氣力提升法在水電站淤沙清理中的運用

熊明俊++付勁松++王保儉

摘 要：隨著人類活動對環境的影響加劇，河流推移質和懸移質的泥沙不斷增多，在建或已建的水電站經常遇到水庫或尾水渠泥沙淤積的情況。大量的泥沙淤積將導致大壩沖砂閘或尾水渠檢修閘無法正常開啟或關閉，對水電站運行安全會帶來嚴重影響，該文旨在介紹一種已在實踐中得到成功應用的氣力提升法，它是一種安全、快捷、高效淤沙處理方法，建議有條件的工程加以應用與推廣。

關鍵詞：水電站 泥沙淤積 氣力提升法 運用實踐

中圖分類號：TM62 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（c）-0020-02

隨著人類活動對環境的影響的不斷加劇，河流推移質和懸移質的泥沙逐漸增多，在建或已建的各型水電站經常遭遇到水庫和尾水渠泥沙淤積的情況。大量的泥沙淤積可導致大壩沖砂閘或尾水渠檢修閘被掩埋，無法正常開啟或關閉，嚴重影響水電站的運行安全。如何安全、快捷、高效地處理泥沙淤積，保證閘門正常啟閉，成了水電站運行和管理的一大難題。筆者從港口和航道疏浚中得到啟發，將氣力提升法運用至水電站泥沙淤積處理上，并取得了成功。現將該方法的原理和實踐運用情況加以系統的介紹和總結，希望能在類似問題處理上得到應用和推廣。

1 氣力提升法原理與主要設備

1.1 氣力提升法原理

氣力提升法普遍用于港口和航道疏浚，是利用氣流在管道中高速運動從而在管口附近產生負壓，將管口周圍的水體和泥沙吸入吸沙管中，隨之在高速氣流的帶動下垂直和水平移動，最后在遠離清淤點的排沙管出口排出，達到清理淤沙的目的。氣力提升法原理如圖1。

1.2 氣力提升法主要設備

氣力提升法清理組成設備（每套）如下。

（1）移動式空壓機：額定功率50 kW以上，風壓不小于1.0 MPa，具體配置可根據清淤量調整；

（2）高壓氣管：內徑不小于Φ25 mm鋼絲軟管和末端U型彎頭；

（3）吸沙管、彎管和排沙管：采用薄壁鋼管制作，管徑Φ250 mm，壁厚≤6 mm；

（4）浮桶或其它浮運結構，用于保持排沙管段浮出水面見圖1；

（5）5 t手動葫蘆：用于調整管路高程，保持吸沙管口與沙面近乎接觸；

（6）15 kW高壓潛水泵：用于擾動淤積時間長，已經板結的沙層。

2 設備制作安裝、抽沙運行與注意事項

2.1 設備制作安裝

首先制作吸沙管、彎管和排沙管。吸沙管、彎管和排沙管宜用管徑Φ250 mm、壁厚≤6 mm薄壁鋼管制作，管壁太厚或管徑太大會導致整套管路過重，難以在水中提升或水平移動；吸沙管加工成長度為1～1.5 m左右的管節，以便隨沙面變化處調整長度；彎管采用同直徑的鋼絲軟管或鋼管，如采用鋼管應加工成95°左右彎管，彎管分節數≥5節，節數太少不利于水流和泥沙平順通過，彎管容易磨損。推薦采用鋼絲軟管，便于調整吸沙管管口高度。排沙管可加工成3 m左右的管節，排沙管與浮桶或其他浮運結構綁扎，保持排沙管露出水面，排沙管水面水平段總長不宜>15 m，否則容易堵管。所有管節兩端均采用法蘭連接，以便拆卸。吸沙管、彎管和排沙管安裝好后，通過手動葫蘆懸掛于上部支架上或直接置于浮桶上，并用手動葫蘆調整整套管路與沙面和水面的距離，保持吸沙管口與沙面近乎接觸。高壓氣管一端與空壓機出風口連接，另一端與制作成U型的彎頭連接，用鋼絲綁扎固定在吸沙管口。U型彎頭應伸入吸沙管口內約40 cm，為加大風管口壓力，可將U型彎管口變徑縮小。

