水工启闭闸门高压清污清淤系统研究

·技术与应用2019年第8期

水工启闭闸门高压清污清淤系统研究岳

峰袁李国栋

太原

030001冤

渊山西水务集团建设投资有限公司袁山西

［摘要］各类闸门以及临海尧临河的启闭设施袁除自身物理变形导致性能下降外袁受外部环境的长期作用袁均会出现不同程度的老化破损袁导致启闭作业不能达到预期效果遥因沿线河道挟砂尧挟泥袁闸板轨道内淤积堵塞尧水草交缠袁各种垃圾随涡流无孔不入袁干扰着水利设施的正常运行遥现场勘察中发现袁很多闸门在开启泄洪后袁不能准确启闭回位曰工作行程减少袁无法快速启闭运行曰淤积物不断增加袁漏水现象普遍袁闸板不能完全进入轨道遥文章介绍的高压清淤系统合理地解决了以上问题袁值得推广应用遥

［关键词］高能清淤曰Hfd理论模型曰清淤动力曰系统布设曰管损［中图分类号］TV697.3+1

［文献标识码］C

［文章编号］1004-7042（2019）08-0037-03

从国家第一个五年计划开始袁水利设施作为第一产业的基础列入国家战略设施袁进入了高速发展期遥各参建单位根据不同的地域和环境袁针对性地开发出很多新技术尧新设备尧新材料尧新工艺袁解决了农业发展难题袁推动了国民经济高速发展遥

经过60多年的超负荷运行袁江河湖泊的各类闸门袁临海尧临河的启闭设施袁除自身物理变形导致性能下降外袁受外部环境的长期作用袁均出现了不同程度的老化破损袁导致启闭作业不能达到预期效果遥因沿线河道挟砂尧夹泥袁闸板轨道内淤积堵塞尧水草交缠袁各种垃圾随涡流无孔不入袁干扰着水利设施的正常运行遥现场勘察中发现袁很多闸门在开启泄洪后袁不能准确启闭回位曰工作行程减少袁无法快速启闭运行曰淤积物不断增加袁漏水现象普遍袁闸板不能完全进入轨道遥

近年来袁水下清理打捞队伍在流速不高袁流量不大的小型启闭设施附近袁采取野蛙人冶潜水作业袁达到了清理的目的遥但在大型河道尧大中型水利枢纽以及市政污水闸板附近作业时袁潜水人员遇到了因涡流吸附尧水体污染物和有害气体而无法逃生的危险情况遥

各类临水设施的启闭闸门袁均承担着季节性和洪尧枯期的调度运行职能遥针对已运行和在建的各类大尧中尧小型水利枢纽袁在总布置优化方面普遍存在的启闭闸门后期清淤的共性课题遥有必要建立实体模型袁推出前瞻性理念袁探索新型应用成果遥

专利项目：专利公开号悦晕109763534A遥

1.1

1启闭系统高压清淤系统分析

要保障全天候尧全过程尧全方位袁三位一体的闸门高压清淤系统

正常启闭作业袁就必须解决洪峰来临前后袁在水体急速流动尧水位变化不定情况下的闸门启闭遥

启闭系统高压清淤设计袁是在调勘上游水文数据尧周边地质影响区域尧下游排放处理能力等相关资料情况下袁采用高压尧高速高能的激动流体来推动介质袁达到清淤的目的袁这种体系化的系统称为高压清1.2

淤系统High-energydredging渊HFD冤遥

通常闸门底部设计类型多种多样袁采用的材质与HFD模型的理论参数计算

启闭重量各不相同袁河床内自然状态迥异袁影响着流体的速度曰水位升降袁导致闸板所受外力均有差异曰有不同的外界可变条件作用袁也有相对稳定的守恒法则遥

人为因素一般是人为设定并且有序控制的袁可以作为不变因素遥环境变化是外界不可控因素袁如何计算外力驱动能袁针对闸板底部的杂物尧淤泥尧沉积性游动体袁进行驱动能力的计算袁确定高压能袁是清理和排污的关键控制参数遥1.2.1

