一种适用于河湖环保疏浚工程的防污帷幕的制作方法

本发明属于疏浚工程环境保护技术领域，具体涉及一种适用于河湖环保疏浚工程的防污帷幕。

背景技术：

近年来，经济的快速增长和人类活动的干扰，加速了污染物向河流湖泊的输运，导致河湖库水环境污染问题日趋严重，具体表现为水体富营养化、黑臭等现象。多年的研究和实践证明，湖泊、河流水体修复是一项系统而复杂的综合性工程，必须采取控源、截污、生态修复和科学管理为一体的系统而综合的治理模式。湖泊河流的污染物的来源可分为内源污染和外源污染，底泥作为湖泊河流水体污染物的主要蓄积场所，是主要的内源污染。

作为最直接、最有效、最快速的清除内源的重要手段——环保疏浚，目前在世界范围内得到了比较广泛的应用。我国以改善河湖库水环境与控制富营养化为目的，先后在太湖、西湖、滇池洱海等湖泊进行了环保疏浚工程。这些疏浚工程多数缓解了水的污染状况，河道、湖泊水质和生态状况得到有效改善

然而，在底泥疏挖施工作业过程中，由于疏挖设备工作对污染底泥形成扰动，挖掘设备周围局部水域污泥细颗粒扩散，使附着在细颗粒上的污染物也在水体中扩散，造成严重的二次污染，为防止细颗粒扩散，应采取有效措施。现行疏浚工程疏挖过程中防扩散技术应用较少、对防污帷幕的使用(材料、结构形式)上也较为随意，实际工程应用中很难达到工程效果，不规范的疏浚防扩散技术甚至短时间内引起了蓝藻的恶化、湖泛等危害现象。本发明正是基于这一背景下开发出的适用于河湖环保疏浚工程疏挖过程污染物防扩散装置-防污帷幕，其目的在于有效将疏浚近距离区与保护区域相隔离，防止由疏浚工程引起的大量悬浮物向外扩散，减少受疏浚工程污染的区域，达到规范疏浚作业的目的。

技术实现要素：

针对疏浚工程中由船体移动和铰刀头工作过程中悬浮物大范围扩散的现象，为克服现有技术的不足，本发明提供了一种适用于河湖环保疏浚工程的防污帷幕，该防污帷幕能有效隔离疏浚区与保护区，高效拦截疏浚过程中扩散的污染物，并辅助其下沉。装置简便，可实施性强。

本发明为解决背景技术中提出的技术问题，采用的技术方案是一种适用于河湖环保疏浚工程的防污帷幕，由延展性配件、防污帷幕主体、功能结构吸附主体、固定杆四部分组成；所述延展性配件包括浮体、下置链；利用钢丝通过加厚衔接孔将防污帷幕主体与浮体的中心杆衔接；下置链均匀分布在帷幕底端，通过底端复合加工的配重环相扣衔接，铁链两端与加厚衔接孔上面的尼龙绳衔接。

所述防污帷幕主体为具有防污帷幕表层纤网、防污帷幕底层纤网的复合结构的高精度非织造纤维过滤材料。其过滤精度为1.75μm和6.25μm两个梯度。过滤精度为1.75μm的非织造材料，其纤维选用细度为0.8-2.5d的纤维原料，长度为38mm，细/粗纤维百分比为60/40进行均匀混合，经开松、混合均匀和成网加工，按照设计结构进行复合加工，最后再经热定型、烧毛及轧光等表面光洁整理，形成表面光洁、致密及均匀的材料。过滤精度为6.25μm的过滤材料选用1.5-3.5d的纤维原料细/粗纤维百分比为65/35进行开松、混合均匀和成网加工，最后进行复合加工，再经热定型、烧毛及轧光等表面光洁整理。最后将二者复合加工整理。

所述功能结构吸附主体选用活性炭。

所述浮体每20个为一组衔接。

所述浮体采用pe材质，尺寸为半径20cm，长100cm的圆柱体，采用新型浮体构造。

该防污帷幕的结构组成包括延展性配件、防污帷幕主体、功能结构吸附主体、固定杆四部分组成。

本发明的有益效果：

1.本发明的防污帷幕主体是基于河湖环境底泥成分、几何结构、颗粒分布分析前提下确定。故针对不同河湖环境，经试验分析，可优选出特定性帷幕(原料的细度)，适用于河湖疏浚工程，针对性强。

2.筛选出的纤维过滤材料(丙纶)具有基材密度小、强度适中、弹性优良、耐磨性好、吸湿性极小、耐化学腐蚀性等优点，应用环境较为广泛，工程效果较为明显。

3.本发明中的防污帷幕为具有表层纤网、底层纤网的复合结构的高精度非织造纤维过滤材料。1.75μm和6.25μm的双梯度过滤精度结构能广泛应用于河湖疏浚工程中，同时营造了良好的表层过滤环境，并提高了反冲洗清洗性能。

