水下檢修裝置的新發(fā)展

周和平，劉兆正，房向陽，周立持，謝永軍

(1.江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇宿遷 223800;2.江蘇省淮河入海水道管理處，江蘇 淮安 223200)

水下檢修裝置的新發(fā)展

周和平1，劉兆正1，房向陽1，周立持2，謝永軍2

(1.江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇宿遷 223800;2.江蘇省淮河入海水道管理處，江蘇 淮安 223200)

針對水下檢修鋼圍堰排水不徹底的問題，在圍堰底部周邊設(shè)置集水室，將集水室與真空罐串聯(lián)、真空罐與真空泵串聯(lián)，構(gòu)成能徹底排除圍堰內(nèi)水體的排底水系統(tǒng)。介紹該排底水系統(tǒng)的排水原理、運行步驟和所存在的問題。為解決該排底水系統(tǒng)排水效率較低、適用水深不到9 m的問題，將真空泵與集水室頂部相連構(gòu)成排氣系統(tǒng)，將潛水泵裝配逆止閥安裝在集水室上部構(gòu)成排水系統(tǒng)，從而形成了由圍堰底部集水室、真空泵、潛水泵三部分組成的新型排底水系統(tǒng)。實際應(yīng)用情況表明，新型排底水系統(tǒng)排水效率較高，使鋼圍堰的適用水深突破了大氣壓力的局限，得到了大幅度提高。

水下檢修裝置;鋼圍堰;排氣系統(tǒng);排水系統(tǒng);排底水系統(tǒng)

目前常用的水下混凝土和水下設(shè)備的檢修輔助設(shè)備有氣壓沉柜和鋼圍堰。氣壓沉柜專用于水下平面或斜面結(jié)構(gòu)的檢修，通過向工作室內(nèi)加壓排水創(chuàng)造無水施工界面，適用水深為2.8～7.5m［1］(亦說3.3～7.5m［2］)。鋼圍堰形式多樣，可用于水下混凝土平面、斜面、立面的檢修，通過抽排圍堰內(nèi)水體創(chuàng)造施工條件。兩種水下檢修裝置各有利弊，氣壓沉柜的不足是適用水深范圍較小、工作室內(nèi)氣壓大;鋼圍堰的主要弊端在于排水不徹底。2004年，江蘇省灌溉總渠管理處成功研制了水下混凝土工程無水檢修圍堰［3］(后更名為開敞式水下檢修裝置)，該裝置以普通鋼圍堰為基礎(chǔ)，配置了專門設(shè)計的排底水系統(tǒng)，成功解決了鋼圍堰排水不徹底的問題，但排水流量較小，實際適用水深不到9m。為解決該問題，將真空泵與集水室頂部相連構(gòu)成排氣系統(tǒng)，將潛水泵裝配逆止閥安裝在集水室上部構(gòu)成排水系統(tǒng)，從而形成了由圍堰底部集水室、真空泵、潛水泵三部分組成的新型排底水系統(tǒng)，2011年取得成功。本文簡要回顧了水下檢修裝置的發(fā)展歷程，詳細介紹了水下檢修裝置的最新研究成果，比較了新舊排底水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、排水原理、排水效果和在實際工程中的應(yīng)用情況。

1 氣壓沉柜

氣壓沉柜由江蘇省江都水利工程管理處于1979年研制，獲得江蘇省重大科技成果二等獎。2006年中國葛洲壩集團機械船舶有限公司在其基礎(chǔ)上研發(fā)出新產(chǎn)品，并獲得國家實用新型專利，專利號ZL200620163305。氣壓沉柜下部為覆于水底的鋼結(jié)構(gòu)半球殼工作室，工作室頂部安裝筒狀通道至水面以上，通道上部裝配過渡艙。通道與工作室直接相通，與過渡艙之間設(shè)內(nèi)艙門，過渡艙與室外之間設(shè)外艙門。工作室外側(cè)裝有壓重塊及浮箱，另配有空氣壓縮機、儲氣罐、工作船。運行時關(guān)閉內(nèi)艙門，利用空氣壓縮機向工作室加壓排水，創(chuàng)造無水施工界面。當(dāng)工作人員、材料、設(shè)備需要進入工作室時，先進入過渡艙，關(guān)閉外艙門，增加過渡艙內(nèi)壓力達工作室壓力后，打開內(nèi)艙門;當(dāng)工作人員、材料、設(shè)備需要退出工作室時，先進入過渡艙，關(guān)閉內(nèi)艙門，調(diào)減過渡艙內(nèi)壓力達到大氣壓后，打開外艙門。氣壓沉柜需要移位時，利用空氣壓縮機向浮箱充氣排水，氣壓沉柜浮動后由工作船牽引或由工作人員推至指定位置。

