岳 峰，李國(guó)棟

（山西水務(wù)集團(tuán)建設(shè)投資有限公司，山西 太原 030001）

從國(guó)家第一個(gè)五年計(jì)劃開始，水利設(shè)施作為第一產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)列入國(guó)家戰(zhàn)略設(shè)施，進(jìn)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(duì)性地開發(fā)出很多新技術(shù)、新設(shè)備、新材料、新工藝，解決了農(nóng)業(yè)發(fā)展難題，推動(dòng)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展。

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

近年來(lái)，水下清理打撈隊(duì)伍在流速不高，流量不大的小型啟閉設(shè)施附近，采取“蛙人”潛水作業(yè)，達(dá)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(shí)，潛水人員遇到了因渦流吸附、水體污染物和有害氣體而無(wú)法逃生的危險(xiǎn)情況。

各類臨水設(shè)施的啟閉閘門，均承擔(dān)著季節(jié)性和洪、枯期的調(diào)度運(yùn)行職能。針對(duì)已運(yùn)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(shí)體模型，推出前瞻性理念，探索新型應(yīng)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(guò)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(lái)臨前后，在水體急速流動(dòng)、水位變化不定情況下的閘門啟閉。

啟閉系統(tǒng)高壓清淤設(shè)計(jì)，是在調(diào)勘上游水文數(shù)據(jù)、周邊地質(zhì)影響區(qū)域、下游排放處理能力等相關(guān)資料情況下，采用高壓、高速高能的激動(dòng)流體來(lái)推動(dòng)介質(zhì)，達(dá)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(jì)算

通常閘門底部設(shè)計(jì)類型多種多樣，采用的材質(zhì)與啟閉重量各不相同，河床內(nèi)自然狀態(tài)迥異，影響著流體的速度；水位升降，導(dǎo)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(duì)穩(wěn)定的守恒法則。

人為因素一般是人為設(shè)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(jì)算外力驅(qū)動(dòng)能，針對(duì)閘板底部的雜物、淤泥、沉積性游動(dòng)體，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)能力的計(jì)算，確定高壓能，是清理和排污的關(guān)鍵控制參數(shù)。

1.2.1 閘板啟閉受力計(jì)算

開啟和關(guān)閉時(shí)，均需要清除堆積物，計(jì)算啟閉時(shí)底部承受的外力F，閘板啟閉受力計(jì)算公式如下：

式中：F——閘板啟閉時(shí)受力；

G——閘板自重（強(qiáng)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(qiáng)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(zhǎng)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(jì)，

實(shí)際不會(huì)出現(xiàn)的滿負(fù)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(wú)涌水和外界干擾，水域平衡時(shí)，水體影響的面積，按啟閉系統(tǒng)的寬度計(jì)算。如有洪峰來(lái)臨或大幅度的干擾變化，應(yīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)定調(diào)整。）

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

圖1 閘門啟閉過(guò)程受力示意數(shù)圖

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

1.2.2 高壓清淤動(dòng)力計(jì)算

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

在閘門啟閉前，都可以直觀的、比較準(zhǔn)確的測(cè)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(dòng)力要滿足清淤體兩倍的富余系數(shù)。清淤驅(qū)動(dòng)力公式如下：

式中：F’——清淤驅(qū)動(dòng)力；

a——待清淤物體長(zhǎng)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(jì)，

實(shí)際不會(huì)出現(xiàn)的滿負(fù)荷狀態(tài)；

γ1——砂石的質(zhì)量體積比（1600kg/m3）；

P——水壓力。

1.2.3 動(dòng)力源選擇

（1）原動(dòng)力唯一時(shí)：

式中：W——?jiǎng)恿υ摧敵鰟?dòng)力；

F——閘板啟閉時(shí)受力；

F’——清淤驅(qū)動(dòng)力。

（2）原動(dòng)力分開匹配，功能性區(qū)分時(shí)：

式中：W——?jiǎng)恿υ摧敵鰟?dòng)力；

F’——清淤驅(qū)動(dòng)力。

（3）通過(guò)動(dòng)力輸出，推算外源電機(jī)功率：

式中：P’——外源電機(jī)功率，KW；

F’——清淤驅(qū)動(dòng)力；

V——電機(jī)轉(zhuǎn)速；

η——輸入輸出能量轉(zhuǎn)換率，取0.8。

2 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)與布置

清淤設(shè)備安裝便捷，在建項(xiàng)目的啟閉槽溝或啟閉軌道內(nèi)，可預(yù)制或預(yù)埋高壓風(fēng)管和高壓水管；運(yùn)行中的啟閉設(shè)施，可以通過(guò)升級(jí)改造埋設(shè)清淤裝置；自身動(dòng)力受限的設(shè)施，可以通過(guò)外載配置設(shè)備，進(jìn)行清淤排污。

