大型輸水明渠清淤系統(tǒng)抗浮穩(wěn)定性分析

陳 建，劉琴琴，張會(huì)杰

（華北水利水電大學(xué)，鄭州450046）

大型長(zhǎng)距離輸水明渠在長(zhǎng)期運(yùn)行中不可避免會(huì)在渠道邊壁上沉積大量塵埃并有微生物滋生，影響輸水水質(zhì)及輸水能力。如南水北調(diào)中線總干渠1 432 km 長(zhǎng)的輸水明渠［1］，在底泥不能被水流自然沖刷的情況下，必須及時(shí)清理渠道及邊壁上的淤積物［2，3］。同時(shí)，南水北調(diào)輸水總干渠由于其特殊性與重要性，既不能停水清淤也不能在清淤過(guò)程中影響輸水水質(zhì)?，F(xiàn)今，國(guó)內(nèi)外對(duì)輸水明渠的清淤方式主要有水力清淤［4］（虹吸式和吸揚(yáng)式等）、機(jī)械清淤［5］（絞吸式挖泥船、耙吸式挖泥船和斗式挖泥船等）和擾動(dòng)清淤［6］（氣流擾動(dòng)和水流擾動(dòng)）。另外，隨著科技的蓬勃發(fā)展，也出現(xiàn)了較為先進(jìn)的水下機(jī)器人管道清淤［7］方式。除此之外，精準(zhǔn)環(huán)保清淤技術(shù)倍受環(huán)保、管理等部門(mén)和其他科研工作者的重視，特別是像南水北調(diào)大型輸水明渠與城市景觀河道中的清淤工作［8-10］。如黃河水利科學(xué)研究院推出的吸盤(pán)式管道排沙環(huán)保清淤技術(shù)［11］和盧德明等［12］提出對(duì)絞吸式挖泥船進(jìn)行改裝實(shí)現(xiàn)密閉環(huán)保清淤。課題組以南水北調(diào)中線總干渠為例，在已有的研究基礎(chǔ)上創(chuàng)新性的利用氣動(dòng)沖淤法［13］，提出了一套在清淤過(guò)程中既不影響輸水水質(zhì)也不停水清淤的新方案。

本文主要對(duì)整體清淤系統(tǒng)在動(dòng)水作業(yè)中的穩(wěn)定性進(jìn)行受力分析與計(jì)算，并通過(guò)模型試驗(yàn)按南水北調(diào)中線總干渠幾何比尺，模擬動(dòng)水環(huán)境下整體清淤系統(tǒng)在明渠中的水流特性，驗(yàn)證整體清淤系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可行性，并為不停水清淤、穿河、渠等擋水建筑物的穩(wěn)定性研究提供參考。

1 清淤系統(tǒng)概況

課題組針對(duì)南水北調(diào)大型輸水明渠不能停水清淤，且在清淤程中也不能影響其輸水水質(zhì)的特殊要求，專(zhuān)門(mén)為此類(lèi)大型輸水渠道設(shè)計(jì)了一套精準(zhǔn)、高效、環(huán)保、密閉的清淤系統(tǒng)。即在不停水情況下對(duì)大型深水渠道邊坡、渠底進(jìn)行清淤，目的是解決大型、長(zhǎng)距離輸水明渠的淤積問(wèn)題。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖，見(jiàn)圖1，主要由水下和岸上兩部分系統(tǒng)組成，其中水下部分由6 個(gè)清淤倉(cāng)組成，單個(gè)清淤倉(cāng)尺寸長(zhǎng)寬高分別為3.5 m×1.8 m×0.1 m，圖中渠道為南水北調(diào)中線總干渠橫斷面的1/2。因此，整體清淤在動(dòng)水環(huán)境下的工作穩(wěn)定性就是本文解決的主要問(wèn)題。

圖1 射流清淤系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of jet dredging system