氣壓沉柜的優(yōu)點是排水徹底，無滲漏，但工作室內(nèi)壓力大于一個大氣壓與水深壓力之和，工作人員必須有較好的身體素質(zhì)，且工作人員、材料、機械進出工作室需通過過渡艙中轉(zhuǎn)，耗時長，不方便。

2 開敞式水下檢修裝置

開敞式水下檢修裝置(圖1)以普通鋼圍堰為基礎(chǔ)，配有排底水系統(tǒng)，是用于水下混凝土平面或斜面檢修的一種新型裝置，已獲國家實用新型專利(專利號ZL200420080320.4)，先后應(yīng)用于阜寧腰閘上游鋪蓋檢修、渠北閘消力池檢查、高良澗閘消力池和鋪蓋局部維修以及三河閘鋪蓋檢查中，實際應(yīng)用效果良好。

圖1 開敞式水下檢修裝置

2.1 鋼圍堰

鋼圍堰由若干節(jié)圓筒組成，圓筒為箱梁結(jié)構(gòu)體［4-5］，每節(jié)圓筒設(shè)有止水、爬梯、吊耳、節(jié)間排水系統(tǒng)、對接裝置、鎖定裝置等，施工時逐節(jié)安裝，形成整體后安放于檢修面上。目前開發(fā)應(yīng)用的鋼圍堰有內(nèi)徑2m和3m兩種，適用水深定位在9m以內(nèi)。水深越大或鋼圍堰直徑越大，對結(jié)構(gòu)強度的要求越高，需專門設(shè)計制造。

2.2 排水系統(tǒng)

排水系統(tǒng)包括常規(guī)排水設(shè)備、節(jié)間排水系統(tǒng)、排底水系統(tǒng)三部分。常規(guī)排水設(shè)備為污水潛水泵、泥漿泵等，運行時放置于圍堰內(nèi)，用于抽排圍堰內(nèi)水體;節(jié)間排水系統(tǒng)用于排除各節(jié)圍堰之間的漏水，節(jié)間漏水通過每節(jié)圍堰上部的集水槽攔截，經(jīng)由管道逐節(jié)匯入底部集水室后集中排除;排底水系統(tǒng)用于排除常規(guī)排水設(shè)備不能徹底排除的圍堰內(nèi)底水及圍堰外漏水。原排底水系統(tǒng)(圖2)由三部分組成:一是圍堰底部集水室，二是真空罐，三是真空泵，三部分以鋼絲管相連。圍堰底部集水室為設(shè)置在圍堰下部的一個環(huán)形密閉空腔，底部裝有雙向止水，底板設(shè)有進水孔，側(cè)面排水排氣管與真空罐、真空泵連接。

圖2 原排底水系統(tǒng)示意圖

2.3 檢修裝置運行步驟及條件

運行時，首先啟動潛水泵抽排圍堰內(nèi)水體，當(dāng)圍堰內(nèi)水深較小(10 cm左右)時，啟動真空泵，真空罐內(nèi)壓力下降，圍堰內(nèi)底水及圍堰外漏水匯入圍堰底部集水室，當(dāng)真空罐內(nèi)壓力足夠低時，圍堰內(nèi)底水及圍堰外漏水沿管道注入真空罐，達到排除底水創(chuàng)造無水施工界面的目的。設(shè)計安裝多套由真空泵與真空罐組成的排水排氣系統(tǒng)(圖1中僅有2套)，取水口分布在圍堰底部集水室下部。運行時，當(dāng)其中一個真空罐儲水快滿時暫時退出運行，排除其內(nèi)部儲水后再投入使用。多套排水排氣系統(tǒng)輪流作業(yè)，以維持工作面持續(xù)排水。

該排底水系統(tǒng)必須具備以下3個條件才能正常發(fā)揮作用:一是真空罐進水口與圍堰底部的相對高差不大于9 m［6］(1個標(biāo)準大氣壓相當(dāng)于10.3 m水柱高的壓力，考慮各種局部水頭損失和沿程水頭損失，結(jié)合設(shè)備實際情況，將該排底水系統(tǒng)適用水深定在9 m以內(nèi));二是總的排水排氣流量大于圍堰底部總的漏水漏氣流量［7］;三是真空罐內(nèi)的真空度足夠低，可將集水室內(nèi)的水體吸入真空罐。

2.4 主要性能

開敞式水下檢修裝置的主要性能為:①保持水下混凝土表面無水，以便水下混凝土檢修或設(shè)備檢修安裝;②圍堰內(nèi)壁無射水、滴水;③適用水深在9 m以內(nèi);④工作面開敞，檢查維修方便。

3 開敞式水下檢修裝置的新型排底水系統(tǒng)