闸板启闭受力计算

开启和关闭时袁均需要清除堆积物袁计算启闭时

F=G+HF水酌2+abh酌1+SH酌2

底部承受的外力F袁闸板启闭受力计算公式如下院式中院F要要要闸板启闭时受力曰

G要要要闸板自重渊强制性硬性启闭冤曰

2019年8月37技术与应用SHANXIWATERRESOURCESH要要要水流深度曰

F水要要要水压力喳渊随深度增加袁水中某一深度的压

强为P=籽Hg=9.8伊103S渊S受力面积冤札曰

伊HPa/m3袁压力F水=P伊

酌2要要要4益水的比重渊1000kg/m3冤曰a要要要待清淤物体长度曰

bh要要要

要要要待待清淤物体宽度曰实清际淤不物会体出现高度的袁满按负闸荷板状的全态曰

部行程计袁

酌S1要砂石的比重渊1600kg/m3冤曰

要要要静水状态启闭闸门袁水体影响面积

渊迎水面的启闭闸门前按50m估算袁如无涌水和外界干扰袁水域平衡时袁水体影响的面积袁按启闭系统的宽度计算遥如有洪峰来临或大幅度的干扰变化袁应根据实际测定调整遥冤

选取附近4条河流袁9套启闭系统进行数据统计袁结果显示袁受力数据呈线性函数分布袁闸门启闭时受力影响线如图1所示遥

图1

闸门启闭过程受力示意数图

统计数据表明袁闸门开启时袁水流影响由大到小渐变曰关闭时袁水流影响由小到大渐变遥水位以闸板为界1.2.2

限袁在高区间点交界位置平衡遥要想达压到清清淤淤动的力目计算

的袁解决清淤的动力问题是首要任务遥清淤动力要考虑自身重量尧启闭提升质量尧水压作用影响以及推动闸板启闭时的淤积体袁这个外源提供的高压动力袁需要具有一定可控范围袁安全系数能力内的高能冲击力遥

在闸门启闭前袁都可以直观的尧比较准确的测出淤积体厚度尧体积和重量袁加上水压力作用影响遥考虑满闸淤积袁动力要满足清淤体两倍的富余系数遥清淤38山西水利驱动力公式如下院F爷=2渊abh酌+P冤

式中院F爷要要

要清淤驱动力曰1a要要要待清淤物体长度曰

b要要要待清淤物体宽度曰

h要要要待清淤物体高度袁按闸板的全部行程计袁

实际不会出现的满负荷状态曰

酌1要要要砂石的质量体积比渊1600kg/m3冤曰1.2.3

P渊1冤动要要要原力水压力遥动源力选唯择

一时院

W=F+F爷

式中院W要要要动力源输出动力曰

F要要要

闸板启闭时受力曰渊F2爷要要冤要原动清力淤分驱开动匹力配遥袁功能性区分时院

W=F爷

式中院W要要要

动力源输出动力曰渊F3冤爷要要要通过清动淤力驱输动出力袁推遥

算外源电机功率院

P爷=F爷v/60浊

式中院P爷要要

要外源电机功率袁KW曰F爷要要要清淤驱动力曰V要要要电机转速曰

2系统浊要要要输入输出能量转换率袁取0.8遥清淤驱动设备与安布置

装便捷袁在建项目的启闭槽沟或启闭

轨道内袁可预制或预埋高压风管和高压水管曰运行中的启闭设施袁可以通过升级改造埋设清淤装置曰自身动力受限的设施袁可以通过外载配置设备袁进行清淤排2.1

污遥

2.1.1

外风源管驱高动能方吹式

电动机带动空压射机式

袁空压机串联送入储风罐袁罐

内压缩气体压强达到清除淤积体要求时袁由下向上移动导轨袁吹洗淤积体袁同时启闭作业开始遥在高压气体作用下袁清除淤积物体时袁会产生共振气泡袁气泡的翻涌会带走细小的泥沙遥大型河道尧水坝尧水利枢纽尧水力发电站等设施的启闭闸门采用此型高压清淤装置袁可2.1.2

