NO313596B1 - Fremgangsmåte ved hydraulisk mudring av masse fra sjöbunn - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte ved hydraulisk mudring av masse fra sjøbunn, bunn av vannmagasin e.l.

Bakgrunn

I en rekke situasjoner er det ønskelig å fjerne masser fra områder av en sjøbunn. Det kan være havner, seilingsleder eller områder med forurenset masse. Det kan være ønskelig å deponere . massene andre steder under vann eller det kan være mer hensiktsmessig å legge massene i deponi på land, eventuelt å rense massene før de deponeres.

Det finnes videre vannmagasiner, i første rekke i land hvor elvene fører med seg store mengder sedimenter, og hvor magasinene etter hvert blir fylt opp av sedimenter i en slik grad at vannkapasiteten blir uønsket liten. Videre kan sedimentene påvirke dammers stabilitet, blokkere luker eller lignende samt føre til nødig slitasje på turbiner dersom de følger med vannet inn i et kraftverk. Sedimentene kan være alt fra store steiner etc. til meget finkornet materiale som silt og leire.

Det er kjent at en pumpe ikke kan generere et undertrykk eller sug større enn en atmosfære dersom denne er plassert over eller ved overflaten. Det er derfor begrenset hvor effektivt det er mulig å suge sedimenter opp fra sjøbunnen, og hvilke dybder det er mulig å suge slike masser opp fra, med en pumpe plassert ved eller over vannflaten.

Det er mulig å plassere pumper på sjøbunnen som trykker massene opp, men man får da et kostbart arrangement i forbindelse med utplassering og manøvrering av utstyret.

Det er kjent ved mudring eller fjerning av masser på sjøbunnen at denne massen kan pumpes/ transporteres til et høyereliggende nivå, men like fullt til et nivå som ligger lavere enn havflaten/ vannflaten. På denne måten oppnår man den fordel at trykkdifferensen i vannsøyle mellom den naturlige vannflaten og det nivå man pumper til kan utnyttes som en del av den drivende kraft ved pumpingen.

US patent nr. 3,693,272 beskriver et system (apparat) som i prinsippet gjør det mulig å mudre på

(fra) store dyp. Patenter har imidlertid den svakheten at det beskriver et hovedsakelig lukket system, som vil være svært sårbart for store steiner og andre fremmedlegemer, og som er lite adkomstvennlig i forbindelse med alminnelig ettersyn og vedlikehold. Det er derfor ikke spesielt velegnet for det formål som foreliggende oppfinnelse gjelder, og hvor det må regnes med en betydelig variasjon i partikkelstørrelse med et vesentlig innslag av steiner med betydelig diameter.

US patent nr. 3,815,267 beskriver likeledes et lukket system for å suge opp fast materiale fra sjø-eller havbunn, og har generelt sett samme ulemper eller begrensninger som ovennevnte patent, hvis det forutsettes brukt på masser hvor det er betydelig variasjon i partikkelstørrelse.

GB patent nr. 1 468 199 beskriver et mudringsfartøy innrettet til å kunne suge opp sedimenter på havbunnen. Et inntaksrør kan ved hjelp av trykkforskjellen mellom den naturlige vannflaten og et nivå til et reservoar inne i et fartøy, suge opp sedimenter fra havbunnen til reservoaret. Massene blir der separert fra vannet slik at vannet kan pumpes videre til overflaten mens massene kan fraksjoneres og likeledes transporteres til overflaten.

Svensk patent nr. 429 662 beskriver en mudringsfarkost hvor slam fra bunnen via en pumpe og en trykkledning suges oppi en beholder på en arbeidsenhet, der slammet pumpes videre i en ledning til en resipient. Beholderen kan heves og senkes i vertikalretningen mellom to pongtonger, og den har en nivåmåler som avleser nivået av oppumpet slam hvor denne styres av en regulator.

Formål

Det er et formål ved foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte for å mudre/ pumpe en masse bestående av såvel fine partikler som av steiner med betydelig størrelse fra sjøbunnen til et nivå under det naturlige vannspeilet, for derfra å kunne videretransportere massene ved hjelp av konvensjonell teknologi.

Det er videre et formål å kunne mudre forurenset masse med så høy konsentrasjon av sedimenter som mulig (så lite vann som mulig), slik at den etterfølgende behandling og deponering av massene kan utføres til en lavest mulig kostnad.