3.1 原排底水系統(tǒng)的局限性

開敞式水下檢修裝置原排底水系統(tǒng)有其局限性:①適用水深囿于大氣壓力，在9 m以內(nèi);②當(dāng)其中一個真空罐內(nèi)部儲水快滿時需要放空其水體再投入使用，如此反復(fù)，操作頻繁;③排氣系統(tǒng)需將真空罐內(nèi)氣壓降低到能將集水室內(nèi)水體吸入真空罐的程度，真空泵工作強度大，對相關(guān)設(shè)備抗壓要求也較高;④排水管細而長，沿程水頭損失、局部水頭損失大，排水效率低。

3.2 新型排底水系統(tǒng)的組成

新型排底水系統(tǒng)(圖3)由圍堰底部集水室、真空泵、潛水泵三部分組成，真空泵通過鋼絲管與集水室頂部相連，構(gòu)成排氣系統(tǒng);潛水泵取水口安裝在集水室內(nèi)，為滿足潛水泵利用水體散熱的要求泵身安裝在集水室外，出水口安裝逆止閥，構(gòu)成排水系統(tǒng)。新型排底水系統(tǒng)已獲國家實用新型專利，專利號ZL201120070743.8。新型排底水系統(tǒng)突破了大氣壓力的局限，使開敞式水下檢修裝置的適用水深擴展至十幾米甚至幾十米。目前新一代開敞式水下檢修裝置已投入使用。

圖3 新型排底水系統(tǒng)示意圖

3.3 新型排底水系統(tǒng)的運行原理

啟動真空泵后，集水室內(nèi)壓力下降并低于大氣壓，圍堰內(nèi)底水及圍堰外漏水在大氣壓的作用下經(jīng)由集水室底部孔洞匯入集水室，集水室內(nèi)水位逐漸升高，當(dāng)水深淹沒潛水泵取水口即可開啟潛水泵排除集水室內(nèi)水體。為減少潛水泵啟動頻次，可以在集水室充盈、看到水體沿鋼絲管上升時啟動潛水泵排水(為防止水體意外進入真空泵，在真空泵和集水室之間仍需連接一個真空罐，以截留水體)。當(dāng)集水室內(nèi)水位下降且潛水泵不出水時，關(guān)閉潛水泵，但真空泵繼續(xù)運行，以保證圍堰內(nèi)底水及圍堰外漏水持續(xù)匯入圍堰底部集水室，維持水下混凝土檢修界面無水。為防設(shè)備發(fā)生故障，排氣系統(tǒng)和排水系統(tǒng)均不低于2套。為防潛水泵堵塞或銹蝕卡阻，選用不銹鋼排污潛水泵。

新型排底水系統(tǒng)必須具備以下兩個條件才能正常發(fā)揮作用:一是真空泵總的排水排氣流量大于圍堰底部總的漏水漏氣流量;二是潛水泵揚程大于水深，排水速率大于總的漏水速率。

3.4 新型排底水系統(tǒng)的優(yōu)勢

新型排底水系統(tǒng)具有5個方面的優(yōu)勢:①突破了大氣壓力的制約，使開敞式水下檢修裝置的適用水深在理論上能達十幾米甚至幾十米;②不使用真空罐轉(zhuǎn)存水體，設(shè)施簡化，運行簡便;③對排氣系統(tǒng)排氣強度的要求大幅度降低，只需維持集水室內(nèi)適當(dāng)真空度、滿足潛水泵抽水需要的淹沒深度即可，同時降低了整套排氣系統(tǒng)的抗壓要求，減少了漏水漏氣量;④新型排底水系統(tǒng)結(jié)合潛水泵的安裝，圍堰底部集水室外徑相對于圍堰外徑擴大了約60 cm，有利于圍堰運行期的穩(wěn)定，能使圍堰更好地抵御風(fēng)浪、水流的作用;⑤排水系統(tǒng)與排氣系統(tǒng)分離，選用不銹鋼排污潛水泵，排水排氣流量適當(dāng)，排底水能力增強，效率提高。