理論計(jì)算主要參考《結(jié)構(gòu)力學(xué)》［14］和《材料力學(xué)》［15］等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行受力分析，并通過(guò)水槽模型試驗(yàn)驗(yàn)證了不停水狀態(tài)下設(shè)計(jì)流量25.69 L/s（260 m3/s）對(duì)應(yīng)的水位，以及對(duì)清淤系統(tǒng)整體的水動(dòng)力特性的影響。以清淤系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性、可行性為目的，進(jìn)一步明確動(dòng)水環(huán)境中的擾流物對(duì)水流流態(tài)的影響特征。

2 清淤系統(tǒng)整體穩(wěn)定性計(jì)算

2.1 水下系統(tǒng)清淤倉(cāng)的受力計(jì)算

2.1.1 系統(tǒng)整體自重計(jì)算

經(jīng)概算比較選用H 型鋼作為水下系統(tǒng)連接各清淤倉(cāng)單元的連接桁架，依據(jù)水下系統(tǒng)所受荷載分析，主要考慮按強(qiáng)度與剛度計(jì)算［16］。最終，通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算選取材料尺寸為200 mm×200 mm×8 mm×12 mm的H型鋼為整體清淤系統(tǒng)連接桁架，其他主要部件自重計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)主要部件自重 NTab.1 Self-weight unit of main components of the system

南水北調(diào)中線總干渠（鄭州段）渠道水力邊界條件：渠道邊坡比為1∶2.25，渠底寬L=14 m，設(shè)計(jì)流量Q=260 m3/s，對(duì)應(yīng)水深7 m，清淤系統(tǒng)整體單元主要受力情況見(jiàn)圖2。

圖2 清淤系統(tǒng)整體受力示意圖Fig.2 Overall force diagram of desilting system

2.1.2 清淤系統(tǒng)作用力計(jì)算

根據(jù)不同的工作單元體型設(shè)計(jì)，按最不利條件計(jì)算水流對(duì)清淤系統(tǒng)的作用力與岸上動(dòng)力車(chē)處的連接支點(diǎn)。

根據(jù)水流對(duì)清淤系統(tǒng)的作用力公式：

式中：ρ為流體水的密度，取ρ=1 000 kg/m3；v為來(lái)流流速1.1 m/s，C0為單元體的水流對(duì)清淤系統(tǒng)的作用力系數(shù)，根據(jù)Stoke 定理，C0=24/Re通常C0=0.5～1.0，取C0=1；A為物體迎水面面積，此處即清淤倉(cāng)的迎水面面積A=0.35 m2。

經(jīng)公式（1）計(jì)算單個(gè)清淤倉(cāng)所受的作用力為211.75 N，同理計(jì)算出6個(gè)清淤倉(cāng)所受的作用力為1 270.5 N。

2.1.3 水下清淤倉(cāng)的推移力、沖擊力和上舉力計(jì)算

根據(jù)受力分析見(jiàn)圖2（b），分別對(duì)水下清淤倉(cāng)的推移力、沖擊力和上舉力計(jì)算：

（1）推移力。南水北調(diào)中線總干渠為明渠均勻流，水深7 m，鄭州段水力比降約為1/280 000，水流對(duì)清淤倉(cāng)（擋水物）推移力見(jiàn)圖3，由水流推移力公式：

圖3 水流推移力示意圖Fig.3 Diagram of flow passage force

式中：P推移力為水流推移力，kN/m2；γω為水的容重，kN/m3，取9.8 kN/m3；H為水深，m，取7 m；J為水力比降，取1/280 000。

由公式2 計(jì)算水流對(duì)單個(gè)清淤倉(cāng)的推移力（2.45×10-4kN/m2）乘以清淤倉(cāng)迎水面面積（0.35 m2）為8.575×10-2N，對(duì)整體清淤系統(tǒng)的推移力P推移力為0.515 N。

