系统,其特征在于,所述供水系统包括抽水泵、输水管、净水器和储水装置,抽水泵出水口通过输水管连接净水器,净水器出水口连接储水装置,储水装置出水口通过出水口管道连接料浆制备系统。
5.如权利要求1所述的基于高水材料-泥浆复合体的填海造陆吹填系统,其特征在于,所述料浆制备系统分为甲、乙两套系统组成,甲、乙制浆系统设备完全相同,甲、乙制浆系统设备均由料仓、称料装置、输料装置、搅拌装置、储液装置、混合装置、储浆装置组成,甲、乙制浆系统设备上设置控制固体材料称取重量的重量控制器、控制水、浆液、料浆流量控制器和提供泵送压力的输送泵;料仓、称料装置、输料装置、储液装置、混合装置、储浆装置通过管道连接,料仓通过管道与称料装置的一端连接,称料装置的另一端通过管道与输料装置的一端连接,输料装置的另一端通过管道与储液装置的一端连接,储液装置的另一端通过管道与混合装置的一端连接,混合装置的另一端通过管道与储浆装置的一端连接,储浆装置的另一端通过管道与料浆输送系统相连接,储液装置和储浆装置内置搅拌装置。
6.如权利要求1所述的基于高水材料-泥浆复合体的填海造陆吹填系统,其特征在于,所述料浆输送管路系统包括料浆输送泵、料浆流量控制器、泥浆输送泵、泥浆流量控制器和加压泵,料浆储存器出料口连接料浆输送泵,料浆输送泵的输出端连接料浆混合系统,料浆输送泵与料浆混合系统之间的管道上设置料浆流量控制器,料浆混合系统输入端连接泥浆输送泵,泥浆输送泵靠近料浆混合系统一端的管道上设置泥浆流量控制器,泥浆输送泵与料浆混合系统之间的管道上设置为泥浆加压以使泥浆顺利通过输泥管线输送至后续流程的加压泵。
7.如权利要求1所述的基于高水材料-泥浆复合体的填海造陆吹填系统,其特征在于,所述料浆混合系统包括混合器、混合管和混合浆液流量控制器,料浆制备系统出口连接混合器,混合器出口连接混合管,混合管上设置混合浆液流量控制器。
8.如权利要求7所述的基于高水材料-泥浆复合体的填海造陆吹填系统,其特征在于,所述混合管采用内壁光滑的高强度无缝钢管,混合管内设置增强混合效果的叶片。
9.如权利要求1所述的基于高水材料-泥浆复合体的填海造陆吹填系统,其特征在于,所述吹填作业系统包括管道转接器、流量控制器、吹填管、吹填袋、吹填泵、围埝,所述料浆混合系统混合器出口通过混合管连接管道转接器,管道转接器出口连接吹填管,管道转接器上设置混合浆液流量控制器,吹填管上设置吹填泵,吹填管出料口设置在吹填区域的围埝内,围埝内设置吹填袋。
10.基于高水材料-泥浆复合体的填海造陆吹填方法,其特征在于,利用权利要求1-9任一项所述的基于高水材料-泥浆复合体的填海造陆吹填系统,步骤包括:步骤一,根据实际工况对吹填施工工艺进行吹填造陆作业设计和施工前各项准备工作;
步骤二,挖泥船进场开赴预定挖泥取砂区域,而后开始挖泥作业,并在输泥泵作用下通过输泥管将泥浆输送至泥水处理器进行处理得到浓度均匀、泥沙粒径级配大致统一的泥浆并储存在泥浆储存器中备用;
步骤三,在甲、乙料浆制备系统中分别称取A料和AA料,B料和BB料,并将其与水进行混合制得相应浆液,而后将A浆液和AA浆液、B浆液和BB浆液分别混合制得甲料浆和乙料浆,并将其分别储存在相应储存器中备用;
步骤四,将预定流量的甲料浆、乙料浆和泥浆三种浆液在混合器中进行充分搅拌混合,而后经过混合管中进一步混合制成高水材料-泥浆混合浆液和压送,并最终经过管道转接器从混合管进入吹填作业系统;
步骤五,将预定流速液压预定流量的高水材料-泥浆混合浆液输送至吹填作业系统中,并注入充填袋内形成高水材料-泥浆硬化体,而后进行养护并最终完成吹填作业。
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