潛浮式分水口漂(懸)浮物攔截導(dǎo)流裝備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

尚力陽(yáng)，季艷茹，陳赫朋，于鵬輝，耿志彪

(黃河水利委員會(huì)黃河機(jī)械廠，河南 鄭州 450006)

0 引言

南水北調(diào)中線工程輸水總干渠明渠段全長(zhǎng)1 432 km，共有64座節(jié)制閘、53座退水閘和88座分水閘[1]。隨著工程的通水運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)進(jìn)入到明渠主干渠段的漂浮物(如樹葉、脫落的藻類等)易匯集在暗涵支流供水渠段中，一旦匯集，不僅不易流走，也不便于人工打撈清理。長(zhǎng)此以往容易堵塞閥門，造成輸水不暢，在每年適宜藻類滋生的春秋季節(jié)，嚴(yán)重時(shí)甚至對(duì)水廠設(shè)備的正常運(yùn)行造成影響。為有效應(yīng)對(duì)主干渠漂浮物對(duì)沿線水廠的影響，筆者開展了分水口浮物攔截導(dǎo)流裝備的研制工作。

1 設(shè)計(jì)原理

分水閘是主干渠向沿線用水城市分支分流的取水口水工建筑物，因此從分水閘布設(shè)攔截設(shè)備控制漂浮物是進(jìn)入地方水廠的最佳方式[2]。

在分水閘布設(shè)分水口浮物攔截裝備的的設(shè)計(jì)原理，是在分水閘與干渠連接段的渠道邊坡上，覆蓋以不銹鋼過(guò)濾孔板，在不影響供水的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)水體中的藻類、枯草等漂浮物的有效攔截。該裝備采用主攔漂框架及浮箱結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)攔漂框架孔板下方的不銹鋼浮體進(jìn)行充排水動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)攔漂框架的整體自動(dòng)沉浮，以便于日常的清理維護(hù)。

分水口攔截導(dǎo)流裝備的方案設(shè)計(jì)滿足本工程項(xiàng)目的全天候運(yùn)行、動(dòng)作準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單的使用要求，能對(duì)進(jìn)入分水口的漂(懸)浮物進(jìn)行有效攔截。

2 主要結(jié)構(gòu)組成

分水口攔截導(dǎo)流裝備主要由攔截導(dǎo)流系統(tǒng)、抽排水系統(tǒng)、起升機(jī)構(gòu)、安全護(hù)欄、下河斜梯、框架提升控制系統(tǒng)、維護(hù)平臺(tái)等組成。

結(jié)合分水閘水工建筑物的結(jié)構(gòu)形式，在建筑物和分水口的結(jié)合處設(shè)置有支鉸機(jī)構(gòu)，一方面可以固定攔截框架的位置；另一方面在維護(hù)清理時(shí)，使框架繞該支鉸旋轉(zhuǎn)提升。此外，為適應(yīng)水位變化，該支鉸采用定輪調(diào)整式結(jié)構(gòu)，支鉸的位置可通過(guò)定輪的上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)；在支鉸處安裝有螺桿提升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)支鉸的上下提升，2個(gè)螺桿啟閉機(jī)之間裝有同步軸，以保證支鉸提升時(shí)的同步。

運(yùn)行維護(hù)時(shí)，該攔漂框架的升降動(dòng)作依靠浮力來(lái)實(shí)現(xiàn)，有效避免了設(shè)備動(dòng)作時(shí)對(duì)原水工建筑物及渠道邊坡的不良受力影響。用充排水實(shí)現(xiàn)攔漂框架升降的浮箱設(shè)計(jì)在框架下部，浮箱的結(jié)構(gòu)形式采用流線型，能夠有效減少水阻。攔漂框架結(jié)構(gòu)主材采用304不銹鋼方鋼管，管體封閉以使其入水后增加水體浮力，以此減輕設(shè)備自重對(duì)渠道邊坡的影響。

圖1 攔漂導(dǎo)流裝備效果圖

3 主要技術(shù)問(wèn)題及解決方案

1)在安裝施工時(shí)沒(méi)有著落點(diǎn)，不便于設(shè)備的安裝。因此，在分水閘建筑物旁依托渠邊坡布設(shè)下河斜梯及工作維護(hù)平臺(tái)裝置，方便工作人員進(jìn)入到分水口處進(jìn)行安裝作業(yè)。下河斜梯及工作維護(hù)平臺(tái)采用不銹鋼材料制作，由鋼板、方鋼、角鋼、圓管等304不銹鋼型材焊接而成，結(jié)構(gòu)形式與邊坡及建筑物的結(jié)構(gòu)形式相適應(yīng)。