（2）沖擊力。水流對(duì)阻流面的沖擊力見(jiàn)圖4，由公式：

圖4 水流沖擊力示意圖Fig.4 Chart of water impact force

式中：P沖擊力為水流的沖擊力，kN/m2；κ為繞流系數(shù)，對(duì)實(shí)體壩而言，壩身寬度與長(zhǎng)度相比小得多時(shí)，取1.0，寬度與長(zhǎng)度大致相等時(shí)取0.7，根據(jù)清淤倉(cāng)體積長(zhǎng)寬高，此計(jì)算取1；γω為水的容重，kN/m3，取9.8 kN/m3；h為阻流面高度，m，不漫水時(shí)為阻流面前的水深，漫水時(shí)為阻流物的高度，此計(jì)算為漫水情況，取清淤倉(cāng)高度h為0.1 m；g為重力加速度，取9.8 m/s2；α為水流沖擊方向與阻流面的夾角，°，取90°；v為靠近阻流面處的水流斷面平均流速，m/s，取1.1 m/s。

由公式（3）計(jì)算水流對(duì)單個(gè)清淤倉(cāng)阻流面的沖擊力P沖擊力（0.121 kN/m2）乘以面積0.35 m2為42 N，則清淤系統(tǒng)整體在半渠底與邊坡水流對(duì)阻流面的沖擊力為252 N。

（3）上舉力。水流對(duì)清淤倉(cāng)防護(hù)面的上舉力，由公式：

式中：η為與護(hù)面結(jié)構(gòu)有關(guān)的試驗(yàn)系數(shù)，光滑連續(xù)護(hù)面時(shí)取1.1～1.2；單個(gè)構(gòu)件組成護(hù)面取1.5～1.6，此處η取1.2；μ為與護(hù)面透水性有關(guān)的試驗(yàn)系數(shù)，滲水時(shí)取0.1，不透水時(shí)取0.3，此處μ取0.3；其他符號(hào)含義與公式（3）同。

由公式（4）計(jì)算水流對(duì)單個(gè)清淤倉(cāng)的上舉力P上舉力為0.218 kN/m2乘以阻流面面積7.02 m2為1 530 N，則對(duì)整體清淤系統(tǒng)在半渠底與邊坡水流對(duì)清淤倉(cāng)面的上舉力9 180 N。

2.1.4 浮力計(jì)算

（1）清淤倉(cāng)的浮力計(jì)算。當(dāng)整體系統(tǒng)工作時(shí)，6個(gè)清淤倉(cāng)全都在水面下，根據(jù)阿基米德原理公式（5），計(jì)算出水下清淤倉(cāng)所受浮力F清淤倉(cāng)= 37 044N。

式中：ρ為流體水的密度，取ρ=1 000 kg/m3；g 為重力加速度，取9.8 N/kg；V為排開(kāi)水的體積。

（2）系統(tǒng)的其他部件浮力計(jì)算。清淤系統(tǒng)主要部件見(jiàn)表1，同理按公式（3）、（5）計(jì)算成果如下：①H 型鋼桁架截面面積0.006 4 m2，長(zhǎng)度需145 m，體積0.928 m3，所受浮力F桁架=9 094.4 N；②自走輪所受浮力F自走輪=1 500 N；③電機(jī)所受浮力F電機(jī)=1 020 N；④系統(tǒng)單元工作時(shí)風(fēng)刀對(duì)清淤倉(cāng)的上沖力：F風(fēng)刀對(duì)清淤倉(cāng)=1 900 N。

天脊集團(tuán)明確規(guī)定：對(duì)于各種不可預(yù)測(cè)的重大變化或各類(lèi)突發(fā)事故和事件，一旦發(fā)生，責(zé)任單位必須第一時(shí)間匯報(bào)調(diào)度指揮中心，啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)程序，及時(shí)制定有效措施，加快對(duì)重大變化的跟蹤落實(shí)與處理，實(shí)現(xiàn)變化的有效控制，并及時(shí)匯報(bào)進(jìn)展情況，以便科學(xué)決策與精準(zhǔn)指揮。

