专利名称：海底水力疏浚的方法
技术领域：
本发明涉及一种海底水力疏浚的方法。
背景技术：
人们希望能够在许多情形下从海底区域内清除沉积物。这些区域可以是港口、航道或者具有被污染的沉积物的区域。人们也可能希望将该沉积物再沉积在水下或者将该沉积物堆放在海岸上，可能随后还会对其进行纯化处理。
还有水坝(dams)，其主要在内陆，在那里，流入的河流可能沉积大量的沉积物，这样水坝就逐渐让沉积物填充直到水坝的蓄水量变得不受希望的低。而且，假如沉积物随着水流入发电站，则沉积物会消极地影响到水坝的稳定性，阻塞闸门等并导致涡轮机不希望的磨损。沉积物的形式可能有大块岩石，很细小的颗粒象泥沙和泥土以及处于其间的任何颗粒。
在现有技术中人们公知，如果将泵放于水面或者水面上方，则泵不能产生大于一个大气压的真空压力或者吸力。因而，当将泵放于水面或者水面上方时，就对如何有效地将沉积物从海底清除以及沉积物可以被清除的深度形成一种局限性。
也可以将压力泵设置在海底用以提升沉积物，但是，将这样的设备定位和重新复位成本很昂贵。
而且，在现有的疏浚工程领域中公知，将沉积物从海底清除并将沉积物放置在一个仍然位于水面之下的升高的水平面上。
这种方式的优点是，在自然水面与沉积物被泵送到的水平面之间的水柱压力差可以被用作为泵送所需提升力的一部分。
疏浚可以通过设置在某一第一位置与海底接触的管口而实现，通过管口吸入大量的沉积物，在海底形成一个圆形洼坑。根据所讨论位置的沉积物的松散或密实程度，当洼坑变得更深时沉积物将倾向于滑入该洼坑，而且洼坑壁将变得更加陡峭。有时，会突然有大量的沉积物滑出而没有任何预警，随之而来管口会被堵塞和/或被阻塞。传统上，除了频繁地移动管口以使洼坑永远不会变得很深或者使洼坑壁不会很陡峭之外，还没有其它方法可以避免此问题的发生。然而，假如有大量沉积物需要清除的话，就很不方便，因为区域内的每一位置都需要处理好几次，以便清除所需量的沉积物。
导致问题的另一种情况涉及到这样的实事，海底因其特性或者自然状态会发生很大变化，而且，非常适用于松散沉积物的管口却不适用于密实的沉积物。预先根据海底的特性而调整吸力功率的可能性一直很小。
美国专利NO.3,693,272公开了一种系统(装置)，其主要是能够在(从)很深的地方进行疏浚。然而，其技术方案的局限性是，它涉及一种封闭系统，比如它易于受到大块岩石和其它外来杂质的攻击，而且不容易检查和维护。这样，它就不能很好地适合于本发明的目的，本发明希望颗粒大小可以有很大的变化，岩石的大小是一个基本的因素。
美国专利NO.3,815,267也公开了一种封闭系统，用于从海底吸取沉积物，如果用于颗粒大小变化很大的沉积物，则总体上具有与上述专利相同的缺点或者局限性。
美国专利NO.1,468,199公开了一种方法和设备，其借助于一个在大气压力下运转的半潜式的敞口容器以及一个低于海底的吸管来实现疏浚，其中完全是通过在吸管表面与吸管伸入所述敞口容器内的出口之间的液体压力的差值来提供吸力的。该专利还描述了将沉积物提升到水面的设备。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种方法，用于将由细小颗粒和大尺寸岩石两者组成的沉积物从海底挖掘/泵送到自然水面之下的一个水平面，随后再利用传统技术运输该沉积物。
本发明的另一目的是提供一种方法，它允许沉积物具有可能的最高浓度，以便可以以尽可能低的成本对沉积物进行随后的处理和沉积。
本发明的再一目的是提供一种多用途的方法，其中沉积物可以被沉积在一个特定的填埋点，沉积物可以被容易地运送到这样的填埋点，或者沉积物可以被泵送到比如一只驳船上以便进行进一步的运输。