3.5 新型排底水系統(tǒng)的應(yīng)用

目前，新型排底水系統(tǒng)在安徽省淮南市第一污水處理廠水下設(shè)備安裝中首次得到應(yīng)用?；茨鲜械谝晃鬯幚韽S的兩座卡魯塞爾氧化溝混凝土底板上共裝配了4臺水下推進器，但已損壞停運多年。為恢復(fù)生產(chǎn)能力，該廠于2010年引進了4臺新型氧化溝推進器，需要安裝在混凝土底板上。安裝推進器有其嚴格的精度和強度要求，混凝土底板必須無水。最可靠的方案無疑是干池安裝，但是，多年來氧化溝內(nèi)培育了良好的微生物群，干池施工會導(dǎo)致微生物群死亡殆盡，將長時間影響污水處理效果，危害生態(tài)環(huán)境;而且氧化溝池底沉積了約1.5 m厚的活性污泥，全部清除需較長時間，費用較多。比較經(jīng)濟、快捷、環(huán)保的方案就是選用開敞式水下檢修裝置。推進器外形平面最大尺寸為2 m，使用內(nèi)徑為3 m的開敞式水下檢修裝置即能滿足設(shè)備安裝調(diào)試的空間要求;新型排底水系統(tǒng)能確保施工界面無水，能滿足設(shè)備安裝技術(shù)要求。正常情況下，從檢修裝置吊裝就位，經(jīng)過沖淤、排水、清洗等環(huán)節(jié)，到圍堰內(nèi)潔凈無水具備安裝水下推進器條件約需6 h。

現(xiàn)場施工主要工序如下:①拼裝圍堰;②將圍堰整體吊裝就位;③用高壓水槍沖刷池底活性污泥;④用潛水泵抽排圍堰內(nèi)水體;⑤運行真空泵，維持集水室真空度在－0.1個大氣壓左右，間歇運行集水室潛水泵;⑥沖洗混凝土底板，向圍堰內(nèi)吹送新鮮空氣;⑦提供潔凈無水的設(shè)備安裝界面。需要注意的是，施工作業(yè)時除了做好防溺、防墜落防觸電、防高空墜物等安全工作外，還應(yīng)做好防毒、防菌等保護工作。

4 結(jié)語

長期以來，鋼圍堰作為一種水下檢修裝置，由于不能徹底排除底水，應(yīng)用受到很大限制。新型排底水系統(tǒng)的發(fā)明使鋼圍堰的適用水深在理論上突破了大氣壓力的制約，效率更高，使用更便捷，能設(shè)計安裝在用于混凝土平面、斜面、立面維修的鋼圍堰上，維持施工界面無水。開敞式水下檢修裝置一般適用于混凝土檢修或固定在混凝土表面的設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)的檢修，對混凝土結(jié)構(gòu)強度有一定要求，能否使用開敞式水下檢修裝置，還應(yīng)對相關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)進行核算。

［1］蔡平，周燦華，徐惠亮.自浮式氣壓沉柜在水下工程檢修中的應(yīng)用［J］.水利水運工程學(xué)報，1998(增刊1):64-67.

［2］王德俊.自浮式氣壓沉柜在諫壁閘水下檢修中的應(yīng)用與改進［J］.江蘇水利，2009(10):21-22，24.

［3］周和平，湯可方，孫猛，等.DDC開敞式水下混凝土無水檢修裝置研究與應(yīng)用［J］.治淮，2006(7):30-31.

［4］曹周平，朱召泉.鋼結(jié)構(gòu)［M］.北京:科學(xué)技術(shù)文獻出版社，1999.

［5］徐道遠，黃孟生，朱為玄，等.材料力學(xué)［M］.南京:河海大學(xué)，2000.

［6］李家星，趙振興.水力學(xué)［M］.南京:河海大學(xué)出版社，2001.

［7］朱立明，柯葵.流體力學(xué)［M］.上海:同濟大學(xué)出版社，2009.

New development of underwater overhaul device

ZHOU Heping1，LIU Zhaozheng1，F(xiàn)ANG Xiangyang1，ZHOU Lichi2，XIE Yongjun2(1.Luoyun Hydraulic Engineering Management Division，Jiangsu Province，Suqian223800，China;2.Administration of Project of Huaihai River Waterway to the Sea in Jiangsu Province，Huaian223200，China)

To solve the problem of halfway drainage inside a steel cofferdam，catchment rooms were installed around the bottom of a steel cofferdam.These catchment rooms，a vacuum container，and a vacuum pump were put together in a series to form a bottom water drainage system，which could drain the water inside the cofferdam completely.This paper introduces the drainage principle，operation procedure，and existing problems of the system.The system is only suitable for a depth less than 9 m，and had low drainage efficiency.In order to solve these problems，a new bottom water drainage system，composed of a catchment room around the steel cofferdam bottom，the vacuum pump，and the submersible pump，was developed.The top of the catchment room was linked to the vacuum pump，forming an exhaust system.The submersible pump with the check valve was installed in the catchment room，forming a drainage system.Practical applications of the new system show that it has a higher drainage efficiency，and that the suitable depth significantly increases because it can break through the limitation of atmospheric pressure.

underwater overhaul device;steel cofferdam;exhaust system;drainage system;bottom water drainage system

TV734

B

1006-7647(2012)06-0064-03

10.3880/j.issn.1006-7647.2012.06.016

周和平(1964—)，男，江蘇泰興人，高級工程師，主要從事工程管理工作。E-mail:478985110@qq.com

2012-02-16 編輯:駱超)