2.2 抽沙運行

整套管路和設備安裝就位后，啟動空壓機，向吸沙管內送入高壓氣流，通過手動葫蘆調整吸沙管口與沙面距離，保證吸沙管口與沙面近乎接觸，控制管口距離沙面5 cm或稍小一些，但管口不能埋入沙面，否則會導致堵管。高壓氣流推動吸沙管內水流垂直和水平運動，在吸沙管口周圍產生負壓，將淤沙吸入管內，隨水流排至預定地點。在吸沙過程中，由于沙面不斷降低，應通過葫蘆或浮桶調整吸沙管口高程，始終保持吸沙管口與沙面近乎接觸，如沙面降低較多，則需增加吸沙管長度。如泥沙淤積時間較長或含有較多粘粒，泥沙層可能板結，此時可用高壓潛水泵產生的高壓水流沖擊吸沙管周圍沙層，將淤積沙層松動，這樣再吸沙，其效果會更加顯著。為減少風壓損失，排沙管不能離開水面過高，一般保持在0～0.5 m，管口不沒入水中即可。在抽沙過程中，應隨時注意觀察，如抽出的沙礫較多，則需稍微提升吸沙管管口，避免堵管，如抽出的沙礫較少，則需稍微降低吸沙管管口，保持管口與沙面近乎接觸，保證抽沙效率。

2.3 使用注意事項

從上述介紹可知，氣力提升法抽沙主要運用于水下抽沙。由于吸沙過程中需要利用高壓氣流推動周圍水流流動，因此水面和沙面應有一定距離，一般宜保持有1 m以上的水深。如在抽砂位置的水深不足，可以直接用高壓氣流吹向沙面，在該部位形成一個具有一定水深的沙坑，即可繼續抽砂。另外隨著沙面降低，水深加深，水壓將抵消高壓氣管出口的氣壓，因此，超過一定水深后，應換用額定風壓更高的空壓機，以保證抽砂效果。

3 氣力提升法在工程實踐中的運用

氣力提升法首先在云南德宏州大盈江三級水電站中得到了成功運用。大盈江三級水電站汛期河水泥沙含量大，且當年電站在汛期未正常發電，缺少尾水頂托，大量泥沙、塊石、樹根在汛期內進入尾水渠，導致尾水檢修閘門全部掩埋在泥沙和其他雜物下。經查探，閘門頂上泥沙掩埋深度竟達5 m，大大超過了尾水檢修閘門正常開啟條件。為開啟閘門，必須對閘門上淤積的泥沙等雜物進行清除。

2007年8月24日，為保證閘門正常開啟和水電站正常發電創造必要條件，筆者受命負責清除大盈江三級水電站尾水渠1#～4#尾水閘門淤沙。首先安排有關單位準備好相應管路、空壓機、潛水泵和5t手動葫蘆等設備，然后委托海科潛水隊對尾水渠泥沙淤積情況進行了查探。發現尾水渠內樹根、石塊較多，同時由于淤積時間長，淤沙板結情況嚴重，因此決定由潛水隊進行水下作業配合，確保順利清除尾水閘門附近淤積物。endprint

