基于TRIZ理論的水庫清淤裝置的創新設計

王子豪 ，梁建奎

（1.河北工程大學水利水電學院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學河北省智慧水利重點實驗室，河北 邯鄲 056038；3.南水北調中線干線工程建設管理局，北京 100038）

根據2020 年全國水利發展統計公報，我國現有水庫98 566 座，其中的80%修建于20 世紀50—70年代[1]，隨著歲月推移，許多水庫泥沙淤塞、庫容量大大減少，甚至50%以上的水庫接近死水位，嚴重影響水庫灌溉、防洪、發電、供水等功能。因此，深入研究水庫清淤，對于發揮水庫基本功能、提升水庫綜合效益等具有重要意義。在水庫清淤方面，國內外學者進行了大量的研究。

陳楊以紅山水庫為例，提出了在水庫上游修建導流堤、下游修建排沙渠的清淤措施[2]；劉增輝等從機械清淤和水力排沙清淤2 個方面，對水庫清淤技術進行了分析[3]；楊順剛根據水庫泥沙淤積形成的原因，提出了“庫中庫”泥沙清淤技術[4]；杜建濤則對中小型水庫的清淤措施進行了分析[5]；閆振峰等研究了虹吸式管道排沙技術在水庫清淤中的應用及效果[6]。但目前對水庫清淤裝置的研究，多集中于清淤船等需大量外部動力的清淤裝置的研究，仍然無法改變水庫清淤施工難度大、耗資多等缺點。本文基于TRIZ理論，設計了一種新型的水庫清淤裝置。

1 TRIZ理論的簡介

TRIZ-發明問題解決理論。前蘇聯專利審核員阿奇舒勒分析研究了世界上大批的技術發明專利，創立了發明問題解決理論。TRIZ 理論包含40 條發明原理、39 個通用參數以及矛盾矩陣等解題方式。TRIZ 理論特別強調處理現實問題特別是發明問題，并由解決發明問題而最終實現創新[7]。

2 問題分析

水庫的自我清理能力弱，因為地理因素，清淤機械化設備難以進入，目前主要以單人小設備清淤為主；水庫清淤效率低，成本高，迫切需要一種速度快、效率高的清淤裝置。

2.1 水庫清淤裝置的功能分析

本文依次通過組件分析、相互作用分析、功能建模3個步驟[8]，找出系統組件間和超系統組件的相互作用關系，評估各個組件所執行的功能。

2.1.1 組件分析

列出水庫清淤裝置的系統組件和超系統組件，通過組件分析，為各組件間相互作用分析做鋪墊。水庫清淤裝置組件分析，詳見表1。

表1 水庫清淤裝置組件分析

當2 個組件相互作用時就會產生功能。吸取淤泥裝置與引泥管相連接，存在相互作用，在關系矩陣中用點表示；淤泥對引泥管存在磨損作用，在矩陣中用點表示；供電裝置對打散淤泥裝置也存在相互作用關系。根據組件分析內容，繪制水庫清淤裝置的相互作用矩陣，如圖1所示。

圖1 水庫清淤裝置組件關系矩陣分析

通過對圖1 的分析，得出各組件的功能屬性，詳見表2。

表2 水庫清淤裝置組件功能分析

2.1.2 系統功能建模

根據對水庫清淤裝置的組件分析、組件功能分析和相互作用分析，對水庫清淤裝置進行功能建模，如圖2所示。

圖2 水庫清淤裝置組件功能模型分析

由圖2 可以看出，供電裝置對淤泥打散裝置供能不足，導致對淤泥細化處理效果差；淤泥會堵塞、磨損引泥管，直接降低清淤裝置的清淤效率。

2.2 水庫清淤裝置因果鏈分析

通過構建當前水庫清淤裝置存在問題的因果鏈，探明水庫清淤裝置效率不高、普及率不廣的原因。通過水庫清淤裝置功能分析和因果鏈分析，得出清淤裝置改進目前面臨的3 個問題：如何提高裝置自身動力；如何增強淤泥流動性；如何削弱淤泥中顆粒塊狀物危害。

3 問題解決

3.1 清淤裝置動力的提高

3.1.1 技術矛盾沖突

若要提高供電裝置的功率，則需要改進物體供能方式，減少能量損耗。改進物體供能方式增加了水庫清淤裝置的系統復雜性，對設備日后的檢修存在不利因素。通過查找矛盾矩陣，惡化的參數為系統復雜性，在39 個通用技術參數中，序號為No.36。改善的參數為供電裝置的輸出功率，依據TRIZ 理論[9]，可轉換為39個通用參數的No.21。對供電裝置進行技術矛盾分析，結果詳見表3。

表3 技術矛盾矩陣

通過建立矛盾矩陣找出具體解決方案如下。

（1）依據第19 條發明原理：周期性作用原理。采用預先準備好的蓄電措施補償物體相對較低的可靠性。原有能量供給方式為及時供電，偏遠地區突發情況較多，一旦斷電系統將無法正常工作或有所損壞，極大地影響了系統裝置的可靠性。在原有供電裝置上加裝太陽能電池，在空余時間儲存能量于蓄電池中，如遇到突發情況，可及時進行能源補充，保證裝置正常運行。