Det er videre et formål at oppfinnelsen skal være fleksibel, slik at i de tilfeller hvor massene for eksempel skal deponeres på et særskilt sted (deponi) kan massene enkelt overføres til deponiet, eller massene kan pumpes til for eksempel en lekter som forestår den videre transporten.

Det er videre et formål at oppfinnelsen skal kunne benyttes til å flytte sedimenter fra et vannmagasin til et sted som ligger lavere enn vannspeilet i magasinet og at dette kan gjøres gjennom en rørledning eller tunnel til dette stedet, på en slik måte at behovet for tilført pumpeeffekt blir minst mulig. Det er også et formål å kunne transportere en høyest mulig sedimentkonsentrasjon samtidig som en unngår at rørledningen eller tunnelen blokkeres av sedimenter.

Det er videre et formål å kunne gjøre dette i et åpent system hvor det er lett adkomst for vedlikehold og reparasjoner, og hvor graden av driftssikkerhet er så høy som mulig.

Det er videre et formål å være i stand til å gjøre dette på en måte som i stor grad er selvregulerende med hensyn til massetransporten av løse og faste sedimenter, samt med midler som er robuste i den forstand at de ikke lett lar seg tette av vanlige ras som forårsakes av slik mudring.

Det er videre et formål å kunne gjøre dette med en fremgangsmåte som gjør det mulig å arbeide kontinuerlig uavhengig av variasjon i partikkelstørrelse av massen som mudres.

Det er enn videre et formål å kunne gjøre dette med mest mulig konvensjonelt utstyr, og til en rimelig kostnad.

Oppfinnelse

De ovenfor nevnte formål er oppnådd gjennom fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, som er kjennetegnet ved de trekk som fremgår av patentkrav 1.

Foretrukne utførelsesformer av fremgangsmåten fremgår av de uselvstendige krav.

I det følgende er oppfinnelsen beskrevet nærmere under henvisning til de vedlagte tegninger.

Figur 1 viser skjematisk en utførelsesform av oppfinnelsen,

Figur 2 og 3 viser ulike varianter av detaljer ved oppfinnelsen,

Figur 4 viser skjematisk en utførelsesform av oppfinnelsen for en spesiell applikasjon,

Figur 5 viser en ekstra funksjonalitet i tilknytning til den på fig. 2 viste utførelsesform av oppfinnelsen. Figur 1 viser skjematisk utstyr egnet for å gjennomføre oppfinnelsen i forbindelse med mudring av et område på en sjøbunn 1 eller bunnen i et vannmagasin. En slange eller rørledning 2 er anordnet for å bringe masse fra sjøbunnen 1 til en beholder 3 anordnet slik at nivået 4 av masse og vann inne i beholderen er lavere enn det naturlige vannflaten 5 utenfor beholderen. Beholderen 3 er

fortrinnsvis åpen mot omgivelsene ovenfor og under enhver omstendighet slik anordnet at adkomst er enkel for vedlikehold og reparasjoner. I tilknytning til beholderen 3 er det anordnet utstyr for å bringe massen videre i en eller flere fraksjoner etter partikkelstørrelse.

Det er vesentlig at en fra bunnen kan suge inn steiner og andre større partikler uten å få blokkeringer, fordi rørledningen 2 som det suges gjennom er glatt og uten hindringer eller tverrsnittsreduksjoner.

Beholderen 3 kan for eksempel kan være anordnet til eller være en del av en lekter, eller det kan være en tank som er tilknyttet for eksempel et skaft på en oljeplattform. Det er foretrukket at det vertikale nivået på beholderen kan reguleres etter behov.

På figur 1 er det vist en rist 6 anordnet på et nivå mellom rørutløpet 7 og nivået 4 av masse og vann i beholderen. På denne måten vil steiner og partikler med minste diameter større enn gitteråpningene i risten, bli holdt tilbake oppe på risten, mens resten av materialet passerer gjennom. Materialet bestående av store partikler er også betegnet gravmaterialet 8, mens materialet bestående av mindre partikler er betegnet finmaterialet 9. Derved kan materialet som omfatter de finere partikler fjernes for seg ved hjelp av utstyr som ikke trenger være dimensjonert for å ta store steiner eller andre store partikler. Dette kan for eksempel omfatte en konvensjonell pumpe eller lignende. På figur 1 er det vist en slik pumpe 10 med tilknyttet rørledning 11 som bringer finmaterialet 9, sammen med en regulert mengde vann, til en særskilt tank 13 som for eksempel kan befinne seg ombord på en lekter. I tanken 13 (fig. 1) er finmaterialet vist med henvisningstall 12. Finmaterialet 9 kan også pumpes tilbake til annet sted under vann eller til deponi på land, eventuelt til en mellomstasjon for rensing før det igjen bringes videre. Den videre behandling av finmaterialet og/ eller gravmaterialet er imidlertid ikke gjenstand for denne oppfinnelse.

