EP2484838A1 - Excavator method - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung sandiger/schluffiger Ablagerungen auf Bodenflächen von Gewässern mittels hydropneumatischer Maßnahmen.The invention relates to a method and an apparatus for removing sandy / silty deposits on ground surfaces of waters by means of hydropneumatic measures.
In vielen Gewässern, insbesondere befahrenen Strömen, sollen wegen der Befahrbarkeit durch moderne Containerschiffe die Fahrrinnen auf über 14 m NN vertieft werden. Im Zusammenhang damit sind aufwendige und teure Baggerarbeiten auch in den anliegenden Häfen notwendig, um einen tideunabhängigen Schiffsverkehr zu ermöglichen.In many waters, in particular on busy streams, the navigation channels are to be recessed to more than 14 m asl due to the navigability of modern container ships. In connection with this, costly and expensive dredging work is also necessary in the adjacent ports in order to enable tide-independent shipping traffic.
Seit langem bevorzugt man für Vertiefungs- und Unterhaltungsbaggerungen zwei hydropneumatische Verfahren, die relativ unaufwändig und dabei umweltschonend sind, nämlich einerseits Wasser-Injektionsverfahren und andererseits Saugbagger-Verfahren.It has long been preferred for deepening and maintenance dredging two hydropneumatic processes, which are relatively inexpensive and environmentally friendly, namely on the one hand water injection method and on the other hand suction dredger method.
Bei den Wasser-Injektionsverfahren wird in die zu entfernende Oberflächenschicht des Gewässerbodens Wasser unter Druck eingespritzt, um die Viskosität dieser Schicht zu verringern, ohne sie durch Aufwirbelung zu zerstören. Die so behandelte Schicht (auch als Dichteschicht bezeichnet) kann über einen geeigneten NiveauUnterschied am Gewässerboden abfließen. Eine ausführliche Darstellung von Wasserinjektionsverfahren gibt zum Beispiel
Saugbagger-Verfahren eignen sich für alle Arten von Ablagerungen und sind vielfältig vorbeschrieben. Beliebt sind heute solche Verfahren, bei denen das angesaugte Gemisch fester und flüssiger Bestandteile teilweise getrennt wird, so dass ein Teil des angesaugten Wassers in das Gewässer zurückgeführt werden kann (Suction Hopper Dredging).Suction dredger methods are suitable for all types of deposits and are variously described above. Popular today are those methods in which the sucked mixture of solid and liquid components is partially separated, so that a portion of the sucked water can be returned to the water (Suction Hopper Dredging).
Baggerungen mit dem Wasserinjektionsgerät (WI-Verfahren) und dem Hopperbagger kommen insbesondere bei sandigen/gering schluffigen Sedimenten, mit einer linearen Kornverteilung (insbesondere des Sandanteils), an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit. Unter "sandig/schluffig" wird im Kontext dieser Beschreibung das Vorhandensein von Sand zusammen mit Tonpartikeln verstanden.Dredging with the water injection device (WI method) and the hopper dredger reach the limits of their performance especially in sandy / low silty sediments, with a linear grain distribution (especially of the sand fraction). By "sandy / silty" in the context of this description is meant the presence of sand together with clay particles.
Im Prinzip erfolgt bei beiden ("hydropneumatischen") Verfahren eine Umlagerung der Sedimente aus einer teilstabilen Lage durch Wasserdruck bzw. durch Wassersog. Beim Wasserinjektionsverfahren wird das Sediment mittels Wasserdruck von 1,5 bis 3 bar über Düsen vom Grund gelöst und durch natürlich vorherrschende Gefälle bzw. Strömungen umgelagert.
Beim Hopperbagger werden die Sedimente mit dem umgebenden Wasser mittels Pumpensog vom Grund in den Schiffsraum gefördert. Dort wird das Transportwasser durch Sedimentation im Schiffskörper von den Sedimenten zum Großteil getrennt und in das Gewässer zurückgeleitet. Die verbleibenden Sedimente werden mit dem Baggerschiff transportiert und entweder an einer Stelle im Gewässer verklappt oder in Spülfeldern an Land umgelagert.In principle, in both ("hydropneumatic") method, a rearrangement of the sediments from a partially stable position by water pressure or by water suction. In the water injection process, the sediment is released by means of water pressure of 1.5 to 3 bar via nozzles from the bottom and rearranged by naturally prevailing gradient or currents.
With the hopper dredger, the sediments with the surrounding water are pumped from the bottom into the ship's hold by pump suction. There, the transport water is largely separated from the sediments by sedimentation in the hull and returned to the water. The remaining sediments are transported by the dredger and either dumped at one point in the water or transferred to land on rinse fields.