2.1 外源驅(qū)動(dòng)方式

2.1.1 風(fēng)管高能吹射式

電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空壓機(jī)，空壓機(jī)串聯(lián)送入儲(chǔ)風(fēng)罐，罐內(nèi)壓縮氣體壓強(qiáng)達(dá)到清除淤積體要求時(shí)，由下向上移動(dòng)導(dǎo)軌，吹洗淤積體，同時(shí)啟閉作業(yè)開始。在高壓氣體作用下，清除淤積物體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振氣泡，氣泡的翻涌會(huì)帶走細(xì)小的泥沙。大型河道、水壩、水利樞紐、水力發(fā)電站等設(shè)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(biāo)。

2.1.2 水管高壓噴射式

用高壓管連接大功率渦輪泵，設(shè)備開啟時(shí)大功率渦輪泵增壓儲(chǔ)能，當(dāng)揚(yáng)程續(xù)接滿足清淤壓力時(shí)，利用高壓水流清除排污。高壓水流噴射時(shí)，輸水管路全線處于高壓作業(yè)狀態(tài)，這種方式對(duì)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(shè)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(cè)，增設(shè)沖壓系統(tǒng)，安裝埋設(shè)輔助性清淤裝置。當(dāng)閘板長(zhǎng)期在水中浸泡，以及泄洪和攔水啟閉閘門時(shí)，定時(shí)或不定時(shí)地啟動(dòng)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(yùn)行中的水利設(shè)施清淤系統(tǒng)布置

對(duì)正在運(yùn)行的閘板啟閉系統(tǒng)，增設(shè)外部掛載設(shè)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(jìn)行施工作業(yè)。南方地區(qū)受氣候影響，水利設(shè)施一旦投入使用，啟閉系統(tǒng)升級(jí)改造比較困難，需進(jìn)行圍堰建設(shè)改道排水后，再進(jìn)行施工，確保不能帶水作業(yè)，否則影響沖射系統(tǒng)的埋設(shè)質(zhì)量。

2.2.2 新建水利設(shè)施清淤系統(tǒng)布置

新建水利項(xiàng)目，直接根據(jù)啟閉閘門尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)和需要，進(jìn)行定制和安裝。

3 高壓沖射清淤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工

系統(tǒng)工作原理：利用高壓沖射流，對(duì)輻射范圍內(nèi)的淤塞體進(jìn)行噴射，松動(dòng)的淤積物隨氣泡上涌，并通過(guò)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(dòng)淤塞物，通過(guò)閘門。

3.1 河道底部清淤范圍設(shè)計(jì)

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(guān)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(duì)新建和在建水利工程，啟閉閘門的清淤系統(tǒng)，應(yīng)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(diào)整底部高壓系統(tǒng)的布設(shè)寬。實(shí)現(xiàn)閘門附近無(wú)落體，閘板軌道不淤積，閘門前20m是防護(hù)中心。為閘門安全啟閉，預(yù)留不小于20m的清淤長(zhǎng)度，就是高壓清淤系統(tǒng)的布設(shè)長(zhǎng)度。

3.1.2 清淤系統(tǒng)布設(shè)位置與動(dòng)力

啟閉閘門系統(tǒng)在設(shè)置時(shí)，就需要同時(shí)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(wú)間隙設(shè)置，也可以分開使用即緊貼設(shè)置，后者一般用于系統(tǒng)改造使用。

啟閉系統(tǒng)的動(dòng)力供應(yīng)，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(dòng)力強(qiáng)大，啟閉系統(tǒng)與之兼顧協(xié)調(diào)，需要詳細(xì)地進(jìn)行驗(yàn)算。

3.2 高壓清淤系統(tǒng)施工

新建水利設(shè)施啟閉系統(tǒng)與高壓清淤系統(tǒng)相結(jié)合布設(shè)，要考慮軌道的共用問(wèn)題。將啟閉軌道與清淤設(shè)施軌道基礎(chǔ)接觸部分與預(yù)埋件整體焊接，用高于原結(jié)構(gòu)混凝土一個(gè)標(biāo)號(hào)的混凝土進(jìn)行澆筑養(yǎng)護(hù)。

