疏淤設(shè)備在二期抽黃灌區(qū)渠道的研制和應(yīng)用

呂延學(xué)，馬軍杰，楊秀峰

（渭南市東雷二期抽黃工程管理中心,陜西 渭南 714000）

0 前言

東雷二期抽黃灌區(qū)位于陜西省關(guān)中東部渭南市境內(nèi),是以黃河為水源的大流量、高揚(yáng)程輸水工程,樞紐泵站設(shè)在合陽縣坊鎮(zhèn)黃河岸邊的太里灣村,渠道沿鐵鐮山南緣一路向西,流經(jīng)大荔、蒲城、富平縣三縣,設(shè)計(jì)灌溉面積126.5 萬畝農(nóng)田。自1997 年通水以來,斗口累計(jì)水量達(dá)到25 億m3,為國家糧食安全和農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、建成小康社會(huì)做出了巨大的貢獻(xiàn)。

1 淤積的成因

1.1 客觀原因

黃河流經(jīng)黃土高原之后,挾沙量顯著增大,尤其是在春季桃花汛和夏季汛期,泥沙含量成倍增加,而此時(shí)正值春季和夏季抗旱灌溉的關(guān)鍵時(shí)期,灌溉輸水將大量的泥沙帶入渠道設(shè)施,隨著渠道分級,流速降低,泥沙沉淀形成淤積,導(dǎo)致渠道過流斷面減小水位抬高,影響工程設(shè)施效能的正常發(fā)揮,而且形成安全隱患。淤積容易發(fā)生的渠段有泵站的上游引渠、前池、進(jìn)水池等部位,在支渠的末端,淤積現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。

1.2 主觀原因

在灌溉生產(chǎn)過程中,一是部分泵站運(yùn)行多年設(shè)備老化,為了機(jī)電設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行,上游引渠常常水位較高,導(dǎo)致引渠、前池和進(jìn)水池產(chǎn)生淤積；二是為保障灌溉用水的穩(wěn)定供給,便于準(zhǔn)確持續(xù)計(jì)量,減少水量損失,利用各級節(jié)制閘調(diào)蓄水量抬高水位降低了流速,產(chǎn)生淤積；二是因城市建設(shè)造成渠道控制面積萎縮、水量綜合調(diào)配等其他原因,支渠的配水量達(dá)不到設(shè)計(jì)流量,特別是在支渠后段,渠道斷面大,配水流量小,每次灌溉都會(huì)形成大量淤積。

2 歷年來疏淤減淤的措施

為保障灌溉生產(chǎn)工作的正常開展,歷年來灌區(qū)工程管護(hù)人員,千方百計(jì)采取各種措施,清理淤積疏通渠道設(shè)施,以確保工程設(shè)施的安全運(yùn)行。一是在灌溉后期,合并各斗加大流量集中配水進(jìn)行拉淤,這種措施往往造成水量無法落實(shí),形成無法計(jì)費(fèi)的水量,降低了對口率；二是利用人工在斗門上游擾動(dòng)水流,耗時(shí)長人工量大,需要站在渠道內(nèi)操作,存在不安全因素；三是停水后使用挖掘機(jī)進(jìn)行清淤,常常損傷渠道襯砌,且渠堤大量堆積淤泥無處傾倒,增加了工程管護(hù)難度。渠道淤積不及時(shí)清理,影響灌溉生產(chǎn)的正常進(jìn)行,對工程高質(zhì)量管護(hù)帶來很大的困難。以二黃灌區(qū)孫鎮(zhèn)灌溉系統(tǒng)為例,每年徹底清理一條支渠的淤積并外運(yùn),需約3 萬～5 萬余元,12 條支渠需40 余萬元,高額的支出給工程管理單位帶來極大的困擾。

3 疏淤減淤的創(chuàng)新實(shí)踐

3.1 移動(dòng)式疏於機(jī)

二黃灌區(qū)總干渠、北干渠、分干渠斷面大、流量大,調(diào)度運(yùn)行合理一般不淤積,易產(chǎn)生淤積的是支渠,特別是在支渠后段。支渠斷面為“U”型,上口寬在0.6 m～1.5 m之間,設(shè)計(jì)流量在1 m3/s以下。管理人員利用農(nóng)田耕作常用的手術(shù)拖拉機(jī)進(jìn)行改裝,選取參數(shù)為1∶11的減速機(jī)作為泥沙擾動(dòng)裝置,連接傳動(dòng)軸垂直下傳動(dòng)力,安裝萬向節(jié)連接泥沙擾動(dòng)圓盤刷,在渠道行水時(shí)跨渠行走,圓盤刷插入水面進(jìn)行擾動(dòng),水淤混合流進(jìn)斗渠進(jìn)入田間,達(dá)到疏淤減淤的目的。

