黃河中下游引黃灌區泥沙清淤研究及自動化裝配開發

張擴成 徐勇 張厚芹

(濟南市邢家渡引黃灌溉管理處,山東濟南 250014)

黃河中下游引黃灌區泥沙清淤研究及自動化裝配開發

張擴成 徐勇 張厚芹

(濟南市邢家渡引黃灌溉管理處,山東濟南 250014)

本文在詳細介紹引黃灌區泥沙清淤的重要性,在充分分析國內外泥沙清淤設備現狀及不足的基礎上提出了一種新型的水下自動化清淤裝備。該裝備采用先進的履帶行走技術和絞沖原理,可直接自行進入渠道內,并將沉積渠道底的淤泥吹攪成混濁的水狀,隨河水流走,完成疏通渠道。

黃河 引黃灌區 泥沙清淤 自動化

黃河是我國文化的發祥地，黃河水是我國西北、華北地區的主要水源。“豐蓄枯用，冬蓄春用，科學引用黃河水”是黃河中下游地區針對十年九旱、黃河斷流、棄水入海的基本水情，統籌考慮生產、生活、生態用水，解決黃河水時空分布不均，促進人與自然和諧發展的一大創舉；而引黃灌渠是其中重要組成部分之一，因為黃河的含沙量高，加上灌區水流速小極易造成灌區泥沙大量沉積，堵塞河道[1]。河道清淤指治理河道，屬于水利工程。通過機械設備，將沉積河底的淤泥吹攪成混濁的水狀，隨河水流走，從而起到疏通的作用。針對引黃灌區泥沙沉積問題開展的清淤自動化裝備研究開發將有利于增強渠道的引、排、蓄、供等功能，有利于改善水環境質量，有利于加快建設現代新農村、推進城鄉一體化步伐。

1 背景和意義

農村的改革開放雖然給農業帶來了前所未有的生機，解決了農民的溫飽問題，為農業的快速發展打下了堅實的基礎；但因糧食作物得不到灌溉，導致農業增產不增收，制約了農業的進一步發展。引用黃河水淤灌農田，在黃河上、中游已有2000多年的歷史。秦漢時期，就先后修建了鄭國渠、白渠等灌溉工程，使關中地區大得其利[2]。

有一句老話叫做“官不治水、民不樂業”，直接反映了水利事業的重要性與農民對水利事業發展的要求。興修水利功在當代、利在千秋。措施有三種：一是增加新的水利設施；二是修復擴建；三是清淤增容。前兩種既受資金、勞力的制約，又受自然地理環境的影響，實施起來牽涉面廣、工作量大。第三種則相對比較容易實施，可用最少的投入取得最大的經濟效益。

圖1 絞吸式挖泥船

圖2 耙吸式式挖泥船

圖3 絞式挖泥船

圖4 兩棲式清淤機

2 國內外河道清淤設備研究現狀及不足

2.1 國外研究現狀

同造船業一樣，疏浚業源于歐美。1660年鏈斗式挖泥船的雛形“泥碾船”在荷蘭首創獲得成功。1855年美國人制成莫爾茨將軍號吸揚式挖泥船，用于開挖南卡羅來納州查爾斯頓港的攔門沙。1869年荷蘭制成吸揚式挖泥船，用于蘇伊士運河工程。隨著西方國家工業化和世界經濟的發展，石油輸運、集裝箱輸運、河海聯運等推動了世界港口和航道的建設，疏浚設備也因此得到快速發展。

圖5 水下清淤機器人結構

圖6 水下清淤機器人工作狀態

(1)絞吸式挖泥船；圖1所示：絞吸式挖泥船源于美國并獲得極其廣泛的應用。1884年在美國加利福利亞的粵克蘭港，用一艘具有圓柱狀絞刀的絞吸式挖泥船挖掘一層層的砂石，其排泥管直徑達500mm、泥泵直徑達1.8m。1896年芝加哥美洲疏浚公司建造的“beta”號絞吸式挖泥船，吃水深度1.95m，有2個獨立的泥泵，吸管直徑850mm是當時最大的挖泥船。1986年“Leonardo da vinci”號自航絞吸式挖泥船研制成功，該船總裝機容量20250KW，其中絞刀功率4400kW，裝有計算機控制的自動化挖掘系統，可以使挖泥船操控達到最佳狀態!那個時代被稱為巖石疏浚的黃金時代[3]。

(2)耙吸式挖泥船的發展；圖2所示：絞吸式挖泥船大多是靜態作業，抗風浪能力弱，適合在內河航道及湖泊疏浚，而耙吸式挖泥船具有自航能力，調遣費用低，挖深大，輸泥距離不受限制，故特別適合于遠距離取沙的填海造地、大型港口航道的建設與維護等工程。