本发明的还一目的是提供一种方法，用于将沉积物从水坝运输到一个低于水坝水面的位置，它是以一种将所需外能保持尽可能低的方式通过管道或者隧道而运输到所述位置的。它的另一目的是能够运输一种具有可能的最高浓度的沉积物而沉积物不会堵塞管道或者隧道。
本发明的再一目的是利用一种开放式系统实施所述方法，具有良好的维护和维修的易接近性，并具有高度的操作可靠性。
本发明的另一目的是以一种在很大程度上针对松散或者密实沉积物进行自我调节的方式，并借助于在某种意义上坚固耐用、将不会被通常提升的挖掘物堵塞的装置实施所述方法。
本发明的再一目的是提供一种方法，它允许连续作业，而与要被挖掘的沉积物的颗粒大小的变化无关。
本发明的还一目的是提供一种低成本的方法，它在很大程度上允许利用传统的设备。
上述目的将通过本发明的由权利要求1限定的方法来实现。
本发明优选实施例的方法由从属权利要求公开。
下面将结合附图对本发明进行详细描述，其中图1示出本发明的一个实施例的示意图；图2和3示出本发明的一些细节的不同变化；图4示出本发明一种具体应用的实施例的示意图；图5示出本发明的一个细节的一个具体实施例；图6示出与本发明图2所示实施例有关的一种额外功能。
具体实施例方式
图1示意性地示出用于实施本发明的装置，以挖掘海底1或者水坝底部的一个区域。设置一根软管或者导管2以便将沉积物从海底1运输到一容器3，其中，容器3内的水和沉积物的水平面4要低于容器外部自然水平面5。容器3最好是向周围环境敞开，并且在任何情况下都以一种方便工人容易维护和维修的方式设置。装置与容器3相连接设置，将沉积物根据颗粒大小以一个或者多个小部分的方式进行运输。
本发明的一个重要特征是，岩石和其它大颗粒可以被从海底吸取而无堵塞危险，因为导管2是平滑的而且其横截面没有任何缩小。
比如容器3可以设置成为一只驳船的一部分或者具有被连接到一石油平台的腿部上的储罐形式。最好是，容器的垂直水平面可以根据需要而调节。
如图1所示，在导管的出口7与容器内的水和沉积物的水平面4之间设有一栅栏6。采用这种设置，其最小直径大于该栅栏孔径的岩石和颗粒被阻挡在栅栏上，而其它沉积物将通过它。由大颗粒组成的沉积物用粗大的组分8表示，而由较小颗粒组成的沉积物用细小组分9表示。借助于该栅栏，细小组分9可以通过采用不必形成用于处理大岩石或者其它大颗粒的设备而被单独清除。这种设备可以包括传统的泵或类似物。图1示出这样一个泵10，它具有一根导管11与之相连并用于将细小组分12与一规定量的水一起运送到一个单独的储罐13，比如储罐可以被设置在一只驳船上。优选地，该细小组分可以被泵送到水下的一个不同位置或者一个指定的填埋点，可能是到一个用于纯化和进一步运输的中间站。然而，对细小组分和/或粗大组分的进一步处理不是本发明的主题。而且图1示出了一台挖掘机或者提升设备14，用于处理被阻挡在栅栏6上的粗大组分8。作为选择，以一种类似于处理细小组分的方式，粗大组分可以按一种控制方式被送回到水下的一个方便位置或者被放置在一个单独的容器(未示出)内，比如容器位于一只驳船上或者一个填埋点。
如图1所示，在导管2的下端设有一特殊的抽吸歧管15(也被表示为一“萨克斯管”头)，歧管的下端设有许多的孔口或者狭缝16，在与孔口16相隔一段垂直距离的萨克斯管头的自由端处设有一开口17。当孔口16在任何时候将吸入沉积物和变量的水时，开口17将总是只吸入水。导管内沉积物的浓度变得越低，则速度越大而且吸力变得越大。相反，如果沉积物的浓度高，则速度降低，因而吸力减小，从而，与通过开口17被吸入的水的量相比较，导致通过孔口16被吸入的沉积物的量减少。用另一种方式表示，所述萨克斯管头的特性是，吸力由水流入导管的速度决定。采用此方式，抽吸歧管15可以自身调节，而且不容易被堵塞。