改裝過程中的注意問題：

1）渠道口寬不同,行走裝置的輪距可按渠道寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2）泥沙擾動(dòng)圓盤刷的轉(zhuǎn)速控制在160 r/min以下。為防止泥水飛濺,上設(shè)遮擋圓盤,采用柔性鋼繩作為擾動(dòng)刷,避免損傷渠道砼襯砌。

3）擾動(dòng)圓盤刷與傳動(dòng)軸用萬向節(jié)連接,靈活轉(zhuǎn)動(dòng),防止擾動(dòng)時(shí)泥沙下不明物塊碰撞刷盤,造成設(shè)備傾覆。

4）傳動(dòng)軸每10 cm設(shè)一個(gè)定位銷,根據(jù)泥沙厚度可伸縮調(diào)節(jié)。

5）減速機(jī)與柴油機(jī)在一條中軸線上,并牢靠連接,確保皮帶傳動(dòng)的穩(wěn)定性,作業(yè)時(shí)設(shè)備中軸線與渠道中心線基本保持一致。

6）設(shè)備在道路上行走安裝普通輪胎,在渠道作業(yè)時(shí)更換防滑鐵輪?？缜r(shí)鋪設(shè)木板,以前一輪為圓心,另一輪沿木板整體轉(zhuǎn)動(dòng)90°,即可前進(jìn)后退開始作業(yè)。

缺點(diǎn)和不足：設(shè)備相對笨重,需要人工操作,遇到橋涵等跨渠交叉建筑物無法通行,對渠堤平整度要求較高。

3.2 軌道式疏淤機(jī)

在移動(dòng)式疏淤機(jī)研制成功的基礎(chǔ)上,管理人員在孫鎮(zhèn)系統(tǒng)白家塬八級站前試制成功軌道式疏淤機(jī),其原理與移動(dòng)式疏淤機(jī)基本相似。

軌道式疏淤機(jī)分為固定軌道和疏淤小車兩大部分,其疏於小車由車架、行走裝置、擾動(dòng)裝置、控制箱四部分組成,以泵站自有電源作為動(dòng)力,自動(dòng)控制、來回行走、無需人力、簡捷方便。

注意的問題及解決辦法：

1）選用高10 cm輕型工字鋼作為軌道,在渠道襯砌上平面每間距3 m澆筑高50 cm鋼筋砼支墩,將工字鋼布設(shè)固定在支墩上。

2）車輪為凹槽輪轂,避免行走時(shí)擺動(dòng)滑落；設(shè)兩軸四輪,以增加擾動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。

3）以電機(jī)為動(dòng)力通過減速機(jī)降速,連接帶有差速器的后橋作為行走裝置。

4）以電機(jī)為動(dòng)力通過減速機(jī)降速,豎向帶動(dòng)泥沙擾動(dòng)圓盤,圓盤下嵌鋼繩刷；擾動(dòng)部分帶有自鎖裝置,根據(jù)淤積厚度可上下調(diào)節(jié)整體滑動(dòng)。

5）架設(shè)滑索電纜作為動(dòng)力電源,裝配控制箱,設(shè)手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式,軌道兩端設(shè)有限位開關(guān),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

6）動(dòng)力電纜三相四芯,零線接地牢靠,確保操作安全。

缺點(diǎn)和不足之處是,需要?jiǎng)恿﹄娫?因此僅可應(yīng)用于泵站前淤積嚴(yán)重的引渠,行進(jìn)擾動(dòng)長度較短,不能完成野外渠道的疏淤。

3.3 反推式?jīng)_淤船

為解決移動(dòng)式、軌道式疏淤機(jī)的缺陷,更加節(jié)約人力,更加方便運(yùn)行,管理人員經(jīng)過多次試驗(yàn),研制出浮于渠道水面、以汽油抽水泵作為動(dòng)力、利用反沖力行走并對淤泥進(jìn)行沖刷擾動(dòng)的反推式?jīng)_淤船,不需人工,對渠堤平整度和渠道是否通暢沒有要求,達(dá)到對支渠全段及各類隧洞內(nèi)疏淤減淤的目的。

反推式?jīng)_淤船由船體、高壓汽油水泵、抽排水組件、防撞裝置、控制器五部分組成。船體總重120 kg,變換工作地點(diǎn)時(shí)用裝有“隨車吊”的農(nóng)用三輪作為運(yùn)輸工具。