2.2 附加力穩(wěn)定性計(jì)算

為了增加清淤倉(cāng)單元的抗浮穩(wěn)定安全度，提高與壁面的吸附性和密封性，在每一個(gè)清淤倉(cāng)單元兩側(cè)設(shè)計(jì)工業(yè)真空吸盤(pán)，單個(gè)清淤倉(cāng)模型（1∶10）安裝的工業(yè)真空吸盤(pán)布置見(jiàn)圖5～6。利用工業(yè)設(shè)計(jì)使用的n個(gè)工業(yè)真空吸盤(pán)群的吸附力的計(jì)算公式：

圖5 單個(gè)清淤倉(cāng)布置工藝吸盤(pán)剖面圖Fig.5 Profile of suction plate for single dredging bin layout

式中：W為吸盤(pán)吸力，kg；S為吸盤(pán)面積，cm2；P為氣壓，kg/cm2，真空度取-60 kPa（0.6 kg/cm2）；μ為安全系數(shù)，實(shí)際工程應(yīng)用中安全系數(shù)一般≥2，取2.5。

設(shè)清淤系統(tǒng)整體自重為F1，整體所受浮力為F2，可得浮力50 558.4 N小于自重67 557.8 N即：

清淤系統(tǒng)不會(huì)上浮，抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)表達(dá)為：

根據(jù)相關(guān)資料［16］水下抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)一般取Kf≥1.10，本清淤系統(tǒng)的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為1.34，因此，清淤系統(tǒng)滿足抗浮穩(wěn)定安全要求。

此外，通過(guò)計(jì)算4 個(gè)直徑為0.6 m 的吸盤(pán)吸附力為0.31，可使單元系統(tǒng)的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)由1.34 提高到1.48。因此，安裝工業(yè)吸盤(pán)可以提高清淤單元系統(tǒng)的抗浮穩(wěn)定性，使清淤工作更加安全與穩(wěn)定。

圖6 清淤倉(cāng)兩側(cè)分別安裝2個(gè)工業(yè)真空吸盤(pán)Fig.6 Two industrial vacuum suckers installed on both sides of the dredging bin

2.3 岸上系統(tǒng)自重概算

馬道上集成控制系統(tǒng)總的重力由牛頓定律：

式中：m為物體質(zhì)量，kg；g為重力加速度，取9.8 N/kg。

3 水動(dòng)力模型試驗(yàn)

清淤系統(tǒng)在滿足理論受力分析時(shí)，為進(jìn)一步驗(yàn)證模型在渠道內(nèi)的可行性，進(jìn)行了水動(dòng)力模型試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證清淤系統(tǒng)在渠道中的穩(wěn)定性，同時(shí)分析清淤系統(tǒng)對(duì)渠道過(guò)水?dāng)嗝嫣幩σ氐淖兓卣骷傲鲌?chǎng)影響。

3.1 模型設(shè)計(jì)

3.1.1 模擬范圍

任意截取南水北調(diào)中線總干渠（鄭州段）順?biāo)鞣较虻拈L(zhǎng)度56 m，且由渠道為左右對(duì)稱(chēng)的規(guī)則梯形渠道，所以渠道水力特性參數(shù)在左右兩側(cè)基本一致。

3.1.2 模型渠道設(shè)計(jì)

按照《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》［18］設(shè)計(jì)的要求，模型設(shè)計(jì)為定床、正態(tài)水力模型，滿足重力相似準(zhǔn)則，并根據(jù)紊動(dòng)阻力相似的要求。根據(jù)模擬研究任務(wù)，清淤系統(tǒng)模型幾何比尺為λL=40，模型主要幾何比尺見(jiàn)表2。

表2 模型主要幾何比尺Tab.2 Model main geometric scales

水力模型試驗(yàn)［19］的渠道在某驗(yàn)室借用南水北調(diào)中線一期某工程出水口段水工模型水槽，梯形渠道長(zhǎng)500 m，底寬0.34 m，邊坡比1∶2.25（比尺1∶23）?？紤]清淤模型（1∶40）與渠道模型比尺不同步，經(jīng)計(jì)算渠道比尺僅與模型比尺底寬相差1 cm，且坡比不變。因此，本次試驗(yàn)按照清淤模型比尺換算的實(shí)際工況流量與控制尾門(mén)水位與原型流量與和水位相符，制作的渠道模型俯視圖見(jiàn)圖7，邊坡比為1∶2.25，底寬0.34 m（原型14 m），渠段采用PVC 高密度板預(yù)制，糙率可以達(dá)到0.018，能夠滿足模型阻力相似要求。整體水力模型試驗(yàn)采用循環(huán)式供水結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖8。