抽吸歧管15采用合适的尺寸，即在孔口16与开口17之间具有足够的垂直距离，则在滑落的沉积物滑入洼坑期间以及在滑入洼坑之后，抽吸歧管也能起作用，在挖掘期间抽吸歧管可以产生该洼坑。这是因为，开口17被提升到一个它总是无约束而且能够吸入水的水平面，即使随后几乎完全堵塞，也能确保管口15和导管2内的沉积物浓度会快速降低。依据使用情况，足够的距离可以是2-6米。
图1所示抽吸歧管在使用时的一个重要优点是，它可以在很大程度上单独保持在海底经历较短或者较长时间，不需要被连续地控制。为了将该抽吸歧管保持在垂直位置，浮力装置(未示出)可以被连接到抽吸歧管本身上和/或连接到导管2部分上。挖掘时，该抽吸歧管将逐渐沉落在它所形成的海底洼坑内，同时如上所述保持对沉积物浓度的自身调节，从而很好地消除导管或者抽吸歧管被堵塞的危险。
应当强调的是，图中的尺寸不是实际尺寸，导管2的程度可以是几百米，而抽吸歧管15通常是2-6米高。
图2示出容器3的另一实施例。这里未设用以阻挡最大颗粒的栅栏，取而代之的是设置了一根导管18以将沉积物抽出。可以通过连接到该导管18上的一喷射泵19来实现该抽出功能。这种处理粗大组分的方式的优点在于，在很大程度上它可以作为一个连续过程来实现，其缺点在于，它对粗大组分和细小组分之间的明显区分较少，因为一些细小颗粒将必然混入粗大组分中。如图2所示，细小组分将借助于一传统泵10被清除。
图3示出了容器3的另一实施例，其中，在容器3的底部设置一根基本上垂直的管道20，该管道20具有一舱门21。正常情况下舱门是关闭的，由于容器内没有设置栅栏，大块岩石将会聚集在舱门附近，而更细小的颗粒在很大程度上分散于上面的水中。根据需要或者根据规定的时间间隔，将舱门临时开启，以便岩石落回到容器下面的底部。在舱门开启期间，容器3内部与外部的水之间形成了流体连通。这样，水将向上流入管道以设法平衡容器内部和外部的水位。因而希望将舱门保持尽可能短的开启时间，随后一次开启时，它将要求正常地将容器内的一些水抽出去，以便获得水位间的所需压力差。
图4示出了本发明的一种变型，包括一水坝22。其中许多细节与图1所示的细节相同，比如，容器3内设置栅栏6以阻挡最大颗粒/岩石8。一根用于运输细小组分和一定量水的导管23从容器3向水坝22的一个下游位置延伸，该位置是一个比容器3内的水平面4更低的位置。在容器3内部，导管23伸展成带槽的导管24，其槽允许颗粒连同被控制量的水一起流入管道。在1994年12月第3期的“Gemini”中和1995年3月的“Hydropower and Dams(水力发电和水坝)”中首先记载了这种带槽导管(沉积物流出管)。这样布置就可以抽出导管23能够运送的最高可能浓度的沉积物，而没有堵塞导管的危险。剩余的水被抽回到水坝/海里，或者如果需要，多余的水可以流回容器。
应当注意的是，利用导管23运送细小组分到一个更低的位置比如水坝外面，是以使用上述这样一种带槽导管为条件的。而且，假如导管23很长，有利的是可以为其设置一传统泵，以便在所有条件下保持所需的运送能力。
当容器3内有不需要的多余水时，可以利用一泵(未示出)将这些污染最小的水从该容器内抽出。如果该水位变低以致不能达到导管23内的所需比例，就允许更多的水流入容器3。
图5示出了一种抽吸歧管25的优选结构，其具有两个开口或者两套开口16′、17′。该抽吸歧管基本上是直的，并包括一个圆柱形外壳26，外壳内部形成一个基本上为环形的空腔27。在外壳26的上端，所设开口17′与所述环形空腔27连通。外壳26的垂直高度具有与“萨克斯管头”15的自由端的高度相同的大小。操作该抽吸歧管25的方式类似于操作萨克斯管头15的方式。挖掘时，沉积物和一些水将被吸入孔口16′并通过导管2′被运送到一个接近水面的容器(未示出)。水将被吸入开口17′并被向下运送至环形空腔27直到抽吸歧管的下端，从这里开始以与沉积物形成混合物的方式运送到容器。被吸入开口17′的水量，象萨克斯管头一样，在很大程度上将根据导管中沉积物的浓度进行自身调节。与萨克斯管头相比较，这种管头的优点在于，它的体积稍微小些，而且它具有与导管整个横截面相同的孔径，并能够运送大岩石却没有堵塞的危险。另一方面，该直的抽吸歧管在相同情形下不能被保留在底部，而是需要更加连续地控制。
