CN204898752U - 一种运用于板结土体结构的水刀吸泥设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于水下清淤施工的技术领域，具体涉及一种运用于板结土体结构的水刀吸泥设备。本实用新型为了解决普通吸泥设备的吸泥效率低的问题，提供了一种运用于板结土体结构的水刀吸泥设备，包括排泥管，所述排泥管的下段外围设有水压系统和气压系统，所述水压系统底部设有高压水出口，所述气压系统设置有向上倾斜的与排泥管内部连通的高压气出口，排泥管上下两端为开口结构。本实用新型首先通过水压系统将板结土体结构切割成适于排出的碎块或泥浆，达到了破坏板结土体结构的目的，再通过气压系统将碎块或泥浆通过排泥管抽出，对粘土性质的河床地质更有针对性，还能将粘土层中夹杂的铁锰结核也可清理排出，提高了吸泥效率，同时控制了施工成本。
Description
技术领域
本实用新型属于水下清淤施工的技术领域，具体涉及一种运用于板结土体结构的水刀吸泥设备。
背景技术
随着国家经济的发展，国家基础建设项目的大规模上马，跨越大江大河的桥梁也越来越多，桥梁基础修建的技术也得到了很大的发展和提高。而我国幅员辽阔，水文、地质复杂多变，水下基础工程施工不可预见因素多，施工难度大，因而复杂水文地质条件下的桥梁水下基础施工技术已经成为大型跨江、跨河桥梁施工中的关键技术。钢围堰是深水基础施工常用结构，工艺成熟，结构刚度好，安全性好，能满足多种地质情况的施工。使用钢围堰配合施工的目的，就是在堰内施工和修建基础时，使堰外的水和土不至于大量涌进堰内，并且待基础、墩台修筑出水面后又可将其拆除，避免堵塞水流和航道。
钢围堰施工一般采用垂直下沉的方法将其安装到位，刃角需进入河床一定深度，故需要对围堰内部及刃角进行吸泥处理，清除封底混凝土及以上部位的土体。
在某些地质条件差，但基于施工安全考虑又不得不使用钢围堰施工时，围堰的吸泥下沉成为施工中的重点和难点。例如某市政公路工程，地貌单元为淮河冲击平原，具河漫滩及河间平底微地貌，地势较平坦。地质报告显示，主航道桥主墩附近区域标高4.2~1.3m为软塑性粉质粘土，夹粉砂薄层；1.3~-0.9m为含锰铁结核的粉土，局部夹粉质粘土薄层；-0.9~-6.4m为可塑、坚硬含锰铁结核的粉质粘土，-6.4m以下为中砂地质。双壁钢围堰采用矩形结构，围堰壁厚2.0m，总高度24.176m，底节8m，中节8m，顶节8.176m，周长方向分14块，合计42块。围堰底节加工完成后在钻孔平台处拼装成整体，接高钻孔桩四角钢护筒并安装吊挂系统，整体起吊下放，逐节接高、下沉至河床，井壁内注混凝土和水，水下吸泥，灌注封底混凝土，在封底混凝土上浇筑承台。该工程桥位处水深12m，施工完成后围堰进入河床超过10m。
对该桥位河床进行吸泥试验，发现河床为板结土体。普通吸泥设备主要动力设备为高功率水泵，在土体具有流动性的情况下，土体伴随流动的水流被抽出。但本工程河床地质具体表现为岩层板结、塑性强、流动性差、具很强粘聚性。所以采用普通吸泥设备时的吸泥效率低下，只能清除河床淤泥，土体未发生变化，难以保证围堰下沉施工顺利进行。若采用大范围的挖泥清淤的施工方法，将投入大量成本及时间，并且在水流的作用下回淤现象将无法避免。
发明内容
本实用新型为了解决板结土体的钢围堰下沉区域因河床为粘土或粉土等流动性差的地质，导致普通吸泥措施效率低下的问题，提供了一种运用于板结土体结构的水刀吸泥设备。
本实用新型采用如下技术方案：
一种运用于板结土体结构的水刀吸泥设备，包括排泥管，所述排泥管的下段外围设有水压系统和气压系统，所述水压系统底部设有高压水出口，所述气压系统设置有向上倾斜的与排泥管内部连通的高压气出口，排泥管上下两端为开口结构。
