水工啟閉閘門高壓清污清淤系統(tǒng)研究

岳 峰，李國棟

（山西水務集團建設投資有限公司，山西 太原 030001）

從國家第一個五年計劃開始，水利設施作為第一產(chǎn)業(yè)的基礎列入國家戰(zhàn)略設施，進入了高速發(fā)展期。各參建單位根據(jù)不同的地域和環(huán)境，針對性地開發(fā)出很多新技術、新設備、新材料、新工藝，解決了農(nóng)業(yè)發(fā)展難題，推動了國民經(jīng)濟高速發(fā)展。

經(jīng)過60多年的超負荷運行，江河湖泊的各類閘門，臨海、臨河的啟閉設施，除自身物理變形導致性能下降外，受外部環(huán)境的長期作用，均出現(xiàn)了不同程度的老化破損，導致啟閉作業(yè)不能達到預期效果。因沿線河道挾砂、夾泥，閘板軌道內淤積堵塞、水草交纏，各種垃圾隨渦流無孔不入，干擾著水利設施的正常運行。現(xiàn)場勘察中發(fā)現(xiàn)，很多閘門在開啟泄洪后，不能準確啟閉回位；工作行程減少，無法快速啟閉運行；淤積物不斷增加，漏水現(xiàn)象普遍，閘板不能完全進入軌道。

近年來，水下清理打撈隊伍在流速不高，流量不大的小型啟閉設施附近，采取“蛙人”潛水作業(yè)，達到了清理的目的。但在大型河道、大中型水利樞紐以及市政污水閘板附近作業(yè)時，潛水人員遇到了因渦流吸附、水體污染物和有害氣體而無法逃生的危險情況。

各類臨水設施的啟閉閘門，均承擔著季節(jié)性和洪、枯期的調度運行職能。針對已運行和在建的各類大、中、小型水利樞紐，在總布置優(yōu)化方面普遍存在的啟閉閘門后期清淤的共性課題。有必要建立實體模型，推出前瞻性理念，探索新型應用成果。

1 啟閉系統(tǒng)高壓清淤系統(tǒng)分析

1.1 高壓清淤系統(tǒng)

要保障全天候、全過程、全方位，三位一體的閘門正常啟閉作業(yè)，就必須解決洪峰來臨前后，在水體急速流動、水位變化不定情況下的閘門啟閉。

啟閉系統(tǒng)高壓清淤設計，是在調勘上游水文數(shù)據(jù)、周邊地質影響區(qū)域、下游排放處理能力等相關資料情況下，采用高壓、高速高能的激動流體來推動介質，達到清淤的目的，這種體系化的系統(tǒng)稱為高壓清淤系統(tǒng) High-energydredging（HFD）。

1.2 HFD模型的理論參數(shù)計算

通常閘門底部設計類型多種多樣，采用的材質與啟閉重量各不相同，河床內自然狀態(tài)迥異，影響著流體的速度；水位升降，導致閘板所受外力均有差異；有不同的外界可變條件作用，也有相對穩(wěn)定的守恒法則。

人為因素一般是人為設定并且有序控制的，可以作為不變因素。環(huán)境變化是外界不可控因素，如何計算外力驅動能，針對閘板底部的雜物、淤泥、沉積性游動體，進行驅動能力的計算，確定高壓能，是清理和排污的關鍵控制參數(shù)。

1.2.1 閘板啟閉受力計算

開啟和關閉時，均需要清除堆積物，計算啟閉時底部承受的外力F，閘板啟閉受力計算公式如下：

式中：F——閘板啟閉時受力；

G——閘板自重（強制性硬性啟閉）；

H——水流深度；

F水——水壓力｛（隨深度增加，水中某一深度的壓強為 P=ρHg=9.8×103×HPa/m3，壓力F水=P×S（S受力面積）｝；

γ2——4℃水的比重（1000kg/m3）；

a——待清淤物體長度；

b——待清淤物體寬度；

h——待清淤物體高度，按閘板的全部行程計，

實際不會出現(xiàn)的滿負荷狀態(tài)；

γ1—砂石的比重（1600kg/m3）；

S——靜水狀態(tài)啟閉閘門，水體影響面積（迎水面的啟閉閘門前按50m估算，如無涌水和外界干擾，水域平衡時，水體影響的面積，按啟閉系統(tǒng)的寬度計算。如有洪峰來臨或大幅度的干擾變化，應根據(jù)實際測定調整。）

選取附近4條河流，9套啟閉系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結果顯示，受力數(shù)據(jù)呈線性函數(shù)分布，閘門啟閉時受力影響線如圖1所示。

圖1 閘門啟閉過程受力示意數(shù)圖

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，閘門開啟時，水流影響由大到小漸變；關閉時，水流影響由小到大漸變。水位以閘板為界限，在區(qū)間點交界位置平衡。

1.2.2 高壓清淤動力計算

要想達到清淤的目的，解決清淤的動力問題是首要任務。清淤動力要考慮自身重量、啟閉提升質量、水壓作用影響以及推動閘板啟閉時的淤積體，這個外源提供的高壓動力，需要具有一定可控范圍，安全系數(shù)能力內的高能沖擊力。