图6示出一个主要与图2所示发明相同的实施例，但是增加了新的功能，一喷射泵28被连接到位于抽吸歧管(未示出)上方的导管2上，以改善抽吸能力。为了尽可能污染更少的水，有利的是，通过一根供水管29向喷射泵28供应来自容器3的水。可能更有利的是，当水进入供水管29时对水过滤。这样的喷射泵28也可以被用在本发明的任何实施例中，而不仅仅是图6所示的实施例。在PCT专利申请PCT/NO 00/00359和挪威专利申请No.200014843中记载了用于这一目的的喷射泵。
利用本发明，对抽吸歧管的操作和定位更加简单，而且它能被准确地定位在所需的位置。它可以被应用于比较深的水域进行挖掘，而且堵塞抽吸导管、导致停机的危险就很小。能够更容易地对被连接到第二水平面即容器3的所有设备进行维护和维修。
使用中应当对船坞疏浚和近海岸疏浚进行区分，前者的深度典型的是30米，后者的深度至少是50米，更典型的是200-300米。本发明适用于所有深度范围，但是，根据实施疏浚地点的深度，它自然地需要在自然水平面与所述第二水平面之间进行高度差调节。
根据实际需要，导管2的横截面将要在很大范围内进行调节，但是通常不会超过50厘米，也很少小于10厘米。
计算实例在下表中给出了四个计算实例。应当注意的是，这些实例纯粹是理论上的，实际效能将取决于沉积物的性质和将沉积物吸入导管的效率。当包含喷射泵时，可以预料的是，它将由已经被较早吸入的被部分污染的水提供能量。
开始两个计算实例对于在港口船坞进行疏浚的典型地点是有效的。可以看出，如果采用喷射泵，则水的消耗量大大减少，此外抽吸导管的直径也可以减小，因而更容易处理。
后面两个实例对于深度明显大于船坞的典型近海岸地点是有效的。在喷射泵被已被污染的水增加能量的条件下，在此地点采用喷射泵将会尽可能地给疏浚提供非常高浓度的干材料。
采用喷射泵的其它优点是疏浚的深度可能更大，增加总体生产能力以及可能将高度降低到水平面2。
权利要求
1.一种从海底、水坝底部等处进行水力疏浚沉积物的方法，所述沉积物包括从粒径非常大的岩石到细小颗粒物之间变化的颗粒，所述方法包括一第一操作步骤，其中，沉积物通过一软管或者导管(2)被抽吸或者泵送到一个位于自然水面下的第二水平面，这利用了在该自然水面与所述第二水平面之间的水压力差以提供或者增强所需的抽吸或泵送能力，在所述第二水平面上接收到的沉积物被放置在一个容器(3)内，通过设置于自然水面或者自然水面之上的机械设备可以接近该容器，容器内的至少一部分沉积物可以被一实质上的传统泵(10)或提升方法或者通过将它释放到一较低水平面而清除，其特征在于在所述软管或导管(2)的下端设有一个具有两个进口或两套进口(16、17)的抽吸歧管(15)，其中一个进口或一套进口(16)被设置在或者接近于该抽吸歧管的下端，并用于从底部吸入所述沉积物和一些水，另一个进口或另一套进口(17)被设置成与所述第一个进口或第一套进口(16)相距一垂直距离并用于仅仅吸入水。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过位于所述第二水平面上的传统设备而将所述沉积物进行所需程度的分离并且在一个可选择的基座上被进一步运送到至少另外一个水平面，在此水平面沉积物通过适合于颗粒大小和各自组分浓度的方法被运送出去。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过将一喷射泵连接到位于海底与所述第二水平面之间的所述软管/导管上，可以提高将沉积物从海底泵送到所述第二水平面的生产能力。