以起到水排管污高清压淤喷的射目式

标遥用高压管连接大功率涡轮泵袁设备开启时大功率涡轮泵增压储能袁当扬程续接满足清淤压力时袁利用高压水流清除排污遥高压水流喷射时袁输水管路全线

处于高压作业状态袁这种方式对管道高压耐受力要求很高遥因此袁小型水利工程尧小型拦污治理设施袁可采用2.1.3

此类型闸闸装门门置迎迎清水水污侧面遥袁增冲压设冲压系统

系统袁安装埋设辅助性清

淤装置遥当闸板长期在水中浸泡袁以及泄洪和拦水启闭闸门时袁定时或不定时地启动清污系统袁可以避免2.2

闸门轨2.2.1

高道压冲附近淤塞尧锈死隐患的发生遥

对运正行在运中射的水利清淤系统行的闸设施布置

板启清闭淤系统系统袁布增置

设外部挂载设

施遥北方河道受季节影响袁丰水期与枯水期水位差异比较明显袁宜选择枯水期进行施工作业遥南方地区受气候影响袁水利设施一旦投入使用袁启闭系统升级改造比较困难袁需进行围堰建设改道排水后袁再进行施工袁确保不能带水作业袁否则影响冲射系统的埋设质2.2.2量遥新新建建水利水利项设施目袁直清接淤根系统据启布闭置

闸门尺寸进行优化

3

设计高压袁结合实际地质和需要袁进行定制和安装遥

系统冲射工作清淤系统原理院利的设计与施工

用高压冲射流袁对辐射范围内

的淤塞体进行喷射袁松动的淤积物随气泡上涌袁并通过连续作业袁清除淤塞体袁为能顺利启闭闸门袁创造有利条件遥道闸底门开部清启淤袁范高速流体带动淤塞物袁通过闸门遥3.1.13.1

河闸清门淤迎系统水面布前置端范围袁容围

设计易形成上游向下游的冲积沉

淀遥闸门关闭后袁水流携带的泥沙缓慢堆积袁在闸门底部形成淤积物袁影响闸门的正常启闭遥

对新建和在建水利工程袁启闭闸门的清淤系统袁应紧贴闸门迎水面布置遥在了解上游水文情况和下游排放能力情况下袁根据淤塞段宽度袁调整底部高压系统的布设宽遥实现闸门附近无落体袁闸板轨道不淤积袁闸门前20m是防护中心遥为闸门安全启闭袁预留不小于3.1.2

20m清的淤清系统淤长布度设袁就位是置高与压动清力

淤系统的布设长度遥启闭闸门系统在设置时袁就需要同时考虑清淤系统遥启闭闸门的轨道与清淤系统的轨道袁可以共同使用即无间隙设置袁也可以分开使用即紧贴设置袁后者一般用于系统改造使用遥

启闭系统的动力供应袁可以根据需要袁兼顾清淤系统的使用遥因清淤系统所需要的动力强大袁启闭系统与之兼顾协调袁需要详细地进行验算遥

山西水利

技术与应用·2019年第8期

3.2

新高建压水利清淤设施系统启施闭工

系统与高压清淤系统相结合

布设袁要考虑轨道的共用问题遥将启闭轨道与清淤设施轨道基础接触部分与预埋件整体焊接袁用高于原结构混凝土一个标号的混凝土进行浇筑养护遥

共用轨道与闸门边侧接触部分为外露的长条形保护体袁断面为野U冶型槽体袁整体连通袁单侧预留外源高压气体连接管或高压流体连接管遥中空钢壁袁冲孔呈梅花形布设袁间距50cm袁全断面设置遥野U冶型槽两侧壁与轨道同宽袁也可以在轨道两侧加宽袁在野U冶型轨道底部袁以轨道为轴线袁向上下游辐射袁保持清淤系统的正常使用即可遥