Während bei schlickartigen (wenig sandhaltigen) Sedimenten die Umlagerung im Hinblick auf die Zeiten des Einsatzes nahezu problemlos erfolgen, ist jedoch bei speziellen schluffigen Sanden der Zeitaufwand im Hinblick auf den Effekt groß und somit sind die Kosten unangemessen hoch.While in silty (poorly sanded) sediments the rearrangement is almost effortless in terms of times of use, however, the time spent on special silty sands is large in terms of the effect and thus the cost is unduly high.
Solche Sedimente mit im Wesentlichen linearer Kornverteilung schluffiger Feinsande kommen schon wegen der natürlich verlaufenden Längsklassierung häufig in Gewässern vor. Sie sind mit den bekannten, oben erwähnten hydropneumatisch wirkenden Verfahren nur schwer zu mobilisieren.Such sediments with essentially linear grain distribution of silty fine sands often occur in waters because of the naturally occurring longitudinal classification. They are difficult to mobilize with the known hydropneumatic process mentioned above.
So wurde beispielsweise bei Baggerungen im Hafen Cuxhaven festgestellt, dass in den angesprochenen Bereichen mit dem WI-Verfahren eine Sedimentstärke von 10 cm erst nach 17-fachem sehr langsamen Befahren umgelagert werden konnte. Durch den hohen Zeitaufwand entstehen hohe Kosten. Diese können zwischen 700,00 €/h und 1.200,00 €/h erreichen.
Durch die längeren Bearbeitungsdauern werden mehr Schwebstoffe aus den Dichteströmen der transportierten Sedimente erzeugt, was aus ökologischen Gründen vermieden werden sollte.
Darüber hinaus wird der Schiffsverkehr mehr als notwendig durch die Baggerarbeiten behindert, was statistisch zu einer größeren Unfallgefahr führt.For example, in the case of dredging in the port of Cuxhaven, it was found that a sediment thickness of 10 cm could only be relocated in the areas mentioned with the WI method after 17 times very slow driving. Due to the high time required high costs. These can reach between 700.00 € / h and 1.200,00 € / h.
Due to the longer processing times more suspended matter is generated from the density streams of the transported sediments, which should be avoided for ecological reasons.
In addition, the shipping traffic is hampered more than necessary by the dredging, which statistically leads to a greater risk of accidents.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels derer schwer auszuräumende Sedimente ohne die Nachteile der bekannten Verfahren schneller, sicherer und ökologisch besser entfernt werden können.Against this background, it is an object of the invention to provide a method and an apparatus by means of which difficult-to-evacuate sediments can be removed faster, safer and more ecologically without the disadvantages of the known methods.
Die Lösung dieser und anderer Aufgaben erfolgt durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem beigefügten unabhängigen Verfahrenspatentanspruch, und die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß dem beigefügten unabhängigen Vorrichtungspatentanspruch.The solution of these and other objects is achieved by the inventive method according to the appended independent patent claims, and the inventive device according to the appended independent device patent claim.
Die Unteransprüche definieren vorteilhafte und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.The subclaims define advantageous and preferred embodiments of the invention.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur besseren Mobilisierung von feinkörnigen, sandigen und/oder schluffigen Sedimenten in Gewässern bei der Umlagerung definiert, das sich die thixotropen Eigenschaften solcher Sedimente zu Nutze macht.According to the invention, a method is defined for better mobilization of fine-grained, sandy and / or silty sediments in bodies of water during the rearrangement, which makes use of the thixotropic properties of such sediments.
In der Bodenkunde bezeichnet Thixotropie einen Zustand in feinkörnigen, meist sandig/tonigen Sedimenten, bei dem durch mechanische Beanspruchung reversible Viskositätsunterschiede auftreten. Typisch ist ein Wechsel von fest nach flüssig durch Erschütterung mit anschließender Rückkehr in den festen Zustand. Ausschlaggebend für diese Eigenschaften sind Korngrößenzusammensetzung und Art der der Sediment bildende Stoffe. Meist sind es plättchenförmige Tonminerale, die sich - in mikroskopischem Maßstab - zunächst in allen Raumrichtungen gegeneinander abstützen. Bei Erschütterungen bricht die Struktur wie ein Kartenhaus in sich zusammen, die Mineralplättchen parallelisieren sich und beginnen mangels interner Haftkräfte unter Einwirkung der Schwerkraft aneinander vorbeizugleiten. Thixotropie ist auch bei wässrigen Feinsanden (Treibsand) beobachtet worden.In soil science, thixotropy refers to a state in fine-grained, mostly sandy / clayey sediments in which reversible viscosity differences occur due to mechanical stress. Typical is a change from solid to liquid by vibration with subsequent return to the solid state. Crucial for these properties are grain size composition and type of sediment forming substances. Mostly it is platelet-shaped clay minerals, which - against a microscopic scale - are initially supported against each other in all spatial directions. When shocked, the structure collapses like a house of cards, the mineral platelets are paralleled and begin to slip past each other under the influence of gravity due to the lack of internal adhesive forces. Thixotropy has also been observed with aqueous fine sands (quicksand).