共用軌道與閘門邊側(cè)接觸部分為外露的長(zhǎng)條形保護(hù)體，斷面為“U”型槽體，整體連通，單側(cè)預(yù)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(shè)，間距50cm，全斷面設(shè)置?！癠”型槽兩側(cè)壁與軌道同寬，也可以在軌道兩側(cè)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(jìn)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(shè)施布設(shè)，啟閉與清污同時(shí)進(jìn)行，清污跟隨上下行程進(jìn)行工作。

改造項(xiàng)目實(shí)施時(shí)，因?yàn)樵谠瓉?lái)的軌道上無(wú)法布設(shè)清污孔，只能進(jìn)行單側(cè)壁緊貼增設(shè)，高壓清淤管道，也成為單線循環(huán)的獨(dú)立系統(tǒng)。

增設(shè)的清淤系統(tǒng)，比新建的清淤系統(tǒng)軌道底部施工復(fù)雜。但是獨(dú)立系統(tǒng)使用后，清淤系統(tǒng)的底部可以布設(shè)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(dòng)機(jī)機(jī)械驅(qū)動(dòng)，支撐導(dǎo)梁內(nèi)埋設(shè)高壓管道，與清淤系統(tǒng)的中空吹射管相連通。驅(qū)動(dòng)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(guò)程中，將淤積體驅(qū)離啟閉閘門。

3.3 系統(tǒng)材料的優(yōu)選

因?yàn)闆_壓流體具有強(qiáng)大的動(dòng)能，需要可靠的輸送管道，管道承壓力是關(guān)鍵驗(yàn)收指標(biāo)。如果選材出現(xiàn)問(wèn)題，清淤系統(tǒng)不能正常發(fā)揮作用。要求完成驗(yàn)算后，根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，選擇高壓管材。

一是高強(qiáng)度、耐高壓標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)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(qiáng)力沖擊。用理論和試驗(yàn)兩種檢驗(yàn)方法同時(shí)進(jìn)行檢驗(yàn)，在受力極限情況下，高頻次地反復(fù)使用，檢驗(yàn)管道的疲勞強(qiáng)度、耐內(nèi)壓承受強(qiáng)度。

二是防腐、防老化標(biāo)準(zhǔn)。高壓清淤系統(tǒng)的管道，內(nèi)壁承受強(qiáng)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(zhǎng)時(shí)間在大氣中暴露、在水體中浸泡，在無(wú)遮擋狀態(tài)下風(fēng)吹、日曬、雨淋、自然風(fēng)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(biāo)，沒(méi)有抗腐蝕和應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境的能力，高壓清淤系統(tǒng)就無(wú)法長(zhǎng)期運(yùn)行。

三是手自一體化控制標(biāo)準(zhǔn)。正常狀態(tài)下，自動(dòng)系統(tǒng)全天候作業(yè)，當(dāng)系統(tǒng)程序或者自動(dòng)化裝置出現(xiàn)故障時(shí)，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(dòng)柴電設(shè)備，轉(zhuǎn)換為手動(dòng)作業(yè)后，旋轉(zhuǎn)啟閉軸承，提升閘門，必須能保證泄洪的需要。

4 結(jié)語(yǔ)

確保機(jī)械系統(tǒng)正常運(yùn)行，就要進(jìn)行精心維護(hù)，充分利用最新科技手段進(jìn)行技術(shù)監(jiān)測(cè)和有效維護(hù)。系統(tǒng)使用單位應(yīng)通過(guò)不定期的“X”射線探傷，檢測(cè)承壓管道結(jié)構(gòu)；通過(guò)聲波監(jiān)測(cè)，探測(cè)管道壁磨損情況；通過(guò)定位刻度，精確測(cè)量管道變形情況；通過(guò)支架定位，檢測(cè)管道的位移變化。

根據(jù)外界侵蝕和內(nèi)在損傷的檢測(cè)判斷，制定可行的維護(hù)方案。對(duì)于外部銹蝕、表面劃痕性損傷，做外層涂裝修復(fù)；對(duì)于影響受力的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)損傷，必須果斷更換，備用整件和備用附件均要就近儲(chǔ)備，對(duì)等更換；對(duì)儲(chǔ)備性物資，進(jìn)行計(jì)劃和統(tǒng)籌的合理安排，儲(chǔ)存的條件和環(huán)境，必須符合國(guó)家規(guī)范要求。

在使用過(guò)程中，承壓管道若發(fā)生管損，將影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。對(duì)可能出現(xiàn)的整段爆裂或局部損點(diǎn)，要制定相關(guān)預(yù)案，如果發(fā)生意外，可以做到立即就位、止損修復(fù)。