启闭系统与清淤系统轨道安装完毕后袁再进行上部外接系统的连接袁在野U冶型轨道上部袁是启闭提升装置袁清淤高压管道与提升装置共用支撑梁体遥新建水利设施布设袁启闭与清污同时进行袁清污跟随上下行程进行工作遥

改造项目实施时袁因为在原来的轨道上无法布设清污孔袁只能进行单侧壁紧贴增设袁高压清淤管道袁也成为单线循环的独立系统遥

增设的清淤系统袁比新建的清淤系统轨道底部施工复杂遥但是独立系统使用后袁清淤系统的底部可以布设为中空野驻冶型袁辐射布孔呈梅花型袁孔距50cm袁单线倒扣野夷冶型滑块袁顶部为直线式行走轨迹袁电动机机械驱动袁支撑导梁内埋设高压管道袁与清淤系统的中空吹射管相连通遥驱动行走装置后袁高压清污系统开始工作袁倒扣野夷冶型滑块直线行走袁在往返作业3.3

过程中系统材料袁将淤积的体驱优选

离启闭闸门遥

因为冲压流体具有强大的动能袁需要可靠的输送管道袁管道承压力是关键验收指标遥如果选材出现问题袁清淤系统不能正常发挥作用遥要求完成验算后袁根据验算结果袁选择高压管材遥

一是高强度尧耐高压标准遥计算后袁管材允许的承载压值袁能确保管道经受高压气体和高压水流的强力冲击遥用理论和试验两种检验方法同时进行检验袁在受力极限情况下袁高频次地反复使用袁检验管道的疲劳强度尧耐内压承受强度遥

二是防腐尧防老化标准遥高压清淤系统的管道袁内壁承受强大的压力和冲刷袁外壁经受潮湿环境和有害气体的侵蚀遥长时间在大气中暴露尧在水体中浸泡袁在无遮挡状态下风吹尧日晒尧雨淋尧自然风化等影响着管道的使用寿命遥因此袁管道的防腐尧防老化是重要的参考指标袁没有抗腐蚀和应对恶劣环境的渊下转第41页冤

2019年8月39山西水利

·技术与应用2019年第8期

距增加到4m袁2尧3序之间的孔距为2m遥在灌浆前袁要通过压水测验的结果确定水泥灌浆的顺序遥在灌浆过程中袁压力必须控制在0.3~0.6MPa袁在初始灌浆时适当增加压力袁然后再慢慢调整遥灌浆结束后袁要用等级较高的水泥砂浆来进行封孔袁还要在固化强度达标的前提下对检查孔进行压水测验袁如果透水率测验不达标袁则需要再次进行灌注袁直到透水率测试达标遥另外袁在灌浆的始末袁都必须采用全自动记录仪进行记2.2

录袁对灌浆压力尧水灰比尧时间等因素进行自动控制[3]遥

施工人员作为加固工作的主要力量袁其专业技能加强施工人员的专业技能水平

收误差袁确保验收结果的准确性遥因此袁要保证施工质量袁还需要重视先进施工设备的引进袁时代的进步推动着各项技术和设备的发展更新袁在水库大坝的加固过程中袁要及时引进更科学尧先进的设备袁进一步确保施工质量袁提高施工效率袁也是确保施工进度的重要方式[4]遥3

结语

水库大坝在水流调节尧水电使用尧防灾防洪等方

面具有重要作用袁加强对水库大坝的加固袁是保证水库大坝使用效果尧质量和寿命的关键措施遥在加固过程中袁灌浆加固技术的使用是保障加固质量的重要技术之一袁而要确保灌浆加固技术的使用效果袁就必须牢牢把握其施工要点袁确保施工质量遥在实际的工作中袁要结合地质尧渗漏情况等实际因素对加固技术的方案进行调整袁并在施工前进行测验袁根据测验结果对灌浆技术的相关设计进行完善袁以此确保施工的实用性和有效性遥