Videre viser figur 1 en grave- eller løfteanordning 14 som tar hånd om gravmaterialet 8 som er holdt tilbake på risten 6. Dette kan på tilsvarende måte som finmaterialet enten slippes kontrollert tilbake til et hensiktsmessig sted under vann, eller plasseres i egen beholder (ikke vist) for eksempel på lekter eller i deponi på land.

Ved nedre ende av rørledningen 2 er det på figur 1 vist et spesielt sugehode 15 (også betegnet

saksofonsugehode) som har et antall spalter eller åpninger 16 ved sin nedre ende, og en åpning 17 i vertikal avstand fra åpningene 16, anordnet ved saksofonsugehodets frie ende. Mens åpningene 16 til enhver tid vil suge sedimenter samt en varierende mengde vann, vil åpningen 17 alltid suge bare vann. Jo lavere konsentrasjonen av sedimenter blir i rørledningen 2, jo større vil hastigheten og

derved sugeevnen være. Motsatt får man ved svært høy konsentrasjon av sedimenter lavere hastighet og lavere sugeevne, hvilket fører til at det straks suges opp mindre sedimenter gjennom åpningene 16 og forholdsvis mer vann gjennom åpningen 17. Uttrykt på en annen måte oppnås

med et slikt sugehode at sugekraften bestemmes av hastigheten som vanner strømmer med i rørledningen. På denne måte virker sugehodet 15 selvregulerende, og vil ikke lett gå tett.

En viktig bruksfordel med sugehodet vist på figur 1, er at det i stor grad kan overlates til seg selv på bunnen i kortere eller lengre perioder, og ikke trenger styres fortløpende. For å beholde sugehodet i opprett posisjon, kan oppdriftslegemer (ikke vist) anordnes i tilknytning til selve sugehodet og/ eller deler av rørledningen 2. Ved mudring vil sugehodet gradvis synke ned i et selvskapt krater på bunnen etterhvert som mudringen pågår, idet konsentrasjonen av sedimenter som nevnt er selvregulerende og faren for blokkering av rør eller sugehode er så godt som eliminert.

Det skal understrekes at dimensjonene på figuren er fortegnet, idet lengden på rørledningen 2 kan være flere hundre meter lang, mens sugehodet 15 typisk er noen få meter høyt.

På figur 2 er det vist en annen utførelsesform av beholderen 3. I denne er det ingen rist som holder tilbake de største partiklene, men i stedet en særskilt rørledning 18 anordnet for å pumpe vekk slikt materiale. Denne pumpingen kan som antydet skje ved hjelp av en ejektorpumpe 19 tilknyttet rørledningen 18. En fordel ved denne måten å fjerne gravmaterialet på, er at det i større grad kan drives kontinuerlig og automatisk, mens ulempen er at det skiller dårligere mellom grovt og fint materiale, slik at noe fint materiale alltid vil følge med det grove materialet. Det fine materialet fjernes ifølge figur 2 med en konvensjonell pumpe 10.

Figur 3 viser nok en alternativ utførelse av beholderen 3, hvor det fra bunnen av beholderen er anordnet et tilnærmet vertikalt rør 20 med en luke 21. Normalt vil luken 21 være stengt, og i fravær av rist i beholderen, vil normalt store steiner samle seg nærmest luken, mens mer finkornet materiale i større grad vil være dispergert i vannet over. Ved behov eller i faste intervaller åpnes luken midlertidig, slik at steinene slippes tilbake til bunnen under beholderen. Ved åpning av luken blir det imidlertid åpen kommunikasjon for vannet inne i og utenfor beholderen 3. Derfor vil vann samtidig strømme opp røret for å utligne forskjellen i vannivå utenfor og inne i beholderen.

Det er derfor ønskelig å holde åpen luke så kort tid som mulig, og i etterkant vil det normalt være nødvendig med en utpumping av vann fra beholderen for å komme tilbake til ønsket nivåforskjell.

