新型水利工程深孔清淤除渣设备的研制

陶永霞，吕桂军，杨 鹏

（1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004；

2.小流域水利河南省高校工程技术研究中心，河南 开封 475004；3.武汉大学，湖北 武汉 430072；4.黄河水利委员会 河南河务局，河南 郑州 450003）

新型水利工程深孔清淤除渣设备的研制

陶永霞1，2，吕桂军1，2，杨 鹏3，4

（1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004；

2.小流域水利河南省高校工程技术研究中心，河南 开封 475004；3.武汉大学，湖北 武汉 430072；4.黄河水利委员会 河南河务局，河南 郑州 450003）

在水利工程施工中，当钻孔较深且沉渣粒径较大时，传统的正循环、反循环清渣方式比较困难。针对存在的问题，研制了一种深孔潜水施工清渣、除淤装置，分析了该装置的技术原理，研究了设施优选方案和技术结构。

水利工程；深孔沉渣；清渣装置；设施结构；研制应用

0 引言

传统的孔底清渣大多采用正循环法或反循环法。正循环、反循环清渣的共同原理是，利用泥浆的流动，将悬浮在泥浆中的钻渣排出孔外［1～2］。从理论上讲，只要冲洗液携带钻渣的流速大于钻渣在泥浆中的沉降速度，便可将钻渣清出孔外［3］。但是，在清渣过程中，由于沿程水头损失和局部水头损失都很大，当钻孔较深，且沉渣粒径较大不能悬浮在泥浆中时，往往无法将沉渣从深孔中排出。因此，这两种清渣方法施工效率低、成本高、困难大。为了克服深孔清渣中大粒径沉渣难以清除的问题，我们开发出了一种潜水泵深井清渣装置。该装置需要动力小，操作灵活、方便，能够将深孔沉渣便捷、快速地清除，大幅度提高了深孔清渣的施工效率。

1 深孔清渣装置的原理及设施的优选

1.1 技术原理

潜水泵清渣装置是一种在技术、经济方面适合水利工程深孔清渣施工工艺技术的设备。它把潜水泵改造的清渣装置潜入深孔中，循环不断地抽取深孔中的泥浆，吸进潜水泵中的泥浆经潜水泵加速后获得初始动能，再经由出浆孔口高速喷出。喷出的泥浆对孔底沉渣进行猛烈地冲击搅动，使孔底沉渣冲起顶升，最后在重力和泥浆阻力作用下，开始回落，由集渣桶把回落的沉渣收集起来。装满沉渣的集渣装置由地面的卷扬提升装置提升到地面，进行出渣。如此往复，直到孔底清理到设计孔深。

1.2 设施优选

（1）潜水泵。潜水泵的选择受钻孔直径大小的限制。因此，该装置选择了直径较小的QY型充油式潜水电泵为能量输入装置。QY型充油式潜水电泵由水泵、密封、电动机3部分组成。水泵位于电泵上部，为离心式或轴流式结构，电动机位于电泵下部，为充油式三相异步电动机，水泵和电动机之间采用内装式整体机械密封盒密封。该泵结构紧凑，轴承润滑条件好，电机降温效果好，单级或多级离心式叶轮，径向导叶结构。根据钻孔深度不同，选择潜水泵的型号。

（2）潜水泵出浆管。潜水泵流量一定时，出浆管路的直径越小，射出的液体流速越大。因此，该装置采用内径为40mm的钢管作为出浆管。

2 深孔清渣装置结构分析

2.1 集渣桶设计

通过试验发现，在沉渣上升范围内，存在一个收集沉渣的有效高度。多次试验证明，这个范围在沉渣上升的0.7m内。在这段有效的集渣范围内，要把集渣桶的体积做的尽量大，以便一次收集的落渣足够多。初步设计时，采用的是一层平底集渣桶的形式，桶口高度距离沉渣面0.6m。清渣时发现，桶中沉渣粒径都很小，大粒径沉渣很少。通过对沉渣理论粒径的最大值和最小值进行分析，得出沉渣最大和最小粒径的平均顶升高度。按此顶升高度，对集渣桶进行了双层设计，第一层尽量收集大粒径的落渣，第二层收集较小粒径的落渣。每层桶高0.25m，两层桶的间距为0.1m。这个高度正好处于有效集渣范围内。根据多次施工经验发现，集渣桶底做成锥形底比做成平底收集落渣的效率要高，可以有效减少一次出渣的循环时间，这也符合水力学的液体循环绕流原理。于是，第一层设计成了锥形底，倾角为45°（潜水泵深孔清渣系统如图1所示）。这种形式符合流体力学原理，使碰到桶底的石渣沿倾斜方向在循环液流中继续保持上升，减少了回弹能量消耗，降低了石渣上升的难度。石渣上升碰到桶底反弹方向如图2所示。