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述喷射泵由被从所述第二水平面泵送的水提供能量，以便尽可能少的水被所述挖掘出的沉积物污染、和/或与之混合。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于用于在所述第二水平面接收沉积物的容器是敞口的，并被连接到一只或多只驳船或者浮船上，或者构成一只驳船或浮船的一部分，最好是以这样的方式，该容器的垂直位置可以相对于所述驳船或浮船进行调节。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过一个或者多个栅栏将所述第二水平面上的沉积物分成两个或多个组分，其中最大颗粒的组分被阻挡在栅栏上并被一机械提升设备进一步提升到一第三水平面上。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述第二水平面上接收到的最小颗粒的组分被吸入位于容器底部的一具有纵向狭槽的带槽导管内。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于在所述第二水平面上接收到的最小颗粒的组分连同水一起、部分地或者完全是借助于重力通过管道或者隧道被运送到一较低的水平面。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于装置被设置在所述第二水平面以确保所述容器内的水平面基本上保持恒定。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于利用一栅栏将位于所述第二水平面上的沉积物分离成两个组分，以便最大颗粒的组分包含最小直径通常小到5厘米的岩石。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于自然水面与所述第二水平面之间的高度差典型地在2-30米的范围内。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于从海底到所述第二水平面的垂直泵送距离典型地在5-300米的范围内。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述泵送导管的直径典型地为10-50厘米。
全文摘要
一种从海底、水坝底部等进行水力疏浚沉积物的方法，包括一第一操作步骤，其中，沉积物通过一软管或者导管(2)被抽吸或者泵送到一个位于自然水面下的第二水平面，这利用了在该自然水面与所述第二水平面之间的水压力差以提供或者增强所需的抽吸或泵送能力。在所述第二水平面上，沉积物被接收在一个容器(3)内，通过设置于自然水面或者自然水面之上的机械设备可以接触到该容器，容器内的至少一部分沉积物可以被一实质上的传统泵或者传统的提升方法或者通过将沉积物释放到一较低水平面而清除。在所述软管或导管(2)的下端设有一个具有两个进口或者两套进口(16，17)的抽吸歧管(15)，其中一个进口或者一套进口(16)被设置在或者接近于该抽吸歧管的下端，并用于从底部吸入所述沉积物和一些水，另一个进口或者另一套进口(17)被设置成与所述第一个进口或第一套进口(16)相距一垂直距离并仅仅用于吸入水。
文档编号F04F5/00GK1503868SQ01821428
公开日2004年6月9日 申请日期2001年12月21日 优先权日2000年12月27日
发明者汤姆·雅各布森, 贡纳·法格沃尔, 奥拉夫·夸尔沃格, 泰耶·法格沃尔, 夸尔沃格, 汤姆 雅各布森, 法格沃尔 申请人:Gto深海有限公司