正式抽沙前，首先由潛水隊員對閘門附近進行清理。利用手動葫蘆將較大的塊石、大樹根等雜物移走或吊出水面，然后安裝浮桶和管路，并將管路通過手動葫蘆懸掛在上部支架上，同時控制管路好高度，保持吸沙管口與沙面近乎接觸，隨后開啟高壓潛水泵，再由潛水員在水下將高壓水流對管口周圍板結的淤沙進行擾動。當一切準備就緒后，開啟空壓機，向吸沙管內送高壓風，隨著高壓氣流通過管路，大量沙礫也隨著水流被抽起排至尾水渠外。該工程整體抽沙系統運作十分成功，吸沙效率非常高，約有半管的泥沙隨著水流排到河床中，拳頭大的石塊也被吸出，隨河水流向下游。隨著抽沙持續進行，吸沙管口周圍很快就形成一個深坑，抽出的泥沙也明顯減少，這時再通過手動葫蘆降低吸沙管口高程，繼續保持吸沙管口與沙面接觸。潛水員則在水下繼續用高壓潛水泵產生的高壓水流對深坑周圍的沙層進行擾動，讓沙礫與水流混合后進入吸沙管，吸沙管又恢復到高效率狀態；隨著抽沙持續進行，沙面不斷降低，單靠手動葫蘆牽引彎管段升降已無法保持吸沙管口與沙面接觸，這時將管路系統提升出水面，吸沙管增加一個管節，調整至合適長度后放入水中繼續進行抽沙。該工程經過7 d的連續抽沙，1#尾水閘門附近的淤沙基本清除，閘門也順利開啟提至尾水檢修平臺。2#～4#閘門也采用同樣的方法很快順利開啟，為水電站正常發電創造了條件。

解決閘門開啟難題后，又遭遇了閘門下放的難題。由于當年只有1#～2#臺機組同時投入運行，尾水在暫未發電機組一側產生漩渦，導致河床內泥沙又被帶入，尾水閘門門槽底檻附近又淤積了一定厚度的泥沙，閘門無法正常下放關閉。此時氣力提升法抽沙系統再次派上了用場，根據水深和沙面安裝合適的管節后，潛水員直接將吸沙管固定在閘門門槽底檻附近抽沙。經過3 d連續抽沙，門槽底檻附近的沙已經全部抽完，潛水員再下水進行檢查，確認門槽和底檻沒有任何沙礫和雜物后，最后下放閘門，順利到位，閘門后滲水量也很小，取得了完全成功。

4 結語

從大盈江三級水電站歷次清理淤沙情況看，氣力提升法系統抽沙十分成功。該工程在使用氣力提升法系統前，曾多次采用潛水抽沙泵、離心抽沙泵進行現場抽沙試驗，結果并不成功。抽沙泵則只能抽0～1 cm顆粒，且只能抽淤積均勻的沙層，對水庫和尾水渠這類受洪水影響較大，沙礫淤積極不均勻的情況則根本不適用；挖泥船等大型設備雖然可以挖除各種淤沙，但成本較高和山區運輸等條件限制，不能應用于尾水渠等場所。相比之下，氣力提升法系統結構簡單可靠，制作安裝成本較低，抽沙粒徑范圍很大，從0～15 cm沙礫乃至石塊和其他雜物均可以順利抽出，抽沙效率很高，設備正常運行，每天可抽沙2 000 m3甚至更多。而且由于管內無任何機械結構，不容易堵管，即便有堵塞現象處理也很簡單，只需用手動葫蘆將管路升高一點，提離沙面即可。總之，和其他清淤方式相比，氣力提升法系統比較適合山區水電站的水庫和尾水渠等地點清淤，方法簡單經濟，值得推廣。

參考文獻

[1] Fujimoto H，Nagatani T.Effect of local pipe bends on pump performance of a small air-lift system in transporting solid particles[J].International Journal of Heat and Fluid Flow，2004，25（6）：996-1005.

[2] Yoshinaga T，Sato Y.Performance of an air-lift pump for conveying coarse particles[J].International Journal of Multiphase Flow，1996，22（2）：223-238.

[3] Khalil MF，Elshorbagy KA，Kassab SZ，et al.Effect of air injectionmethod on themical[J].Engineering Journal，2007（131）：273-280.

[4] 胡東，吳霞，唐川林，等.鉆孔水力開采用氣力提升裝置的實驗研究[J].機械科學與技術，2013，32（5）：756-761.

[5] 陳晨.鉆孔水力開采工藝：開采地下礦產的新方法[J].世界地質，1998，17（4）：85-87.endprint