所述的气压系统包括设置于排泥管外围的气压室，气压室顶部通过高压气管与空气压缩机连接，气压室底部封闭，所述高压气出口为沿排泥管管壁均匀设置的气压喷嘴。
所述的水压系统包括设置于排泥管外围的水压室，水压室顶部过高压水管与水压泵连接，高压水出口为设置于水压室底部、绕排泥管中心环形阵列设置的若干水压喷嘴。
所述的气压室是由排泥管的外壁以及套设于排泥管下段外围的气压管的内壁所形成的腔体，腔体顶部通过高压气管与空气压缩机连接，腔体底部封闭，腔体通过若干出口向上倾斜设置的气压喷嘴与排泥管连通。或者，所述的气压室是由若干均匀设置于排泥管外壁的气压管内腔构成，各气压管顶部通过高压气管与空气压缩机连接，各气压管底部封闭，各气压管通过出口向上倾斜设置的气压喷嘴与排泥管连通。
所述的水压室是由气压管的外壁以及套设于气压管外围的水压管的内壁所形成的腔体，腔体顶部通过高压水管与水压泵连接，腔体底部设有绕排泥管中心环形阵列设置的水压喷嘴。或者，所述的水压室是由若干均匀设置于排泥管外围的水压管内腔构成，各水压管顶部通过高压水管与水压泵连接，各水压管底部设有水压喷嘴。
所述运用于板结土体结构的水刀吸泥设备底部还设有支撑用的稳定架腿。
对应不同土质，所述水压室内的水压力和气压室内的气压力选用要求为：
本实用新型具有如下有益效果：
1、本实用新型增设了水压系统和气压系统，首先是通过水压系统的水压室喷出的高速水流将板结土体结构切割成适于排出的碎块或泥浆，达到了破坏板结土体结构的目的，再通过气压系统的气压室射出的气流形成压力差将碎块或泥浆通过排泥管抽出，对粘土性质的河床地质更有针对性，还能将粘土层中夹杂的铁锰结核也可清理排出；
2、与增加普通吸泥设备或机械挖泥清淤方法相比，本实用新型所述的水刀吸泥设备投入的机械设备和人工较少，吸泥效率得到了大大提高，钢围堰的下沉速度也相应的加快，缩短了钢围堰吸泥下沉所用的时间，保证了钢围堰的施工进度，减小了水下吸泥的施工成本，同时能避免回淤现象，对整个工程的施工进度和成本管理产生了积极影响；
对于相同的工程，使用水刀吸泥设备与普通吸泥设备每日投入的人工数量虽然相同，但水刀吸泥设备可将围堰范围内河床面下降20~30cm，而普通吸泥设备仅可将河床面下降2cm，如遇无法清除的土体还需使用潜水工进行水下清理作业。通过对比发现：水刀吸泥设备是普通吸泥设备效率的20倍，相应的人工费也仅为普通吸泥设备的1/20；
使用机械挖泥时经常出现回淤现象，30天降低河床面1.5m，平均每天下降5cm，其效率仅为水刀吸泥效率的1/5。且机械挖泥清淤需投入旋挖钻机、装载机各1台，而水刀吸泥设备仅需一辆吊车，单日机械费用减小1/3。故与相比，水刀吸泥设备的施工总成本仅为机械挖泥清淤的1/15；
3、该设备是通过一次加工成型，结构简单、易于加工，只需卡控加工时的焊缝质量，其故障率较低，有效保证了施工的连续性，适于在类似的工程中大量推广应用。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为横剖视图；
图中：1-排泥管、2-高压气管、3-盖板、4-水压管、5-水压室、6-气压管、7-气压室、8-水压喷嘴、9-底板、10-气压喷嘴、11-稳定架腿、12-高压水管。
具体实施方式
结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：
一种运用于板结土体结构的水刀吸泥设备，包括排泥管1，所述排泥管1的下段外围设有水压系统和气压系统，所述水压系统底部设有高压水出口，所述气压系统设置有向上倾斜的与排泥管1内部连通的高压气出口，排泥管1上下两端为开口结构。