2)空間受限，傳統(tǒng)動(dòng)力裝置不能安裝布設(shè)。由于是對(duì)工程功能完善而增加的設(shè)施，現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有可供安裝電機(jī)、減速機(jī)等動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的空間，因此在設(shè)計(jì)上最后借鑒潛水艇沉浮工作的原理，采用對(duì)不銹鋼浮體進(jìn)行充排水作業(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)框架的自由升降。在框架下方設(shè)置充排水浮箱，框架采用方鋼進(jìn)行無(wú)縫焊接。攔截框架下降時(shí)啟動(dòng)潛水泵進(jìn)行抽水，攔截框架上升時(shí)啟動(dòng)潛水泵往外排水，框架上浮。

3)干渠水位在冬季和夏季變化較大，水位變化時(shí)，攔截設(shè)備的鉸支點(diǎn)位置需要適應(yīng)水位的變化。為此設(shè)計(jì)了滾輪升降機(jī)構(gòu)，采用2臺(tái)螺桿啟閉機(jī)同步提升安裝于滾輪上支鉸，實(shí)現(xiàn)在水位變化情況下可自由調(diào)節(jié)框架的入水深度。

4)水下維修成本較高，設(shè)備運(yùn)行要具有較高的穩(wěn)定性、可靠性。由于裝備的工作環(huán)境臨水或處于水下，一旦發(fā)生故障，就會(huì)涉及水下作業(yè)，因此維修成本較高；此外在運(yùn)行過(guò)程中，要完成攔漂框架的降、充排水動(dòng)作、螺桿機(jī)帶動(dòng)鉸支點(diǎn)的升降等至少3個(gè)機(jī)構(gòu)的6個(gè)動(dòng)作，各處動(dòng)作先后次序有要求，否則容易損壞設(shè)備。

鑒于該裝備對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的安全性、自鎖性的較高要求，在進(jìn)行影響沉浮功能的充排水裝置設(shè)計(jì)時(shí)，采用2個(gè)水泵，2個(gè)水泵可同時(shí)工作，也可單獨(dú)工作，互為備用，提高框架升降的可靠性。為了使操作更加簡(jiǎn)單、方便，該設(shè)備配備有電氣控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用一用一備以增加可靠性，并配備有無(wú)線遙控器，方便操作人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行操作。該系統(tǒng)包括電控柜、文本一體機(jī)、浪涌保護(hù)器、無(wú)線遙控收發(fā)器等電控元件，主要用來(lái)控制浮箱抽排水動(dòng)作和框架的升降。

5)運(yùn)行維護(hù)工作屬臨水作業(yè)，設(shè)備要設(shè)計(jì)有防護(hù)功能。工作人員進(jìn)行維護(hù)作業(yè)時(shí)，為保證工作人員的安全，設(shè)置插拔式安全護(hù)攔。該護(hù)欄由不銹鋼欄桿和安全繩組成，完成清理作業(yè)后將安全護(hù)欄收納入工具箱內(nèi)。

4 攔截導(dǎo)流裝備的主要結(jié)構(gòu)

4.1 攔截導(dǎo)流系統(tǒng)

攔截導(dǎo)流裝置通過(guò)可充排水的浮箱來(lái)代替卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)框架的提升，以消除卷?yè)P(yáng)機(jī)提升時(shí)配備的鋼絲繩和滑輪組對(duì)建筑物外墻的影響，浮箱做成半圓流線型，以減少工作時(shí)的水體阻力。

工作時(shí)，豎直方向上受到浮力、重力，水平方向有波浪沖擊力，其中豎直方向上的浮力對(duì)框架的安全性起決定作用，因此，研究浮力大小是其關(guān)鍵。浮力又受到自重及其上面的載荷影響，在實(shí)際工作時(shí)是個(gè)不定值。研究其最大浮力是關(guān)鍵。浮力大小即為排開水的重量，排開水的重量為：