4.不同环境下的帷幕布设形式、配重等可基于河湖水动力综合作用力据说明中的力学计算公式准确计算得出。

5.延展性配件、防污帷幕主体、功能结构絮凝主体、固定杆四部分通过扣、环、绳、钩等形式衔接，同时每个拦截单元可以按需首尾连接应用灵活，拆卸方便。装置应用灵活、拆装方便。

附图说明

图1为本发明防污帷幕的结构示意图。

图2为工况拦污原理图。

图3为防污帷幕双层结构图:a-过滤材料的表层截面图；b-过滤材料得底层截面图；c-双层结构示意图。

图4为功能结构吸附材料图。

其中：1、防污帷幕主体，1-1、防污帷幕表层纤网，1-2、防污帷幕底层纤网，2、功能结构吸附主体，3、浮体，4、下置链，5、衔接孔，6、加厚衔接孔，7、链接绳，8、配重环，9、固定杆，10、底泥，11、稳定层

具体实施方式：

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。本发明的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本发明，但并不对本发明作任何的限制。

如图1，防污帷幕的结构示意图，包括防污帷幕主体1、功能结构吸附主体2、延展性配件由浮体3和下置链4、固定杆9四部分组成。防污帷幕主体为针对河湖环境研发的具有防污帷幕表层纤网1-1、防污帷幕底层纤网1-2的复合结构的高精度非织造纤维过滤材料，各独立帷幕根据实际需要用尼龙绳通过衔接孔5衔接串联使用，局部重叠；功能结构吸附主体2采用图4中的53型污水处理活性炭，通过土工布网格针扎固定于表层纤维底部(疏浚侧)；pe浮体3每20个为一组衔接，利用钢丝通过加厚衔接孔6将20m长的防污帷幕主体1与pe浮体3的中心杆衔接。下置链4均匀分布在帷幕底端，通过底端复合加工的配重环8相扣衔接，铁链两端与加厚衔接孔上面的尼龙绳衔接；固定杆9竖直插入河湖底0.5-1.5m深，河湖环境因水动力条件较为稳定，且帷帷幕设距离疏浚船有一定距离，可视为静态疏浚，对于流动性大的河湖，根据实际情况使用锚块固定于底端加厚固定孔6处。

延展性配件包括pe浮体3、下置链4:其作用在于保持防污帷幕工况下的横纵向延展性。浮体采用pe材质，尺寸为半径20cm，长100cm的圆柱体，采用新型浮体构造,在各种水域环境下都能保持足够的稳定性,且浮力稳定不易丧失。单浮体浮力为80kg/m,彼此之间通过中心杆串联，保证其在水体中的整体性与稳定性，浮力余量系数为0.3。下置链选用便宜易得的铁链，通过帷幕底部的配重环与帷幕进行衔接，保证帷幕竖向受力的均匀性与延展性，铁链质量根据不同水动力条件衡算得出。

防污帷幕主体为针对河湖环境研发的具有表层纤网、底层纤网的复合结构的高精度非织造纤维过滤材料:其作用在于将疏浚区与保护区隔离，防止疏浚引起的悬浮物进一步扩散。经河湖环境工况分析及材料性能优选，确定丙纶作为防污帷幕主体的原料。表层细纤维之间交叉紧密、孔径小、致密且分布均匀，满足过滤精度及实现表层过滤作用，面向疏浚区水域；底层粗纤维能形成较大的孔径、较高的孔隙率，主要提供较大的过滤通量、降低过滤阻力、提高过滤材料纳污性能及增加材料的反冲洗作用，实现材料的循环利用，面向保护区水域。

对于不同河湖环境运用simmonds理论公式(1)计算：d平均—非织造材料的平均孔径(μm)，df—纤维直径(μm)，ε—孔隙率，ρ—纤维密度(g/cm3)，de—纤维细度(d)，m—纤网克重(g/m2)，σ—纤网厚度(mm)

其中，de(纤维细度)属于定长制。m(纤网克重)：是指每平米纤网的重量克数。ε(孔隙率)：指纤网中空隙体积占整体纤网体积的百分比。根据上述公式可推出df另一种表达式:

此发明根据河道湖泊底泥成分分析，确定过滤精度为1.75μm和6.25μm两个梯度。设计满足过滤梯度要求的非织造过滤材料，确定过滤精度为1.75μm的非织造材料，其纤维选用细度为0.8-2.5d的纤维原料，长度为38mm，细/粗纤维百分比为60/40进行均匀混合，经开松、混合均匀和成网加工，按照设计结构进行复合加工，最后再经热定型、烧毛及轧光等表面光洁整理，形成表面光洁、致密及均匀的材料。过滤精度为6.25μm的过滤材料选用1.5-3.5d的纤维原料细/粗纤维百分比为65/35进行开松、混合均匀和成网加工，最后进行复合加工，再经热定型、烧毛及轧光等表面光洁整理。再将二者复合加工整理。优化针刺非织造过滤材料的生产工艺为：预针刺深度选用13mm，主针刺深度选用12.1mm，预针刺密度选用60刺/cm²，主针刺密度选用240刺/cm²，并采用热定型、轧光、烧毛等后整理技术，采用后整理技术使得非织造纤维过滤材料表层光洁致密，可使被过滤颗粒在过滤材料层堆积成滤饼，减缓过滤颗粒大量进入过滤材料内部形成不可逆堆积物，具有良好的表层过滤和反冲洗清洗性能。帷幕底端备留3cm加厚层，用于衔接配重环8，布设形式为方形围绕布设或垂直河岸拦截布设。

功能结构吸附主体选用活性炭:其作用在于吸附疏浚过程中底层扩散悬浮物和防污帷幕主体1与底泥10的接触过程扬起的悬浮物。充分利用活性炭吸附容量大、吸附速度快、机械强度好等优点，吸附污染物并在防污帷幕的底端形成屏障，进而持久性拦截因防污帷幕与河湖底接触不紧密、水动力激起底端帷幕等因素引起的悬浮物。确定选用53型污水处理活性炭，使用量为2-5kg/m,大小在8-30目之间，粒度200目通过率≥90％。通过透气布加工为网格状(单一网格尺寸为5cm*5cm)，同帷幕后整理一起加工针织固定在帷幕的光面(疏浚区一侧)底端5cm处，使之与帷幕形成一个主体。通过防污帷幕主体下沿前端布密封固定。

固定杆根据水深及流速条件情况选用竹竿或铁棍。其作用在于固定帷幕的位置，分担主要的水流动力，使其不因瞬时作用力过大而损坏。固定杆直径约为5-15cm,长约2-5m,直径大小根据水动力条件可适当增大，长度依据不同水深确定。通过防污帷幕的上下两端3cm*3cm方形加厚布承载的绳子和钢丝与之连接。

通过局部加厚布、钢丝进行延展配件、功能结构絮凝主体及固定杆四部分之间的衔接，保证防污帷幕在拦截时的延展性及拦污功能性。

本发明中根据防污帷幕的使用特点及其在防扩散工艺中的应用位置，在其应用过程中考虑(参照港口、海洋等基建工程)有如下因素：①考虑水流、风对装置产生的力学影响；②考虑装置本身属性、配重、锚拉力所产生的固定作用，实际工程应用中布设遵循以下力学计算，相应配重、浮体等根据计算得出。

(一)荷载计算

(1)w1湖流荷载：w1＝0.5×ρw×cd×dr×u²×kc(1)

其中，ρw水密度；cd阻力系数；dr帷幕高度；u水流速度；kc等效系数；

(2)w2风荷载：w2＝0.5×ρa×cd×fr×v²(2)

其中，ρa空气密度；cd阻力系数；fr浮体直径；v风速；

(3)w3水波荷载：w3＝0.5×ρw×cd×[(π×h/t)×(1/sinh(2×π×h/l))]²×(l/8π)×[sinh(4×π×h/l)-sinh[4×π×(h-dr×kc)/l]+4×π×dr×kc/l](3)

其中：ρw水密度；dr帷幕高度；h水波高度；t周期；l波长；h水深度；kc等效系数

(4)设计表面荷载：w＝w1+w2+w3(4)

(二)锚索拉力计算

(1)tr锚索拉力

tr＝a×w/cosθ(5)

其中，θ锚索水平倾角；a间距

(2)ta设计锚索拉力：ta＝tr×sfa(6)

sfa锚索安全系数

(3)lar锚索长度

lar＝α(h+h/2)/sinθ(7)

其中，α富余系数；h水深；h水波高度；θ锚索水平倾角

(4)wa锚块重力

wa＝sfa×[tr×cosθ/(αk)+tr×sinθ]×γc/(γc-1)(8)

其中，sfa锚索安全系数；θ锚索水平倾角；α富余系数取1.05；k锚索拉力系数；γc锚块比重；

(三)防污帷幕张力计算

(1)p1水流压力：p1＝0.5×ρw×cd×u²×kc(9)