如图1所示，所述的气压系统包括设置于排泥管1外围的气压室7，气压室7顶部通过高压气管2与空气压缩机连接，气压室7底部封闭，所述高压气出口为沿排泥管1管壁均匀设置的气压喷嘴10。所述的气压室7是由排泥管1的外壁以及套设于排泥管1下段外围的气压管6的内壁所形成的腔体，腔体顶部通过高压气管2与空气压缩机连接，腔体底部封闭，腔体通过若干出口向上倾斜设置的气压喷嘴10与排泥管1连通。所述的气压室7也可以由若干均匀设置于排泥管1外壁的气压管6内腔构成，各气压管6顶部通过高压气管2与空气压缩机连接，各气压管6底部封闭，各气压管6通过出口向上倾斜设置的气压喷嘴10与排泥管1连通。即可以采用单个气压室，也可以采用多个并联气压室结构。
所述的水压系统包括设置于排泥管1外围的水压室5，水压室5顶部过高压水管12与水压泵连接，高压水出口为设置于水压室5底部、绕排泥管1中心环形阵列设置的若干水压喷嘴8。所述的水压室5是由气压管6的外壁以及套设于气压管6外围的水压管4的内壁所形成的腔体，腔体顶部通过高压水管12与水压泵连接，腔体底部设有绕排泥管1中心环形阵列设置的水压喷嘴8，如图1所示，各水压喷嘴8设置于腔体底部的底板9上，在底板9的底部设有支撑用的稳定架腿11，对整个设备起支撑作用。所述的水压室5也可以由若干均匀设置于排泥管1外围的水压管4内腔构成，各水压管4顶部通过高压水管12与水压泵连接，各水压管4底部设有水压喷嘴8。即可以采用单个水压室，也可以采用多个并联水压室结构。
高压气管2和高压水管12均采用Φ57mm的钢管。
由图1可知，所述的气压室7和水压室5是由从内至外直径增大的排泥管1、气压管6和水压管4三层管体结构构成，气压管6和水压管4的两端分别通过盖板3、底板9密封，排泥管1与气压管6形成的环状密封腔体为气压室7，气压管6和水压管4形成的环状密封腔体为水压室5。如图2所示，排泥管1、气压管6和水压管4分别采用Φ180mm、Φ360mm、Φ590mm的钢管，钢管壁厚均为20mm，气压管6套于排泥管1外，水压管4套于气压管6外，相邻两钢管之间的环状区域再通过盖板和底板密封形成相应的气压室和水压室，而排泥管1的两端均为敞口，用于抽排泥浆。
气压喷嘴10设置了12个，同一高度的排泥管1管壁内均匀安装3个（即沿排泥管1长度方向设置4层，每层3个气压喷嘴按间隔120°安装，且各气压喷嘴10斜向上安装，才能使气压室7内的高压气体通过斜向上的气压喷嘴10射入排泥管1，向上的气流能防止出现回淤现象，高速流动的空气在气压喷嘴10附近形成真空负压，与排泥管1底部管口（靠近泥浆端的管口）位置的水压形成压力差，通过该压力差使泥浆向上抽排出。
水压喷嘴8设置了5个，绕底板9中心环形阵列设置安装，且各水压喷嘴8均与水压室5贯通，如图2所示。水压室5内的高压水通过水压喷嘴8射出，切割破坏板结的土体结构，水压室5喷出的高压水即为“水刀”。所述的气压喷嘴10和水压喷嘴8均采用Φ5mm的高强合金材料制成。
由此可知，本实用新型所述的水刀吸泥设备是由水压系统和气压系统组成，通过在排泥管的下段固定焊接压力室，形成水压室、气压室和排泥管三层结构，水压室射出的高压水切割破坏土体结构，使土体具有流动性；气压室射出的高速气流形成真空负压，在排泥管底端的压力差作用下吸出泥浆。因此，在加工该吸泥设备时需特别注意压力室（气压室和水压室）、气压喷嘴10和水压喷嘴8的各个焊缝的质量和密闭性，以保证在压力的作用下不会发生焊缝爆裂的现象。
本实用新型的具体工作过程为：
首先将设备下落，使稳定架腿11插入至河床，保证该设备在工作过程中的稳定性。
然后启动水压泵，水压室5内的高压水通过水压喷嘴8射出，形成的高速水流切割破坏板结的土体结构，在水流的搅动作用下，该吸泥设备下方的粘土被切割成碎块或与水混合形成泥浆，使河床土体逐步转变成为具有流动性、可被排出的状态。
再启动空气压缩机，气压室7内的高压气体通过气压喷嘴10斜向上射入排泥管1，高速流动的空气在气压喷嘴10附近形成真空负压，与排泥管1底端管口位置水压形成压力差，在此压力差的作用下，排泥管1下方被水流切割成碎块的粘土或与水混合形成的泥浆通过排泥管1向上输送（图1中的箭头方向），最终排出钢围堰，保证钢围堰下沉顺利。