Figur 4 viser en variant av oppfinnelsen anordnet i tilknytning til en dam 22. Mange av detaljene tilsvarer figur 1, inkludert anvendelse av rist 6 i beholderen 3 for å holde tilbake de største partikler/ steiner (grovmaterialet) 8. Fra beholderen 3 er det her ført et rør 23 for transport av finmaterialet 9 sammen med en hensiktsmessig mengde vann til et sted nedstrøms dammen 22, hvilket sted ligger på et lavere nivå enn nivået 4 inne i beholderen 3. Inne i beholderen 3 går røret 23 over i et spalterør 24, forsynt med åpninger eller spalter som tillater partikler å rives/ suges inn i røret sammen med en kontrollert mengde vann. Dette spalterøret er teknologi kjent fra "Gemini" nr. 3 desember 1994, samt fra "Hydropower and Dams" mars 1995. En vil dermed kunne oppnå å suge inn den maksimale sedimentkonsentrasjonen som rørledningen 23er i stand til å transportere, uten å risikere at rørledningen 23 går tett. Overskytende vann kan pumpes tilbake i vannmagasinet/ sjøen, eller man kan slippe inn ekstra vann ved behov.

Det skal understrekes at bruk av en rørledning 23 for å transportere finmateriale til et

lavereliggende sted, så som utenfor en dam, ikke forutsetter bruk av et slikt spalterør som beskrevet ovenfor. Videre kan det være hensiktsmessig, hvis røret 23 er langt, å forsyne røret med en i og for seg konvensjonell pumpe, for å opprettholde en hensiktsmessig transportkapasitet i røret under alle forhold.

Ved uønsket mye vann i beholderen 3, kan det pumpes av lite forurenset vann fra denne del av beholderen ved hjelp av en pumpe (ikke vist). Blir vannivået i stedet for lavt til å få til ønsket blandingsforhold i røret 23, kan mer vann slippes inn i beholderen 3. Dette trekket gjelder generelt, ikke bare i tilknytning til damanlegg.

Figur 5 viser i prinsipp samme utførelsesform av oppfinnelsen som figur 2, men med den ekstra funksjonalitet at det er tilknyttet en ejektorpumpe 28 til rørledningen 2 ovenfor sugehodet (ikke vist), for å bedre sugeevnen. For å forurense minst mulig vann, er det hensiktsmessig at ejektorpumpen 28 forsynes med vann fra beholderen 3 gjennom en tilførselsledning 29. Det kan eventuelt være hensiktsmessig å filtrere dette vannet idet det går inn i ledningen 29. En slik ejektorpumpe 28 kan også benyttes i tilknytning til en hvilken som helst utførelsesform av oppfinnelsen, ikke bare den vist på figur 5. Hensiktsmessige ejektorpumper for formålet er beskrevet i PCT patentsøknad nr. PCT/NO00/00359 samt i norsk patentsøknad nr. 2001 4843.

Ved foreliggende oppfinnelse oppnås en enkel manøvrering og posisjonering av sugemunnstykket, og det kan plasseres nøyaktig der man ønsker. Det kan mudres på relativt store dyp, og faren for tilstopping av sugeslange med driftsstans som følge, er svært liten. Det kan videre mudres grovere stein enn med konvensjonelt utstyr av samme størrelse. Alt utstyr som er knyttet til det andre nivå, det vil si til beholderen 3, har lett adkomst for vedlikehold, reparasjon etc.

Bruksmessig er det et skille mellom mudring i havnebassenger, hvor dybden typisk er av størrelsesorden inntil ca. 30 meter, og mudring offshore hvor dybden typisk vil være minst 50 meter og gjerne 200- 300 meter. Oppfinnelsen er egnet til å håndtere hele dette spekteret av dybder, men det er selvsagt nødvendig med en tilpasning bl.a. av høydeforskjellen mellom det naturlige vannspeil og det omtalte andre nivå, i avhengighet av hvilken dybde mudringen skjer på.

Tverrsnittet av sugeslangen vil også i stor kunne tilpasses det aktuelle behov, men vil som regel ikke overstige ca. 50 cm og i den andre enden av skalaen sjelden være mindre enn 10 cm.

Beregningseksempler

I den etterfølgende tabell er vist fire beregningseksempler. Det presiseres at disse eksemplene er beregnet teoretisk, og at virkelige kapasiteter vil avhenge mye av massenes beskaffenhet og hvor effektivt en klarer å suge disse inn i sugeslangen. Hvor det brukes ejektor er det forutsatt at denne drives av delvis forurenset vann som allerede er pumpet opp.

De to første beregningseksemplene er gyldige for en typisk situasjon hvor det mudres i en havn. En ser at forbruket av vann vil reduseres betraktelig dersom en bruker ejektor, samtidig som diameteren på sugeslangen blir mindre, og dermed lettere å håndtere.