在閘門啟閉前，都可以直觀的、比較準確的測出淤積體厚度、體積和重量，加上水壓力作用影響?？紤]滿閘淤積，動力要滿足清淤體兩倍的富余系數(shù)。清淤驅動力公式如下：

式中：F’——清淤驅動力；

a——待清淤物體長度；

b——待清淤物體寬度；

h——待清淤物體高度，按閘板的全部行程計，

實際不會出現(xiàn)的滿負荷狀態(tài)；

γ1——砂石的質量體積比（1600kg/m3）；

P——水壓力。

1.2.3 動力源選擇

（1）原動力唯一時：

式中：W——動力源輸出動力；

F——閘板啟閉時受力；

F’——清淤驅動力。

（2）原動力分開匹配，功能性區(qū)分時：

式中：W——動力源輸出動力；

F’——清淤驅動力。

（3）通過動力輸出，推算外源電機功率：

式中：P’——外源電機功率，KW；

F’——清淤驅動力；

V——電機轉速；

η——輸入輸出能量轉換率，取0.8。

2 系統(tǒng)驅動與布置

清淤設備安裝便捷，在建項目的啟閉槽溝或啟閉軌道內，可預制或預埋高壓風管和高壓水管；運行中的啟閉設施，可以通過升級改造埋設清淤裝置；自身動力受限的設施，可以通過外載配置設備，進行清淤排污。

2.1 外源驅動方式

2.1.1 風管高能吹射式

電動機帶動空壓機，空壓機串聯(lián)送入儲風罐，罐內壓縮氣體壓強達到清除淤積體要求時，由下向上移動導軌，吹洗淤積體，同時啟閉作業(yè)開始。在高壓氣體作用下，清除淤積物體時，會產(chǎn)生共振氣泡，氣泡的翻涌會帶走細小的泥沙。大型河道、水壩、水利樞紐、水力發(fā)電站等設施的啟閉閘門采用此型高壓清淤裝置，可以起到排污清淤的目標。

2.1.2 水管高壓噴射式

用高壓管連接大功率渦輪泵，設備開啟時大功率渦輪泵增壓儲能，當揚程續(xù)接滿足清淤壓力時，利用高壓水流清除排污。高壓水流噴射時，輸水管路全線處于高壓作業(yè)狀態(tài)，這種方式對管道高壓耐受力要求很高。因此，小型水利工程、小型攔污治理設施，可采用此類型裝置清污。

2.1.3 閘門迎水面沖壓系統(tǒng)

閘門迎水側，增設沖壓系統(tǒng)，安裝埋設輔助性清淤裝置。當閘板長期在水中浸泡，以及泄洪和攔水啟閉閘門時，定時或不定時地啟動清污系統(tǒng)，可以避免閘門軌道附近淤塞、銹死隱患的發(fā)生。

2.2 高壓沖射清淤系統(tǒng)布置

2.2.1 運行中的水利設施清淤系統(tǒng)布置

對正在運行的閘板啟閉系統(tǒng)，增設外部掛載設施。北方河道受季節(jié)影響，豐水期與枯水期水位差異比較明顯，宜選擇枯水期進行施工作業(yè)。南方地區(qū)受氣候影響，水利設施一旦投入使用，啟閉系統(tǒng)升級改造比較困難，需進行圍堰建設改道排水后，再進行施工，確保不能帶水作業(yè)，否則影響沖射系統(tǒng)的埋設質量。

2.2.2 新建水利設施清淤系統(tǒng)布置

新建水利項目，直接根據(jù)啟閉閘門尺寸進行優(yōu)化設計，結合實際地質和需要，進行定制和安裝。

3 高壓沖射清淤系統(tǒng)的設計與施工

系統(tǒng)工作原理：利用高壓沖射流，對輻射范圍內的淤塞體進行噴射，松動的淤積物隨氣泡上涌，并通過連續(xù)作業(yè)，清除淤塞體，為能順利啟閉閘門，創(chuàng)造有利條件。閘門開啟，高速流體帶動淤塞物，通過閘門。

3.1 河道底部清淤范圍設計

3.1.1 清淤系統(tǒng)布置范圍

閘門迎水面前端，容易形成上游向下游的沖積沉淀。閘門關閉后，水流攜帶的泥沙緩慢堆積，在閘門底部形成淤積物，影響閘門的正常啟閉。

對新建和在建水利工程，啟閉閘門的清淤系統(tǒng)，應緊貼閘門迎水面布置。在了解上游水文情況和下游排放能力情況下，根據(jù)淤塞段寬度，調整底部高壓系統(tǒng)的布設寬。實現(xiàn)閘門附近無落體，閘板軌道不淤積，閘門前20m是防護中心。為閘門安全啟閉，預留不小于20m的清淤長度，就是高壓清淤系統(tǒng)的布設長度。

3.1.2 清淤系統(tǒng)布設位置與動力

啟閉閘門系統(tǒng)在設置時，就需要同時考慮清淤系統(tǒng)。啟閉閘門的軌道與清淤系統(tǒng)的軌道，可以共同使用即無間隙設置，也可以分開使用即緊貼設置，后者一般用于系統(tǒng)改造使用。