使用该吸泥设备时应根据河床地质的强度情况调节进水压强，保证水流具有足够的速度切割粘土层，根据进水流量及河床深度调节气压室压力及进气流量，保证泥浆能够及时排除。
由伯努利方程：，同时结合不同土质，所述水压室内的水压力和气压室内的气压力选用要求为：
例如某塑性粘土工程通过多次试验调整，最终确定水压室的压强为4MPa，进水流量为20m3/h，进气流量为22m3/min，以保证气压室的压强达到4个大气压。
Claims (9)
1.一种运用于板结土体结构的水刀吸泥设备，包括排泥管（1），其特征在于：所述排泥管（1）的下段外围设有水压系统和气压系统，所述水压系统底部设有高压水出口，所述气压系统设置有向上倾斜的与排泥管（1）内部连通的高压气出口，排泥管（1）上下两端为开口结构。
2.根据权利要求1所述的运用于板结土体结构的水刀吸泥设备，其特征在于：
所述的气压系统包括设置于排泥管（1）外围的气压室（7），气压室（7）顶部通过高压气管（2）与空气压缩机连接，气压室（7）底部封闭，所述高压气出口为沿排泥管（1）管壁均匀设置的气压喷嘴（10）。
3.根据权利要求1所述的运用于板结土体结构的水刀吸泥设备，其特征在于：所述的水压系统包括设置于排泥管（1）外围的水压室（5），水压室（5）顶部通过高压水管（12）与水压泵连接，高压水出口为设置于水压室（5）底部、绕排泥管（1）中心环形阵列设置的若干水压喷嘴（8）。
4.根据权利要求2所述的运用于板结土体结构的水刀吸泥设备，其特征在于：所述的气压室（7）是由排泥管（1）的外壁以及套设于排泥管（1）下段外围的气压管（6）的内壁所形成的腔体，腔体顶部通过高压气管（2）与空气压缩机连接，腔体底部封闭，腔体通过若干出口向上倾斜设置的气压喷嘴（10）与排泥管（1）连通。
5.根据权利要求3所述的运用于板结土体结构的水刀吸泥设备，其特征在于：所述的水压室（5）是由气压管（6）的外壁以及套设于气压管（6）外围的水压管（4）的内壁所形成的腔体，腔体顶部通过高压水管（12）与水压泵连接，腔体底部设有绕排泥管（1）中心环形阵列设置的水压喷嘴（8）。
6.根据权利要求2所述的运用于板结土体结构的水刀吸泥设备，其特征在于：所述的气压室（7）是由若干均匀设置于排泥管（1）外壁的气压管（6）内腔构成，各气压管（6）顶部通过高压气管（2）与空气压缩机连接，各气压管（6）底部封闭，各气压管（6）通过出口向上倾斜设置的气压喷嘴（10）与排泥管（1）连通。
7.根据权利要求3所述的运用于板结土体结构的水刀吸泥设备，其特征在于：所述的水压室（5）是由若干均匀设置于排泥管（1）外围的水压管（4）内腔构成，各水压管（4）顶部通过高压水管（12）与水压泵连接，各水压管（4）底部设有水压喷嘴（8）。
8.根据权利要求1所述的运用于板结土体结构的水刀吸泥设备，其特征在于：其底部还设有支撑用的稳定架腿（11）。
9.根据权利要求2至7任意一项所述的运用于板结土体结构的水刀吸泥设备，其特征在于，对应不同土质，所述水压室（5）内的水压力和气压室（7）内的气压力选用要求为：
。
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| CN112281967A (zh) * | 2020-10-20 | 2021-01-29 | 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 | 一种基于rov的百米级深水环境的清淤装置及方法 |
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