Einen wesentlichen Einfluss auf die Herabsetzung der Viskosität insbesondere bei tonhaltigen Sanden hat, wie sich im vergleichenden Laborversuch gezeigt hat, die linear verlaufende Kornverteilung der Feinsande. Die Reibung innerhalb der Kornpakete wird durch induziertes Wasser herabgesetzt.
Im Wesentlichen besteht eine Abhängigkeit von der Reynoldzahl, die sich über den Quotienten der Beschleunigungsarbeit und Reibungsarbeit in Flüssigkeiten definiert:
Essentially, there is a dependency on the Reynolds number, which is defined by the quotient of acceleration work and friction work in liquids:
Die Reynoldzahl informiert über den Strömungszustand. Physikalisch wesentlich ist die Grenzschichtbetrachtung der Fest- Flüssigphase. Innerhalb längs angeströmter Wände (Partikelwände) wirken in einer sehr dünnen Schicht, der Grenzschicht oder Reibungsschicht, starke Reibungskräfte.
Die Grenzschichtdicke ist wesentlich für die Reibungskräfte, die beim Transport der Sedimente aufgewendet werden müssen. Durch die Art der mechanischen Beeinflussung des thixotropischen Zustandes der Sedimente wird die KR erfindungsgemäß zeitweise wesentlich verkleinert.The boundary layer thickness is essential for the frictional forces that must be expended when transporting the sediments. Due to the nature of the mechanical influence on the thixotropic state of the sediments, according to the invention, the K R is at times substantially reduced in size.
Die Schichtdicke berechnet sich wie folgt:
Da die an den Grenzschichten der Sedimentpartikel auftretenden Druckabfälle die Reibung mindern, wird das zeitlich begrenzte thixotrope Fließverhalten begünstigt. Dadurch nimmt der notwendige Druck für die zu mobilisierenden Sedimente ab.
Im Prinzip wird, vor der hydropneumatischen Einwirkung durch die vorgenannten Baggerverfahren auf das Sediment, die kinematische und dynamische Viskosität des teilstabilen Sediments durch gezielte mechanische Krafteinwirkungen auf das thixotrope Medium kurzfristig wesentlich herabgesetzt.
Die mechanische Krafteinwirkung erfolgt bevorzugt durch Scherbeanspruchung und Rütteln auf der Sedimentoberfläche. Zur Optimierung des Energieeinsatzes wird bei den umzulagernden Sedimenten eine Resonanz angestrebt. Die optimalen Parameter können leicht durch Vorversuche ermittelt werden.
Beim Rütteln wirkt das Porenwasser im Sediment bei der Kraftübertragung in die Tiefe der Sedimentschicht mit.
Die häufig auftretende stabilisierende Riffelbildung der Sedimentoberfläche wird aufgelöst und das Trägheitsmoment des Liegenden minimiert.In principle, the kinematic and dynamic viscosity of the semi-stable sediment is significantly reduced in the short term by targeted mechanical forces acting on the thixotropic medium before the hydropneumatic action by the aforementioned dredging method on the sediment.
The mechanical force is preferably applied by shearing and shaking on the sediment surface. In order to optimize the use of energy, a resonance is sought in the relocated sediments. The optimal parameters can be easily determined by preliminary tests.
When shaking the pore water in the sediment during the transmission of power into the depth of the sediment layer with.
The frequently occurring stabilizing corrugation of the sediment surface is dissolved and the moment of inertia of the recumbent is minimized.
Der hydrostatische Druck des aufliegenden Wasserkörpers, Strömungen und Beeinflussung der physikalischen Grenzschichten wirken bei der Herabsetzung derThe hydrostatic pressure of the overlying water body, currents and influence of the physical boundary layers act in the reduction of the
Stabilität und des Beharrungsvermögens der umzulagernden Sedimente mindernd auf den Energieeintrag.Stability and persistence of the sediments to be relocated reduce the energy input.
Zusammengefasst wird durch Erschütterungen und Scherungen bei thixotropen Sedimenten deren Viskosität zeitweise und partiell herabgesetzt, wodurch die Entfernung dieser, durch herkömmliche Baggerverfahren schwer abtragbare Ablagerungen, schneller und energiesparender durchgeführt werden kann.In summary, shaking and shearing of thixotropic sediments temporarily and partially reduces their viscosity, thereby making it faster and more energy efficient to remove these deposits, which are difficult to remove by conventional excavator techniques.