啟閉系統(tǒng)的動力供應，可以根據(jù)需要，兼顧清淤系統(tǒng)的使用。因清淤系統(tǒng)所需要的動力強大，啟閉系統(tǒng)與之兼顧協(xié)調，需要詳細地進行驗算。

3.2 高壓清淤系統(tǒng)施工

新建水利設施啟閉系統(tǒng)與高壓清淤系統(tǒng)相結合布設，要考慮軌道的共用問題。將啟閉軌道與清淤設施軌道基礎接觸部分與預埋件整體焊接，用高于原結構混凝土一個標號的混凝土進行澆筑養(yǎng)護。

共用軌道與閘門邊側接觸部分為外露的長條形保護體，斷面為“U”型槽體，整體連通，單側預留外源高壓氣體連接管或高壓流體連接管。中空鋼壁，沖孔呈梅花形布設，間距50cm，全斷面設置?！癠”型槽兩側壁與軌道同寬，也可以在軌道兩側加寬，在“U”型軌道底部，以軌道為軸線，向上下游輻射，保持清淤系統(tǒng)的正常使用即可。

啟閉系統(tǒng)與清淤系統(tǒng)軌道安裝完畢后，再進行上部外接系統(tǒng)的連接，在“U”型軌道上部，是啟閉提升裝置，清淤高壓管道與提升裝置共用支撐梁體。新建水利設施布設，啟閉與清污同時進行，清污跟隨上下行程進行工作。

改造項目實施時，因為在原來的軌道上無法布設清污孔，只能進行單側壁緊貼增設，高壓清淤管道，也成為單線循環(huán)的獨立系統(tǒng)。

增設的清淤系統(tǒng)，比新建的清淤系統(tǒng)軌道底部施工復雜。但是獨立系統(tǒng)使用后，清淤系統(tǒng)的底部可以布設為中空“Δ”型，輻射布孔呈梅花型，孔距50cm，單線倒扣“∧”型滑塊，頂部為直線式行走軌跡，電動機機械驅動，支撐導梁內埋設高壓管道，與清淤系統(tǒng)的中空吹射管相連通。驅動行走裝置后，高壓清污系統(tǒng)開始工作，倒扣“∧”型滑塊直線行走，在往返作業(yè)過程中，將淤積體驅離啟閉閘門。

3.3 系統(tǒng)材料的優(yōu)選

因為沖壓流體具有強大的動能，需要可靠的輸送管道，管道承壓力是關鍵驗收指標。如果選材出現(xiàn)問題，清淤系統(tǒng)不能正常發(fā)揮作用。要求完成驗算后，根據(jù)驗算結果，選擇高壓管材。

一是高強度、耐高壓標準。計算后，管材允許的承載壓值，能確保管道經(jīng)受高壓氣體和高壓水流的強力沖擊。用理論和試驗兩種檢驗方法同時進行檢驗，在受力極限情況下，高頻次地反復使用，檢驗管道的疲勞強度、耐內壓承受強度。

二是防腐、防老化標準。高壓清淤系統(tǒng)的管道，內壁承受強大的壓力和沖刷，外壁經(jīng)受潮濕環(huán)境和有害氣體的侵蝕。長時間在大氣中暴露、在水體中浸泡，在無遮擋狀態(tài)下風吹、日曬、雨淋、自然風化等影響著管道的使用壽命。因此，管道的防腐、防老化是重要的參考指標，沒有抗腐蝕和應對惡劣環(huán)境的能力，高壓清淤系統(tǒng)就無法長期運行。

三是手自一體化控制標準。正常狀態(tài)下，自動系統(tǒng)全天候作業(yè)，當系統(tǒng)程序或者自動化裝置出現(xiàn)故障時，啟閉系統(tǒng)必須能正常作業(yè)，就要求有備用方案，切換手動柴電設備，轉換為手動作業(yè)后，旋轉啟閉軸承，提升閘門，必須能保證泄洪的需要。

4 結語

確保機械系統(tǒng)正常運行，就要進行精心維護，充分利用最新科技手段進行技術監(jiān)測和有效維護。系統(tǒng)使用單位應通過不定期的“X”射線探傷，檢測承壓管道結構；通過聲波監(jiān)測，探測管道壁磨損情況；通過定位刻度，精確測量管道變形情況；通過支架定位，檢測管道的位移變化。

根據(jù)外界侵蝕和內在損傷的檢測判斷，制定可行的維護方案。對于外部銹蝕、表面劃痕性損傷，做外層涂裝修復；對于影響受力的內部節(jié)點損傷，必須果斷更換，備用整件和備用附件均要就近儲備，對等更換；對儲備性物資，進行計劃和統(tǒng)籌的合理安排，儲存的條件和環(huán)境，必須符合國家規(guī)范要求。

在使用過程中，承壓管道若發(fā)生管損，將影響系統(tǒng)的正常運行。對可能出現(xiàn)的整段爆裂或局部損點，要制定相關預案，如果發(fā)生意外，可以做到立即就位、止損修復。