图1 潜水泵深孔清渣装置示意图Fig.1 Submersible pum p longhole scarfing cinder

实践证明，两层桶的总容积比一层平底桶有所减小，但大粒径落渣容易被底层收集，且每次集渣时间由原来平均的15min缩短到了不到10min，因此，加快了清渣速度，提高了施工效率。

2.2 沉渣上浮最大高度计算

在清渣装置设计中，要计算沉渣的最大顶升高度。根据确定的沉渣最大顶升高度来定潜水泵出浆管路的最短长度。如果潜水泵出浆管路的长度小于最大沉渣顶升高度，将会有沉渣被吸入潜水泵，磨损潜水泵叶片。确定了出浆管路的最短长度，潜水泵在出浆管路中的局部水头损失和沿程水头损失就最小，更有利于冲渣。

在理论分析中，沉渣受到的重力小于等于它受到的浮力时，沉渣就能上浮。假定不规则沉渣为实心球体［4］，它受到的重力按公式（1）计算，受到的浮力按公式（2）计算。

图2 第一层集渣桶底部倾角料渣导向示意图Fig.2 The first layer slag pot dip slag direction

式中：d1为球形岩屑直径，m；ρ1为岩屑颗粒密度，kg／m3。

式中：ρ2为井底泥浆液体的密度，kg／m3。

在沉渣上升过程中，泥浆阻力做负功，且阻力大小与沉渣粒径大小直接相关。为使求得的最大顶升高度对泥浆泵运行有利，计算中，可以忽略该阻力，认为冲击上升过程中只有重力、浮力做功。根据工程实际情况，确定泥浆液体的密度为1.2 g／cm3，沉渣的密度为2.4 g／cm3。若水泵流量为25m3／h，可以计算出泥浆流速为5.53m／s。采用极限分析法，认为沉渣被泥浆多次冲击后也获得该速度。把公式 （1）和（2）代入能量守恒方程得：

经计算，沉渣最大顶升高度为1.6m。据此设定出浆管路长度为1.6m。施工实践证明，在该高度处，泥浆泵运行良好，不会吸入沉渣。

3 结语

经在开封市深井清淤除渣过程中试用，该装置在满足同样设计要求的前提下，能够提高施工效率，降低施工成本。比如，在钻孔直径为50 cm，清除粒径20mm的沉渣时，用常规的正循环清渣法需要流量为70m3／h的水泵，地面还需要修建泥浆池进行沉渣，且对于深孔清渣效果往往不佳；而使用该装置仅需要流量为25m3／h的潜水泵，也不需修建地面泥浆池，且清渣深度不受限制。可见，该方法比常规清渣方法更加优越，且降低能耗、节省工程投资。

该装置还有提高工效的空间，还需要继续优化。水力冲击紊乱流态下的水力学问题非常复杂，很难用目前的流体力学和水力学理论完全解决，依靠实践和试验取得的相关参数的精确度还有待于进一步完善，以便进一步提高设计水平。

［1］胡斌.加强水利机械清淤的技术研究［J］.河南水利与南水北调，2007（10）：28-29.

［2］曹慧群，周建军.我国水利清淤疏浚的发展与展望［J］.泥沙研究，2011（5）：67-72.

［3］王九林.钻（冲）孔灌注桩清渣对策的探讨［J］.探矿工程，2004（9）：6-9.

［4］刘强，夏柏如.非开挖施工中反循环清渣工艺的研究［J］.探矿工程，2009（2）：61-63.

[责任编辑 杨明庆]

TV53

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1008-486X（2015）01-0009-03

2014-06-20

黄河水利职业技术学院科研基金资助项目：黄河中下游地区深井清渣装置的研制与应用(2014KXJS007)。

专利项目：《一种潜水泵深孔清渣装置》2014.4.30，专利号：ZL 2013 2 0729851.0。

陶永霞（1971-），女，河南杞县人，副教授，主要从事水利水电工程建筑设计、施工方面的教学与研究工作。