De to siste eksemplene er gyldige for en typisk situasjon offshore, hvor dybden er vesentlig større enn i en havn. Også her vil en ejektor gjøre det mulig å mudre masser med vesentlig større konsentrasjon av fast stoff dersom en nytter en ejektor som er drevet av allerede forurenset vann.

Andre fordeler ved å nytte ejektor vil være å kunne mudre på større dyp, å øke den totale kapasiteten eller å kunne redusere dybden ned til det andre nivå 4.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte ved hydraulisk mudring av masse fra sjøbunn, (1) bunn av vannmagasin e.l., hvilken masse omfatter partikler som kan variere i størrelse fra steiner av betydelig størrelse til finpartikulært materiale, idet massen i et første arbeidstrinn pumpes/ suges gjennom en slange eller rørledning (2) til et andre nivå (4) som ligger lavere enn den naturlige vannflaten (5) ved utnyttelse av vanntrykk-differensen mellom den naturlige vannflaten (5) og det andre nivå (4) til å skaffe tilstrekkelig suge-/ pumpekapasitet eller å øke denne, idet massen ved det andre nivå (4) mottas i en beholder (3) som er tilgjengelig for maskinelt utstyr plassert ved eller over den naturlige vannflaten, hvorfra i det minste deler av massene kan fjernes med i og for seg konvensjonelle pumpe- eller løftemetoder eller ved utslipp til et lavere nivå, karakterisert ved at det ved nedre ende av slangen/ rørledningen (2) benyttes et sugehode (15) med to sett innløp ( 16, 17), idet nedre innløpet (16) er anordnet for å suge opp sedimenter samt noe vann, mens øvre innløp (17) er anordnet på motsatt side av innløpet eller innløpene (16) i forhold til beholderen (3), og slik at det vil suge bare vann.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at massen i ønsket utstrekning separeres ved hjelp av rist (6) eller annet konvensjonelt utstyr ved nevnte andre nivå (4), for derfra å transporteres selektivt til minst et ytterligere nivå hvor massene skal leveres ved anvendelse av teknikker som er tilpasset de respektive fraksjoner av partikkelstørrelse samt sedimentkonsentrasjoner.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at kapasiteten for pumping av masse fra sjøbunnen til nevnte andre nivå (4) økes ved at det anordnes en ejektorpumpe (15a) på slangen/ rørledningen (2) mellom sjøbunnen (1) og det andre nivå (4).

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at ejektorpumpen (15a) drives av vann (15b) som pumpes fra nevnte andre nivå (4) slik at minst mulig vann blir forurenset av og/ eller blandet med de mudrede masser.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at beholderen (3) hvor massen mottas ved det andre nivå (4) er åpen og anordnet i tilknytning til en eller flere lektere eller pongtonger, eller utgjør en del av en lekter eller en pontong, fortrinnsvis på en slik måte at beholderens (3) posisjon kan justeres vertikalt relativt til den eller de aktuelle lektere eller pongtonger.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at massen ved det andre nivå blir separert i to eller flere fraksjoner ved hjelp av en eller flere rister (6), idet fraksjonen av de største partikler blir holdt tilbake på en rist (6) og løftet videre opp til et tredje nivå ved hjelp av en mekanisk løfteanordning (14).

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 6, karakterisert ved at fraksjonen av de minste partikler mottatt ved nevnte andre nivå (4) suges inn gjennom et rør (24) med en langsgående spalte på bunnen av beholderen (3).

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 6, karakterisert ved at fraksjonen av minste partikler mottatt ved nevnte andre nivå (4) transporteres sammen med vann til et lavereliggende nivå helt eller delvis ved hjelp av tyngdens akselerasjon gjennom en rørledning (23) eller i en tunnel.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det på andre nivå (4) finnes reguleringsanordninger som sikrer at vannstanden i beholderen holder seg tilnærmet konstant.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at massen ved det andre nivå (4) blir separert i to fraksjoner ved hjelp av en rist (6), idet fraksjonen av de største partikler, omfattende steiner med minste diameter typisk større enn 5 cm.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at høydeforskjellen mellom den naturlige vannflaten (5) og det nevnte andre nivå (4) typisk er av størrelsesområdet 2- 30 meter.

12. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at pumpehøyden fra sjøbunnen (1) opp til det andre nivå (4) typisk er av størrelsesorden 5-300 meter.

13. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at pumpeslangens (2) diameter typisk er 10 - 50 cm.