新型水利工程深孔清淤除渣設備的研制

陶永霞，呂桂軍，楊 鵬

（1.黃河水利職業(yè)技術學院，河南 開封 475004；

2.小流域水利河南省高校工程技術研究中心，河南 開封 475004；3.武漢大學，湖北 武漢 430072；4.黃河水利委員會 河南河務局，河南 鄭州 450003）

新型水利工程深孔清淤除渣設備的研制

陶永霞1，2，呂桂軍1，2，楊 鵬3，4

（1.黃河水利職業(yè)技術學院，河南 開封 475004；

2.小流域水利河南省高校工程技術研究中心，河南 開封 475004；3.武漢大學，湖北 武漢 430072；4.黃河水利委員會 河南河務局，河南 鄭州 450003）

在水利工程施工中，當鉆孔較深且沉渣粒徑較大時，傳統(tǒng)的正循環(huán)、反循環(huán)清渣方式比較困難。針對存在的問題，研制了一種深孔潛水施工清渣、除淤裝置，分析了該裝置的技術原理，研究了設施優(yōu)選方案和技術結構。

水利工程；深孔沉渣；清渣裝置；設施結構；研制應用

0 引言

傳統(tǒng)的孔底清渣大多采用正循環(huán)法或反循環(huán)法。正循環(huán)、反循環(huán)清渣的共同原理是，利用泥漿的流動，將懸浮在泥漿中的鉆渣排出孔外［1～2］。從理論上講，只要沖洗液攜帶鉆渣的流速大于鉆渣在泥漿中的沉降速度，便可將鉆渣清出孔外［3］。但是，在清渣過程中，由于沿程水頭損失和局部水頭損失都很大，當鉆孔較深，且沉渣粒徑較大不能懸浮在泥漿中時，往往無法將沉渣從深孔中排出。因此，這兩種清渣方法施工效率低、成本高、困難大。為了克服深孔清渣中大粒徑沉渣難以清除的問題，我們開發(fā)出了一種潛水泵深井清渣裝置。該裝置需要動力小，操作靈活、方便，能夠?qū)⑸羁壮猎憬?、快速地清除，大幅度提高了深孔清渣的施工效率?/p>

1 深孔清渣裝置的原理及設施的優(yōu)選

1.1 技術原理

潛水泵清渣裝置是一種在技術、經(jīng)濟方面適合水利工程深孔清渣施工工藝技術的設備。它把潛水泵改造的清渣裝置潛入深孔中，循環(huán)不斷地抽取深孔中的泥漿，吸進潛水泵中的泥漿經(jīng)潛水泵加速后獲得初始動能，再經(jīng)由出漿孔口高速噴出。噴出的泥漿對孔底沉渣進行猛烈地沖擊攪動，使孔底沉渣沖起頂升，最后在重力和泥漿阻力作用下，開始回落，由集渣桶把回落的沉渣收集起來。裝滿沉渣的集渣裝置由地面的卷揚提升裝置提升到地面，進行出渣。如此往復，直到孔底清理到設計孔深。

1.2 設施優(yōu)選

（1）潛水泵。潛水泵的選擇受鉆孔直徑大小的限制。因此，該裝置選擇了直徑較小的QY型充油式潛水電泵為能量輸入裝置。QY型充油式潛水電泵由水泵、密封、電動機3部分組成。水泵位于電泵上部，為離心式或軸流式結構，電動機位于電泵下部，為充油式三相異步電動機，水泵和電動機之間采用內(nèi)裝式整體機械密封盒密封。該泵結構緊湊，軸承潤滑條件好，電機降溫效果好，單級或多級離心式葉輪，徑向?qū)~結構。根據(jù)鉆孔深度不同，選擇潛水泵的型號。

（2）潛水泵出漿管。潛水泵流量一定時，出漿管路的直徑越小，射出的液體流速越大。因此，該裝置采用內(nèi)徑為40mm的鋼管作為出漿管。

2 深孔清渣裝置結構分析

2.1 集渣桶設計

通過試驗發(fā)現(xiàn)，在沉渣上升范圍內(nèi)，存在一個收集沉渣的有效高度。多次試驗證明，這個范圍在沉渣上升的0.7m內(nèi)。在這段有效的集渣范圍內(nèi)，要把集渣桶的體積做的盡量大，以便一次收集的落渣足夠多。初步設計時，采用的是一層平底集渣桶的形式，桶口高度距離沉渣面0.6m。清渣時發(fā)現(xiàn)，桶中沉渣粒徑都很小，大粒徑沉渣很少。通過對沉渣理論粒徑的最大值和最小值進行分析，得出沉渣最大和最小粒徑的平均頂升高度。按此頂升高度，對集渣桶進行了雙層設計，第一層盡量收集大粒徑的落渣，第二層收集較小粒徑的落渣。每層桶高0.25m，兩層桶的間距為0.1m。這個高度正好處于有效集渣范圍內(nèi)。根據(jù)多次施工經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，集渣桶底做成錐形底比做成平底收集落渣的效率要高，可以有效減少一次出渣的循環(huán)時間，這也符合水力學的液體循環(huán)繞流原理。于是，第一層設計成了錐形底，傾角為45°（潛水泵深孔清渣系統(tǒng)如圖1所示）。這種形式符合流體力學原理，使碰到桶底的石渣沿傾斜方向在循環(huán)液流中繼續(xù)保持上升，減少了回彈能量消耗，降低了石渣上升的難度。石渣上升碰到桶底反彈方向如圖2所示。