Während es denkbar ist, eine Vorrichtung zur Anwendung der Erfindung als separates Gerät auszubilden, wird die technische Einrichtung zur Herabsetzung der Viskosität bevorzugt an Wasserinjektions-Baggern, Hopperbaggern und Schleppern installiert. Sie besteht aus einer beispielsweise balkenartigen absenkbaren Einrichtung, die bis zu 12 m lang ist und quer zur Fahrtrichtung der Schiffe auf dem Sedimentgrund aufliegend mitgeführt wird. Über diese Einrichtung wird die mechanische Energie über Rüttler, Scherköpfe, Vibratoren und Exzenter an das thixotrope Sediment übertragen. Der jeweilige Einsatz der vorgenannten verschiedenen Geräte richtet sich nach der zu bearbeitenden Sedimentqualität und wird nach dem besten Wirkungsgrad gewählt.While it is conceivable to form a device for the application of the invention as a separate device, the technical device for reducing the viscosity is preferably installed on water injection dredgers, hopper dredgers and tractors. It consists of, for example, a beam-like lowerable device, which is up to 12 m long and is carried across the direction of travel of the ships on the sediment base lying. Through this device, the mechanical energy is transmitted via vibrators, shaving heads, vibrators and eccentrics to the thixotropic sediment. The respective use of the aforementioned various devices depends on the sediment quality to be processed and is selected according to the best efficiency.
Die Vorrichtung liegt z. B. bei dem Wasserinjektionsverfahren in Bearbeitungsrichtung vor, und etwa parallel zu, dem Wasser-Injektionsbalken und verringert die Viskosität. Über die nachfolgenden Injektions-Düsen wird durch Hydrodynamik das Sediment in einen Dichtestrom überführt, welcher mit der Strömung bzw. dem Gefälle umgelagert wird.
Ein Vorteil dieses Kombinations-Verfahrens ist, dass vergleichsweise zum bekannten WI- und Hopper-Verfahren wesentlich mehr thixotropes Sediment pro Zeiteinheit mobilisiert werden kann.The device is z. B. in the water injection process in the machine direction, and approximately parallel to the water injection bar and reduces the viscosity. Hydrodynamics is used to transfer the sediment into a density stream via the following injection nozzles, which is then transferred to the flow or slope.
An advantage of this combination method is that, compared to the known WI and Hopper method, considerably more thixotropic sediment per unit time can be mobilized.
Um der gesetzlichen Forderung der Wasserrahmenrichtlinie zu folgen (EU Ebene; WRRL: Erhaltung der Gewässer trotz Nutzung in einem guten Zustand; Regelungen der Ersatzmaßnahmen) werden vorzugsweise an der Anlage am Grund Vorrichtungen zum Verscheuchen der Makroorganismen angebracht.To comply with the legal requirement of the Water Framework Directive (EU level; WFD: Conservation of waters despite their use in good condition; the replacement measures) devices are preferably attached to the plant at the bottom to scare away the macroorganisms.
Stoßzahl: Begriff aus der physikalischen Chemie; eine mathematische Formel, nach der die Häufigkeit des Zusammentreffens zweier oder mehrerer chemischen Reaktionspartner berechnet werden kann. Impact number: term from physical chemistry; a mathematical formula by which the frequency of two or more chemical reactants can be calculated.
Mathematische Formelzeichen:
- p = Druck [N/m2]
- V = Volumen [m3]
- n = Anzahl [1]
- R = molare Gaskonstante [8,314426..J/mol ° K]
- T = Temperatur in ° Kelvin
- Re = Reynoldszahl [1]
- δ = Dichte [kg/m3]
- υ= kinematische Viskosität [m3/s]
- η = dynamische Viskosität [Ns/m2]
- v = Geschwindigkeit [m/s]
- X, L = maßgebliche Längen [m]
- λ= Strömungszustand [1]
- d = Durchmesser [m]
- p = pressure [N / m 2 ]
- V = volume [m 3 ]
- n = number [1]
- R = molar gas constant [8.314426..J / mol ° K]
- T = temperature in ° Kelvin
- Re = Reynolds number [1]
- δ = density [kg / m 3 ]
- υ = kinematic viscosity [m 3 / s]
- η = dynamic viscosity [Ns / m 2 ]
- v = speed [m / s]
- X, L = relevant lengths [m]
- λ = flow state [1]
- d = diameter [m]
Claims (14)
dadurch gekennzeichnet, dass man die zu entfernende sandig/schluffige Ablagerung, vor der Anwendung des hydropneumatischen Entfernungsverfahrens, einer Krafteinwirkung aussetzt, die die Viskosität der Ablagerung verringert.Method for removing sandy and / or silty deposits on ground surfaces of water bodies by means of hydro-pneumatic processes, in particular water injection, suction dredging or the like,
characterized in that subjecting the sandy / silty deposit to be removed, prior to application of the hydropneumatic removal process, to a force which reduces the viscosity of the deposit.
Priority Applications (3)
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