［参

考

文

献］

水平直接影响着施工质量遥因此袁企业和相关部门要重视对施工人员的专业度培训袁以进一步提高其专业素养和技能水平袁从而保障施工质量遥可以通过提供学习机会组织施工人员进一步学习灌浆加固技术袁在理论学习完成后袁还要多提供实践机会袁达到学以致用遥进一步提升施工人员对灌浆加固技术的掌握程度袁这样既能够提升专业技能袁还能够保证施工人员对相关灌浆技术的实践运用能力遥2.3

重视对每一个施工环节的质量把控

咱1暂杨启功.水库大坝灌浆加固技术要点和质量管控咱J暂.黑龙江

水利科技袁2018袁46渊2冤院147-149.

咱2暂张楠.水库大坝除险加固工程中帷幕灌浆的施工技术咱J暂.建

筑工程技术与设计袁2014袁渊14冤院544-544.

咱3暂张君.水库大坝灌浆施工技术及其防渗加固策略咱J暂.治淮,咱4暂罗平道.帷幕灌浆施工工艺与质量控制要点咱J暂.建筑工程技

术与设计袁2017袁渊24冤院2380-2380.

（1984-）［作者简介］王秋鹏，男，2011年毕业于河海大学水利水电工程专业，工程师。

［收稿日期］2019-06-06曰［修回日期］2019-07-152019袁渊6冤院43-44.

要确保加固质量袁必须重视每一个施工环节的质

量管控遥在施工前期袁各类材料的选择和配比都必须根据实际情况进行选择袁包括灌浆压力也要严格按照标准进行遥在材料的选择上袁必须要选择防水效果更好的水泥类型袁这样才能确保水泥材料能够在长期的浸泡中始终保持稳定遥在灌浆的制作过程中袁需要专业人员对制作时间和力度进行管控袁确保灌浆质量袁保证水库大坝的强度遥在施工过程中袁需要严格按照施工技术的要求进行遥施工完成后袁要重视验收工作袁使用高精度的专业检查设备或仪器进行验收袁降低验渊上接第39页冤能力袁高压清淤系统就无法长期运行遥

三是手自一体化控制标准遥正常状态下袁自动系统全天候作业袁当系统程序或者自动化装置出现故障时袁启闭系统必须能正常作业袁就要求有备用方案袁切换手动柴电设备袁转换为手动作业后袁旋转启闭轴承袁提升闸门袁必须能保证泄洪的需要遥4

结语

确保机械系统正常运行袁就要进行精心维护袁充

根据外界侵蚀和内在损伤的检测判断袁制定可行的维护方案遥对于外部锈蚀尧表面划痕性损伤袁做外层涂装修复曰对于影响受力的内部节点损伤袁必须果断更换袁备用整件和备用附件均要就近储备袁对等更换曰对储备性物资袁进行计划和统筹的合理安排袁储存的条件和环境袁必须符合国家规范要求遥

在使用过程中袁承压管道若发生管损袁将影响系统的正常运行遥对可能出现的整段爆裂或局部损点袁要制定相关预案袁如果发生意外袁可以做到立即就位尧止损修复遥

（1965-）［作者简介］岳峰，男，1991年毕业于水电部成都工程师。勘测设计院职工大学水文工程地质专业，

［收稿日期］2019-06-18曰［修回日期］2019-07-21

分利用最新科技手段进行技术监测和有效维护遥系统使用单位应通过不定期的野X冶射线探伤袁检测承压管道结构曰通过声波监测袁探测管道壁磨损情况曰通过定位刻度袁精确测量管道变形情况曰通过支架定位袁检测管道的位移变化遥

2019年8月41