其中，ρw水密度；cd阻力系数；u水流速度；kc等效系数取0.7

(2)p2水波压力

p2＝0.5×ρw×cd×[(π×h/t)×(1/sinh(2×π×h/l))]²×(l/8π)×[sinh(4×π×

h/l-sinh4×π×h-1/l+4×π/l(10)

其中，ρw水密度；cd阻力系数；h水波高度；t水波周期；l波长；h水深度

(3)ts帷幕张力

其中，a＝0.5×aa；a锚块间距；δmax最大水平偏差；p＝p1+p2

(四)浮力计算

f＝tr×sinθ/a(12)

θ锚索水平倾角；a间距

浮体浮力按沉入水体一半计算，判别是否满足装置的浮力要求。

根据上述计算结果，结合现场实际情况，确定每组单元防污帷幕设计参数如下：防污帷幕长度、宽度；浮体配比；铁链配重，锚布设等。

在实际工程要求、模拟结果等指导下确定投放位置。投放水体时先固定一端固定杆，同时安装好部分浮体，再将带有配重链帷幕一端慢慢投放水体，边投放边安装固定杆，确保防污帷幕底端接触河湖，直至布设完毕。

如图2，在环保疏浚过程中，当载流体从疏浚区经过防污帷幕表层纤网1-1、防污帷幕底层纤网1-2时，被载流体夹带的悬浮颗粒在拦截、惯性扩散、沉降等物理因素作用下会脱离载流体流线，进而向表层纤网1-1表面靠近。在物质间分子力及物理化学吸附力的作用下，悬浮颗粒会吸附在过滤材料的表面或吸附在已形成“滤饼”的颗粒表面上，实现表层过滤作用，在防污帷幕表层纤网附近形成较高的浓度，由于过滤材料和悬浮颗粒之间粘合程度不太牢固，一部分已粘着的悬浮颗粒就会从“滤饼”表面剥落下来，进而被载流体带入底层纤网1-2，重新被吸附截留，实现深层过滤作用；当底层载流体运动到帷幕周边时，因为土工布所包裹的活性炭具有较强的吸附作用，周边的悬浮物会被吸附到活性炭周边，在活性炭周围形成致密的悬浮物球，形成致密的悬浮物层，从而填充帷幕与底部之间的缝隙，让悬浮物充分截留在疏浚区这一侧。随着疏浚的推移，已疏浚区悬浮物沉降至河湖底趋向于稳定层11并达到平衡，从而达到环保疏浚底泥疏挖悬浮物防扩散的目的。最后根据疏浚周期及悬浮物的沉降周期，拆卸转移装置，反复利用。

实施例，本发明对白洋淀环保疏浚工程防污帷幕应用进行分析。在2018年3月至2019年3月期间取样及水动力条件观测，根据夏冬季底泥成分分析结果，夏季粒径分布范围主要集中在0.3-10μm，底泥冬季粒径分布范围主要集中在1-20μm，确定使用本发明中的防污帷幕表层纤网、防污帷幕底层纤网的复合结构。纤维原料参数经过设计计算，长度选用38mm，细度选用0.8-2.5d和1.5-3.5d，纤网克重500-750g/m²，可实现过滤精度1.75μm和6.25μm两个梯级。优化生产工艺为预针刺深度选用13mm，主针刺深度选用12.1mm，预针刺密度选用60刺/cm²，主针刺密度选用240刺/cm²，并采用热定型、轧光、烧毛等后整理技术加工出帷幕。根据水动力条件观测结果，期间多点位水流流速在0.02-0.04m/之间，风向频率最大的是温暖季节西南偏南风(ssw)，平均风速2.6m/s，寒冷季节东北偏北风(nne)，平均风速2.7m/s，同时拟疏浚船海狸1200型绞吸挖泥船属于定点作业。整体而言疏浚过程中的水动力条件较为微弱，对防污帷幕的水平作用力相对较小。根据发明中的方法，针对白洋淀烧车淀水域，确定每组单元防污帷幕设计参数如下：防污帷幕长度为20m，宽度为3m；pe浮体10个(单个为1m，80kg/m)，半径为0.2m；铁链配重60kg，不使用锚。

实验室内对发明中的帷幕进行过滤测试，过滤结果见表1，结果表明0.3-10μm粒径范围内的悬浮物拦截率为91.95％；模拟白洋淀水域环境进行拦截测试，模拟结果见表2，结果表明1000r/min的悬浮物拦截率达99.59％，扰动区悬浮物达10400mg/l(源强15cm处，流速为0.14m/s)，悬浮物浊度拦截率达99.93％，拦截效果较好。

表1

表2

以上所述仅是本发明的一个优选实施例,并非对本发明作任何形式上的限制,在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。