F浮=m排g=ρ水gv排

式中：F浮為攔截裝置的浮力，N；m排為攔截裝置排開水的質(zhì)量，kg，ρ水為水的密度，kg/m3，v排為排開水的體積，m3，g為重力加速度。

攔截裝置工作時(shí)，平衡狀態(tài)下，浮力的大小等于攔截裝置的重力。但是為了安全，攔截裝置最大排水量為：所有攔截裝置排開水的重量。數(shù)值上最大浮力即為攔截裝置總重，即：

排水量實(shí)際上就是排水體積計(jì)算，其基本方法是：在計(jì)算排水體積時(shí)，用若干個(gè)與任一坐標(biāo)平面平行的平面，把水下體積分割成若干薄層微體積，算出這些微層體積，并求其總和，即得浮筒排的排水體積。

利用微分原理，得到排水體積為：

式中，V為排水體積，d為吃水深度，AW是離基面z處的水線面積，L是水線長(zhǎng)度，即浮筒的長(zhǎng)度。

以南水北調(diào)滎陽(yáng)管理處前蔣寨分水口為例，設(shè)計(jì)浮箱提供浮力約為27 kN，框架自重約為2.2 t，設(shè)計(jì)浮箱浮力完全滿足將框架通過(guò)浮力浮出水面的條件。攔漂框架完全入水后，水體對(duì)攔漂框產(chǎn)生的浮力可以抵消一部分重力，框架入水后對(duì)邊坡的實(shí)際作用力為1.83 kN。若浮箱完全排水后，可以將框架浮出水面。若浮箱充水，攔漂框架靠自身重力緩緩降落在分水口兩側(cè)邊坡上，實(shí)現(xiàn)對(duì)雜物的隔離。

4.2 抽排水管路的布設(shè)

浮箱的充排水由安裝于攔漂框架上的管路來(lái)實(shí)現(xiàn)，水下部分設(shè)計(jì)為剛性管，臨近水面轉(zhuǎn)接柔性管，方便框架起升時(shí)的空間自由度要求及與水泵的柔性連接。

管路分為通水管和平衡氣管，通水管主要對(duì)浮箱進(jìn)行充排水，包括進(jìn)水管和出水管，平衡氣管保證在抽排水時(shí)浮箱內(nèi)的氣壓平衡。為便于操作和觀測(cè)，根據(jù)分水口水工建筑物結(jié)構(gòu)形式，布設(shè)雙側(cè)下河步梯及通行觀測(cè)多功能攔截裝置，抽排水水泵與電氣控制系統(tǒng)安置在建筑物下方攔截裝置。

4.3 起升機(jī)構(gòu)

起升機(jī)構(gòu)用以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉸支座的升降，以適應(yīng)水位的高低變化。該機(jī)構(gòu)主要由鋼結(jié)構(gòu)機(jī)架、螺桿啟閉機(jī)及安裝于攔漂框架上部固定軸上的支承滾輪組成。鋼結(jié)構(gòu)機(jī)架上設(shè)置軌道，滾輪在軌道內(nèi)可上下運(yùn)動(dòng)；支鉸處安裝螺桿啟閉機(jī)，啟閉機(jī)上端用同步軸連接，保證啟閉機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)水位發(fā)生變化時(shí)，啟動(dòng)螺桿啟閉機(jī)提升框架到合適位置。該機(jī)構(gòu)有效解決了因水位上升將鉸座淹沒(méi)、維護(hù)人員無(wú)法進(jìn)行清理作業(yè)的情況。

5 結(jié)語(yǔ)

該裝備結(jié)構(gòu)布置合理、安裝方便、操作簡(jiǎn)單、安全可靠，易于運(yùn)行維護(hù)。自成功應(yīng)用以來(lái)，對(duì)干渠浮物具有良好的攔截效果，有效緩解了春秋季節(jié)浮生藻類、雜草枯葉等雜物對(duì)供水的影響，提高了進(jìn)入水廠的水體質(zhì)量，為工程沿線水處理廠的正常生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件，對(duì)保障沿線城鎮(zhèn)居民生產(chǎn)、生活及正常用水發(fā)揮了重要作用。自首套設(shè)備在南水北調(diào)滎陽(yáng)管理處前蔣寨分水口試驗(yàn)成功后，目前已經(jīng)在南水北調(diào)中線工程北渠首分局、河南分局、北京分局等10余座分水口得到較好的推廣應(yīng)用，受到中線工程運(yùn)行管理單位及受水單位的一致好評(píng)。