2.2 國內研究現狀

在我國，交通系統擁有大中型的疏浚設備，以耙吸式和絞吸式挖泥船為主，數量不多但分布相對集中，疏浚能力強大。水利系統則以中小型挖泥船居多，各種類型應有盡有，數量龐大，分布在全國各地。目前我國常用的清淤機械有兩棲式清淤機，兩棲絞吸式清淤機、長臂自航式清淤機、水管道清淤機、機井清淤機、水力挖泥機、淺魚池人工牽引船體式清淤機、螺旋滾筒潛水式清淤機、旋輪式水下清淤機、半旱式清淤機等。如圖3、圖4所示為兩種典型清淤機和挖泥船[4][5]。

2.3 現有清淤自動化設備不足

雖然國內外的清淤機種類很多，但是不適合引黃灌區的大泥沙量清淤現狀，它們存在著以下問題：

(1)功率大、能耗高，挖泥淺，一般只能挖深5～15m的疏松泥砂和土層；(2)旋轉構件多，如斗輪、絞刀和砂泵等構件磨損嚴重，更換頻繁，維修量大，運行成本高，設備管理復雜；(3)用機械式斗輪、絞刀破碎水下土巖，造成水質變壞，污染環境。

而灌區沉沙池的嚴重淤積、廢棄，給鄉村帶來了一系列嚴重惡果。

(1)種植業用水受到威脅。一部分依靠灌區灌溉的農作物輕則干旱減產，重則荒蕪失收。(2)水土保持作用減弱。邢家渡灌區蓄水蓄沙、緩沖能量、減輕山洪對泥沙的沖刷，是水土保持的主要工程措施之一。由于邢家渡灌區的淤積和廢棄，蓄水容積減少，對山洪抗擊能力明顯減弱。

3 泥沙清淤自動化裝備結構設計

3.1 方案的選擇

要機動、靈活、高效實現灌渠泥沙清淤工作，研究、設計合理的自動化裝備結構部分至關重要。在最初步設計的4套方案中，經過三方領導專家的反復論證，并在Solid Edge平臺上繪制出了三維結構圖樣，從操作及維護保養方便程度、性能價格比、可靠性、穩定性、實用性等方面綜合考慮，最終確定了水下行走攪拌式清淤方案。

3.2 水下清淤機器人方案設計

水下機器人也稱無人遙控水下行走機器，它是一種可在水下移動式機器：由岸邊或水面上的工作人員，通過連接裝備的臍帶提供動力，操縱或控制水下清淤機器人[6]。如圖5、圖6、所示，該方案是利用最新的小型履帶行走機器人技術，設計出小型履帶式可在壩面行走，并可在水下工作的機器人，為了避免上述回轉機器人回轉裝置的不足，將工作裝置設計成不可回轉，但增加了前端臂的擺臂動作，是臂前部的旋轉攪動裝置可在120度范圍內轉動增大作業范圍。

3.3 新型水下自動化清淤裝備具有以下特點

(1)該設計中引入了先進的機器人設計思想，整體結構緊湊，自動化程度高；(2)由于該水下自動化清淤裝備可以根據實際情況靈活定位，所以整體結構尺寸較小、重量較輕，移動、定位方便，機動靈活；(3)只需一名操作人員，即可完成整個清淤過程。

4 結語

本文詳細介紹了引黃灌區泥沙清淤的重要性，在充分分析國內外泥沙清淤設備現狀及不足的基礎上提出了一種新型的水下自動化清淤裝備。該裝備可直接自行進入渠道內，并將沉積渠道底的淤泥吹攪成混濁的水狀，隨河水流走，疏通渠道，其有利于改善水環境質量，有利于加快建設現代新農村、推進城鄉一體化步伐。

[1]王艷華.引黃灌區水沙資源優化配置[D].中國水利水電科學研究院,2007.

[2]姜海波.位山灌區水沙調度方式與沉砂池輸沙通道技術研究[D].山東大學,2012.

[3]胡建,戴清,袁玉平等.引黃灌區不同粒徑泥沙的運動規律與處理利用[J].中國農村水利水電,2008(6).

[4]陶松壘,王康林,陶鈞炳等.清淤輸泥的新方法新設備[J].海洋學研究,2006(7).

[5]劉曉杰,化曉鋒,陳偉等.新型渠道清淤技術與設備研究[J].南水北調與水利科技,2013(10).

[6]蘇紅魯,張擴成,張厚芹.邢家渡灌區泥沙清淤自動化裝備研制[J].山東水利,2012(10).