圖1 潛水泵深孔清渣裝置示意圖Fig.1 Submersible pum p longhole scarfing cinder

實踐證明，兩層桶的總?cè)莘e比一層平底桶有所減小，但大粒徑落渣容易被底層收集，且每次集渣時間由原來平均的15min縮短到了不到10min，因此，加快了清渣速度，提高了施工效率。

2.2 沉渣上浮最大高度計算

在清渣裝置設計中，要計算沉渣的最大頂升高度。根據(jù)確定的沉渣最大頂升高度來定潛水泵出漿管路的最短長度。如果潛水泵出漿管路的長度小于最大沉渣頂升高度，將會有沉渣被吸入潛水泵，磨損潛水泵葉片。確定了出漿管路的最短長度，潛水泵在出漿管路中的局部水頭損失和沿程水頭損失就最小，更有利于沖渣。

在理論分析中，沉渣受到的重力小于等于它受到的浮力時，沉渣就能上浮。假定不規(guī)則沉渣為實心球體［4］，它受到的重力按公式（1）計算，受到的浮力按公式（2）計算。

圖2 第一層集渣桶底部傾角料渣導向示意圖Fig.2 The first layer slag pot dip slag direction

式中：d1為球形巖屑直徑，m；ρ1為巖屑顆粒密度，kg／m3。

式中：ρ2為井底泥漿液體的密度，kg／m3。

在沉渣上升過程中，泥漿阻力做負功，且阻力大小與沉渣粒徑大小直接相關。為使求得的最大頂升高度對泥漿泵運行有利，計算中，可以忽略該阻力，認為沖擊上升過程中只有重力、浮力做功。根據(jù)工程實際情況，確定泥漿液體的密度為1.2 g／cm3，沉渣的密度為2.4 g／cm3。若水泵流量為25m3／h，可以計算出泥漿流速為5.53m／s。采用極限分析法，認為沉渣被泥漿多次沖擊后也獲得該速度。把公式 （1）和（2）代入能量守恒方程得：

經(jīng)計算，沉渣最大頂升高度為1.6m。據(jù)此設定出漿管路長度為1.6m。施工實踐證明，在該高度處，泥漿泵運行良好，不會吸入沉渣。

3 結語

經(jīng)在開封市深井清淤除渣過程中試用，該裝置在滿足同樣設計要求的前提下，能夠提高施工效率，降低施工成本。比如，在鉆孔直徑為50 cm，清除粒徑20mm的沉渣時，用常規(guī)的正循環(huán)清渣法需要流量為70m3／h的水泵，地面還需要修建泥漿池進行沉渣，且對于深孔清渣效果往往不佳；而使用該裝置僅需要流量為25m3／h的潛水泵，也不需修建地面泥漿池，且清渣深度不受限制?？梢姡摲椒ū瘸Ｒ?guī)清渣方法更加優(yōu)越，且降低能耗、節(jié)省工程投資。

該裝置還有提高工效的空間，還需要繼續(xù)優(yōu)化。水力沖擊紊亂流態(tài)下的水力學問題非常復雜，很難用目前的流體力學和水力學理論完全解決，依靠實踐和試驗取得的相關參數(shù)的精確度還有待于進一步完善，以便進一步提高設計水平。

［1］胡斌.加強水利機械清淤的技術研究［J］.河南水利與南水北調(diào)，2007（10）：28-29.

［2］曹慧群，周建軍.我國水利清淤疏浚的發(fā)展與展望［J］.泥沙研究，2011（5）：67-72.

［3］王九林.鉆（沖）孔灌注樁清渣對策的探討［J］.探礦工程，2004（9）：6-9.

［4］劉強，夏柏如.非開挖施工中反循環(huán)清渣工藝的研究［J］.探礦工程，2009（2）：61-63.

[責任編輯 楊明慶]

TV53

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1008-486X（2015）01-0009-03

2014-06-20

黃河水利職業(yè)技術學院科研基金資助項目：黃河中下游地區(qū)深井清渣裝置的研制與應用(2014KXJS007)。

專利項目：《一種潛水泵深孔清渣裝置》2014.4.30，專利號：ZL 2013 2 0729851.0。

陶永霞（1971-），女，河南杞縣人，副教授，主要從事水利水電工程建筑設計、施工方面的教學與研究工作。