（2）依據第30 條發明原理：柔性殼體或薄膜原理。在裝置內表面增加一層柔性橡膠，防止淤泥中碎石顆粒破壞清淤裝置內壁。

3.1.2 物-場模型分析

建立問題的物-場模型，如圖3所示。

圖3 物-場分析模型

根據所建有用但不足的物-場模型，采用第三類標準解[10]。在S1或S2的外部引入外部添加物S3，組合S2和S32個組件，建立雙系統[11]，選定標準解。

根據40 條發明原理[12]，采取第20 條：有效作用的連續性原理，用太陽能發電板、鋰電池同時驅動電泵，電泵多向驅動螺旋槳，來避免一個方向堵塞停止工作，提高清淤效率。

3.2 淤泥流動性的增強

3.2.1 技術矛盾沖突

為了提高淤泥在管道內的流動性，需要增強管內壓力，從而提高對淤泥的推力，但這樣做會導致管內壓強太大，超出安全范圍，有管道爆裂的危險。

建立矛盾矩陣，詳見表4。

表4 技術矛盾矩陣

在40條發明原理中找出具體解決方案如下。

（1）依據第11 條發明原理：預補償原理。為了防止裝置堵塞管道，在管道內采用旋轉式，同時加入減壓裝置，讓管道如同水泥攪拌機一樣，能夠旋轉式帶走淤泥。在裝置末端安裝吸污裝置，不僅可以吸淤泥，還可以抽取管內空氣，形成管內外氣壓差，提高淤泥流動性。

（2）清淤只在夏季用水需求量大時清理，同時利用地勢實現泥水分離。依據第35條發明原理：性能轉換原理，把管道安置在水庫底部，利用地勢差來間接提供淤泥向下流動性。

（3）依據第28 條發明原理：機械系統的替代原理，在管道內部把所有連接采用活鍵連接，增加管道的活性及柔韌度，在提高動力的同時間接保持穩定。

（4）依據第27 條發明原理：廉價代替品原理，管道可以采用便宜的橡膠材料，易尋找，易更換。

3.2.2 物理矛盾沖突

為了防止淤泥流動性太低，在管道內增加螺紋，使系統內部裝置變得復雜，但是為了減少成本，又需要參數內部裝置系統簡單，通過該分析，定義物理矛盾[11]。鑒于淤泥在不同的條件下有不同的特性，選用條件分離原理。與該分離原理對應的發明原理有第29 條：氣壓和液壓結構原理。依據該原理，在外部安置吸污裝置，減少內部復雜度，形成管內外氣壓差，有效提高清淤效率。

3.3 淤泥中顆粒塊狀物危害的削弱

3.3.1 技術矛盾沖突

為了打散大顆粒塊狀物，需要加大螺旋槳功率和材料硬度，但顆粒會碰撞損壞管道且易導致淤泥堆積堵塞。查找矛盾矩陣，依據40條發明原理中的第18 條發明原理：振動原理，在管內安裝硬質螺旋槳，打散淤泥中的大顆粒物，同時在管內采取雙管道模式，增加振動裝置，防止堵塞。清淤裝置雙管排泥，如圖4所示。

圖4 清淤裝置雙管排泥概念

3.3.2 物理矛盾沖突

考慮到淤泥的清理存在空間順序，即上層的淤泥先被清理，采用空間分離原理。在40條發明原理中，選擇第2條：抽取原理，在水庫清淤水域的底部安置不易降解的壓力膜，有效隔絕底部淤泥，便于清理膜上淤泥。同時，在壓力膜上放置導流片，有效導引泥水形成旋流，便于清理。具體情況，如圖5所示。

圖5 螺旋抗壓膜透視圖

4 方案評價與實施

通過TRIZ標準解的解題方法，得出水庫清淤裝置改進方法。每一個改進方法都針對問題反映了系統局部的創新，更加全面地對整個系統進行了探討，完善了本系統的各個部分。在供能方面，采用電能、太陽能復合式供能方式，提高清淤裝置的續航時間和清淤穩定性；在防止淤泥腐蝕沖刷方面，在與淤泥接觸的內層布置柔性橡膠，防止淤泥碎石顆粒破壞清淤裝置內部，同時各個管道的連接處采用活性連接，增加管道柔韌度；在減少裝置復雜度方面，采取在外部安裝吸污裝置，一方面形成管道內外壓力差，使泥水混合物快速流動，提高清淤效率，另一方面也防止管道堵塞；在消除淤泥中不融顆粒物危害方面，在管內安裝硬質螺旋槳，打散淤泥中顆粒物，并且采取雙管道模式，在內管增加振動裝置，防止堵塞。水庫清淤裝置整體結構，如圖6所示。

圖6 水庫清淤裝置整體結構

5 結語

改進的水庫清淤設備采用自我生態的處理方法，利用螺旋傳動導流管在不耗費外界能源的情況下產生氣壓，平穩、有效地擾動水底的淤泥，使淤泥起動和向下轉移；在水底層設置螺旋槳和泥沙流動管道，將泥沙打散再運出，從根本上改變水庫的淤積情況。同時，小范圍地改變了水庫底部設計，提高淤泥消除率，而且可以改善水體磷、氮等成分濃度，進而改善水質。此系統可循環使用，無耗能清淤，符合國家碳中和的大背景。