制作工藝和應(yīng)注意的問題：

1）船身材料選用1.8 mm薄鋼板卷焊,根據(jù)渠道寬度和浮力,確定船體的外輪廓尺寸（長2.1 m、寬0.75 m、高0.4 m）,船身設(shè)置1 個(gè)吸水口,2 組噴射口。

2）選用出水揚(yáng)程大于80 m、抽水量大于35 m3的電啟動(dòng)汽油抽水泵,安裝固定于船體適當(dāng)位置。

3）吸水口位于船體前端迎水面下；船前端噴射口與水平面夾角75°,后端噴射口與水平面夾角45°,采用軟管與汽油泵體可靠連接。

4）前后噴射口軟管與泵體之間的連接加裝電磁閥,電磁閥開關(guān)分別控制前后噴射口,進(jìn)而可以操控船的前后運(yùn)行。

5）汽油泵與電磁閥電氣部分,根據(jù)電器線路圖連接至集成控制器,配蓄電池供電,做到遠(yuǎn)程遙控操作。

6）船身兩側(cè)安裝導(dǎo)向防撞輪,根據(jù)渠道狀況可伸縮調(diào)節(jié)寬度,避免船體運(yùn)行過程中碰撞渠道邊沿,影響正常的行進(jìn)。

4 運(yùn)行效果

2021 年二黃灌區(qū)三季四輪灌溉,孫鎮(zhèn)系統(tǒng)共計(jì)運(yùn)行153天,期間對三套疏淤設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)場測試和運(yùn)行,均運(yùn)行良好,疏淤效果明顯。移動(dòng)式疏淤機(jī)分別在東四支、東六支、西分干三條不同規(guī)格的渠道、軌道疏淤機(jī)在白家塬八級泵站前引渠進(jìn)行疏淤作業(yè),反推式?jīng)_淤船在多處連接渠道的隧洞內(nèi)進(jìn)行了沖淤操作,現(xiàn)場顯示,經(jīng)過設(shè)備擾動(dòng),沉積多年的泥沙泛起,水體渾濁度顯著增加,停水后淤積高度大大降低,部分渠道淤積消失,露出了砼襯砌渠底。

圖1 移動(dòng)式疏於機(jī)

圖2 軌道式疏於機(jī)

圖3 反推式?jīng)_於船

以東四支渠及東四支3斗渠為例,分別對疏淤設(shè)備前后水流測量其含泥量變化情況,并對該渠道擾動(dòng)前后的淤積情況進(jìn)行對比,相關(guān)數(shù)值見表1、表2。

表1 東四支渠道特征參數(shù)表

表2 擾動(dòng)后淤積變化情況測算表

經(jīng)過三種不同的疏淤設(shè)備的測試,得出以下結(jié)論：

1）渠道淤積的泥沙只要經(jīng)過擾動(dòng),即可被水流帶走,達(dá)到減少渠道淤積的目的。

2）在下一級渠道進(jìn)水閘上游一定范圍內(nèi)進(jìn)行擾動(dòng)疏淤,降低該段渠道的侵蝕基準(zhǔn),可以提高水流流速,拉動(dòng)上游泥沙向下游移動(dòng),達(dá)到整條渠道減於的目的。

3）設(shè)備工作過程中的分層擾動(dòng)（來回一個(gè)周期內(nèi)擾動(dòng)刷下降10 cm）,逐步增加水流的攜沙量,不影響灌溉的正常配水,也不會(huì)再次形成泥沙沉積。

4）擾動(dòng)疏淤可以僅在灌溉后期（灌溉結(jié)束前3天）實(shí)施,以節(jié)省費(fèi)用。

5 結(jié)語

針對不同的渠道實(shí)際,三種設(shè)備均達(dá)到了預(yù)期的疏淤減淤目的。抽黃灌區(qū)來水泥沙含量大,渠道工程設(shè)施線長面廣,易產(chǎn)生淤積的渠道工程設(shè)施多處存在,不加以治理淤積這一難題,很大程度上影響灌區(qū)設(shè)施功能的正常發(fā)揮,日積月累對工程設(shè)施的有效管護(hù)將變得非常困難。對于渠道建筑物如倒虹,排洪涵洞等的淤積問題,可參考以上成果,研制能夠在水下工作的疏淤機(jī)器人,相信會(huì)更全面地解決淤積問題,更好地服務(wù)于渠道工程管理,服務(wù)灌溉生產(chǎn)。