圖7 模型渠道Fig.7 Model channel

圖8 水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of circulating system structure of water tank

3.1.3 主要測(cè)試斷面與測(cè)試點(diǎn)布設(shè)

模型試驗(yàn)采集水位、流速、流態(tài)等水力要素，測(cè)量點(diǎn)分別為清淤系統(tǒng)所在位置的上、中、下游橫斷面編號(hào)為1～3，依次間隔一個(gè)清淤倉(cāng)布設(shè)作為流速測(cè)點(diǎn)，在清淤倉(cāng)兩側(cè)邊緣處依次布設(shè)水位測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖9。

圖9 測(cè)量區(qū)域測(cè)點(diǎn)斷面布置圖Fig.9 Section layout of measuring points in measuring area

經(jīng)多次調(diào)試，水流流速在清淤裝置上游斷面11.5 cm 處開(kāi)始有明顯變化，在縱向渠道中線間隔10 cm 處右岸水流流速無(wú)明顯變化，模型水流系統(tǒng)可正常運(yùn)行，滿足試驗(yàn)要求。

3.2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

水力模型試驗(yàn)采用動(dòng)水環(huán)境，完全按照南水北調(diào)中線總干渠設(shè)計(jì)流量25.69 L/s（原型260 m3/s）對(duì)應(yīng)下游控制的尾水位為26.5 cm（原型7 m），水位、流速、流態(tài)等水力要素，見(jiàn)表3。

由表3，圖10，上游水位相對(duì)于下游水位變化平緩，主要原因是清淤系統(tǒng)阻擋了渠道內(nèi)相對(duì)平行的水流形態(tài)，使上下游產(chǎn)生壅水，導(dǎo)致清淤系統(tǒng)下游處流速增大。主要在測(cè)量點(diǎn)3～5 看出清淤倉(cāng)渠底與邊坡這3 個(gè)清淤倉(cāng)之間形成的水位差較為明顯，其中最大水位差為0.41 cm，產(chǎn)生的壅水在82 cm 處以后可以恢復(fù)自然擾流狀態(tài)。

圖10 25.69 L/s時(shí)上下游水位變化圖Fig.10 25.69 L/s upstream and downstream water level change

表3 25.69 L/s試驗(yàn)工況下的水力要素測(cè)量值（模型）Tab.3 25.69 L/s hydraulic factor measurement valuesunder test conditions（model）

圖11 25.69 L/s時(shí)上下游流速變化圖Fig.11 25.69 L/s upstream and downstream velocity variation

由表3，圖10～11，上游表面流速和下游渠底流速變化平穩(wěn)；由于水下系統(tǒng)清淤倉(cāng)在渠道的橫截面上的阻水影響，在設(shè)計(jì)流速對(duì)應(yīng)的下游水位26.5 cm 下，使測(cè)量點(diǎn)1上、下游無(wú)流速變化，只有水位變化以及測(cè)量點(diǎn)2 表現(xiàn)出上游流速變化，清淤倉(cāng)背水側(cè)水位無(wú)變化；表3、圖10 看出，清淤倉(cāng)上游水位平緩為17.5～17.49 cm，下游水位在測(cè)量點(diǎn)3 處，水位為17.31 cm 高于測(cè)量點(diǎn)2 和4 處水位17.28 cm，產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因，清淤倉(cāng)的擾流作用以及水位未能完全淹沒(méi)邊坡上的清淤倉(cāng)，使水流流態(tài)斜向渠道一側(cè)；在清淤系統(tǒng)上游，由于清淤系統(tǒng)的阻水作用，上游出現(xiàn)兩個(gè)回流區(qū)，下游出現(xiàn)一個(gè)回流區(qū)，當(dāng)經(jīng)過(guò)清淤系統(tǒng)測(cè)量點(diǎn)斷面3后，流態(tài)與渠底平行，見(jiàn)圖12。

圖12 流場(chǎng)-流態(tài)特征Fig.12 Flow-flow pattern characteristics

3.3 水流對(duì)清淤系統(tǒng)的作用力測(cè)量

通過(guò)彈簧拉力計(jì)，渠道中所受的作用力之和約為7.65 N（原型306 N）（忽略渠道與清淤倉(cāng)之間的摩擦力）見(jiàn)圖13。此時(shí)，馬道上集成控制系統(tǒng)提供的扭矩支點(diǎn)足夠提供清淤系統(tǒng)在渠道內(nèi)遇到最不利情況下的受力變化。在測(cè)力試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該流量對(duì)應(yīng)水位下清淤系統(tǒng)不穩(wěn)定性變化主要集中在渠底。由第2.1 節(jié)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果可知，通過(guò)在渠底增加工業(yè)真空吸盤(pán)固定于渠底，使抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)提高到1.80，由公式（8）計(jì)算，得清淤系統(tǒng)重力與吸盤(pán)吸力之和為107 438.31 N，大于水流對(duì)清淤系統(tǒng)的作用力之和60 296.9 N［其中水下清淤倉(cāng)的推移力+沖擊力+上舉力和為（9 432.5 N）、清淤系統(tǒng)浮力50 558.4 N、水流對(duì)清淤系統(tǒng)的作用力306 N］。因此，由水流對(duì)清淤系統(tǒng)的作用力測(cè)量驗(yàn)證，滿足清淤系統(tǒng)在動(dòng)水環(huán)境下穩(wěn)定性作業(yè)的要求。

圖13 動(dòng)水環(huán)境下彈簧測(cè)力計(jì)Fig.13 Spring dynamometer under hydrodynamic condition

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)清淤系統(tǒng)整體進(jìn)行受力分析、計(jì)算與模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了清淤系統(tǒng)在動(dòng)水環(huán)境下的水力要素及穩(wěn)定性，主要得出：

（1）清淤系統(tǒng)穩(wěn)定性計(jì)算：①選用200 mm×200 mm×8 mm×12 mm 的H 型鋼作為水下系統(tǒng)連接各清淤倉(cāng)單元的連接桁架；②系統(tǒng)主要部件自重67 557.8 N，大于水下系統(tǒng)清淤整體所受浮力50 558.4 N；③通過(guò)計(jì)算附加應(yīng)力，結(jié)果表明增加4 個(gè)直徑為0.6 m的吸盤(pán)，其吸附力為39 880.5N，可使整體系統(tǒng)的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)由1.13 提高到1.80，以提高清淤單元系統(tǒng)的抗浮穩(wěn)定性，使清淤工作更加安全穩(wěn)定。

（2）清淤系統(tǒng)水動(dòng)力模型試驗(yàn)：①當(dāng)設(shè)計(jì)流量為25.69 L/s時(shí)，產(chǎn)生的壅水變化主要表現(xiàn)在邊坡第二、三個(gè)清淤倉(cāng)處，最大水位差為0.41 cm，下游水位較上游水位變化大，主要在下游測(cè)量點(diǎn)3 處，水位為17.31 cm 高于下游測(cè)量點(diǎn)2 和4 處水位17.28 cm，但在82 cm 處以后，流態(tài)恢復(fù)自然；②通過(guò)計(jì)算和水力模型試驗(yàn)驗(yàn)證，在清淤倉(cāng)兩側(cè)安裝工業(yè)真空吸盤(pán)后，吸盤(pán)力為107438.31 N，大于水流對(duì)清淤系統(tǒng)的作用力，滿足清淤倉(cāng)在動(dòng)水環(huán)境下穩(wěn)定性作業(yè)的要求。 □