南水北调中线工程天津干线清淤设备的研制与试验

孙铭超

（南水北调中线干线工程建设管理局天津分局，天津300000）

南水北调中线干线工程总干渠采用明渠输水，外来杂物进入渠道后形成淤积物，加之水体自生藻类的不断繁殖，易沉积在水流较缓的退水闸、分水口等部位。天津干线2014年底建成正式通水运行至今已经近4年，由于采用箱涵结构，在西黑山进口闸、西黑山排冰闸、子牙河北分流井、外环河出口闸的部位出现较严重的淤积情况，在一定程度上影响了供水水体流速、水量计量和运行安全。清淤工作的开展，需要选择适宜南水北调工程的清淤设备，本文就清淤设备的选择与研制进行详细阐述。

1 清淤方式的选择

1.1 清淤设备选型要求

南水北调中线工程起点位于汉江中上游丹江口水库，供水区域为河南、河北、北京、天津4省（市）。天津干线作为中线工程的一部分，清淤设备的选型与研制也要满足总干渠的需要。

南水北调中线工程沿线淤积点较多，淤积面积不大，分布较为分散，淤积点附近场地空间有限，不适于大型设备作业，需采用小型移动设备清淤。工程要求全年不间断供水，无法采用停水排空清淤的方式，清淤设备要满足正常输水的工况，并且在清淤过程中不能造成淤泥扩散、水体二次污染的情况发生。

1.2 清淤方式

通过对目前国内清淤方法及相关设备调研，清淤工程一般为两步，第一步是将淤泥与水体分离；第二步是淤泥处理。

1.2.1 淤泥上岸

通过设备将淤泥（泥水混合物）抽吸上岸，上岸后进行进一步处理。目前国内一般通过泵抽吸或绞吸，根据泵的类型不同和搭载泵的载具不同，抽吸装置种类很多，淤积严重的可采用抓斗直接处理。不同类型的淤泥抽吸设备如下页图1所示。

1.2.2 淤泥处理

淤泥上岸后，根据淤泥内部所含物质的不同，处理方式不同。直接晒干后再收集的方法，对场地需求大，容易造成二次污染，目前较少采用。使用水工管袋过滤的方式（见下页图2），缩小了场地面积，减少二次污染，但总体占地面积仍较大，过滤时间长的缺点无法改善。在泥水混合物中添加试剂絮凝后使用高速离心机脱水的方式（见下页图3），占用场地小，处理速度快，脱水后的淤泥含固量高，可进一步压缩成肥料或制砖，进行二次利用，因此选择此类型的处理方式相对合适。

1.2.3 南水北调中线工程清淤方式的选择

南水北调中线工程渠道内的淤泥主要为藻类死亡后尸体及空气中或原水中尘土沉积。淤泥中有机质高，颗粒小，容易沉降。清淤工作通过水下清淤机器人将渠道内淤积物绞吸至振动筛，大于2 mm的杂质被过滤出来，外运处理。小于2 mm的泥浆进入均质槽，PAC投配装置向均质槽投加混凝剂并充分搅拌，然后通过泵送系统输送至卧螺离心机，与制备好的PAM溶液（水取自渠道）在管路中在线混合之后进入脱水机进行分离脱水。处理后的清水回排到渠道；排出的固渣可用于绿化种植土，达到资源合理化利用。满足正常输水下清淤的工况，不会造成淤泥扩散、水体二次污染，易于实现设备小型化、可移动使用的要求。

图1 不同类型淤泥抽吸设备

图2 水工管袋过滤

图3 螺旋机离心处理

2 清淤设备的研制

整套设备考虑由淤泥上岸设备、预处理设备、脱水处理设备组成，国内目前没有现成的设备可供选择，需要进行相关设备的研制。

2.1 清淤设备研制目标

淤泥上岸设备不会对水体产生油污等污染；扬程应大于10 m，泵送流量不可低于10 m3/h；应配有定位设备和高清摄像头，可查看淤泥清理情况和水底情况。

预处理设备、脱水设备淤泥处理能力：淤积物主要成分为黏土，不低于400 kg/h（干基）；淤积物主要成分为藻类，不低于200 kg/h（干基）；处理后固渣含固率要求35%以上（固渣有机物含量小于15%）；处理后固渣含固率18%～35%（有机物含量大于15%）。

整套设备车载可移动，车辆长度不超过7 m，宽度不超过3 m，高度不超过4 m，设备尽量小型、便捷；应配备电气控制系统，操作人员不多于10人。

2.2 淤泥上岸设备

淤泥上岸设备主要由水下清淤机器人、多功能运载车、脐带缆、污水管组成。

水下清淤机器人自带控制系统，整体采用为液压驱动、超小机身设计，工作性能高，稳定性强，潜水深度可达50 m，并配备防水电缆（见下页图4）。机器人尺寸2 100 mm×1 100 mm×800 mm（长×宽×高），机器人重量900 kg，清淤宽度1 100 mm，行进速度3～15 m/min，可泵送颗粒直径8 mm，泵送流量22 m3/h，扬程15.7 m。机器人通过污泥回收装置集中到吸污口，利用吸污泵将淤泥吸入，履带式行走机构与“绞笼+粉碎”吸污排污相结合，实现自主清淤排污。配置水下成像声呐，700线专业浑水摄像机与深度、温度等传感信息融合全方位观察水下情况，实现复杂淤泥环境感知的清淤作业。

图4 水下清淤机器人示意图

多功能运载车辆配备卷缆机、液压动力站、车载吊和控制台，主要用于控制、配合运载清淤机器人开展清淤工作。滑环卷缆机卷缆长度100 m，液压驱动，拉力大于1 t，采用滑环不间断通信。车载折叠吊伸出车厢长度3 m，起吊重量1 000 kg，利用电缆全时牵引。

图5 多功能运载车示意图

2.3 预处理设备

预处理设备主要由振动筛、均质槽和PAC投配装置构成。设现地控制箱，触摸式屏幕，RS485通信接口，提供干接点输出信号。

振动筛过流能力5～10 m3/h，用于除去淤泥中2 mm以上的石子、砂砾、树叶、树枝等杂质，对后端输送泵、脱水设备等起到保护作用。振动筛筛分出的杂质，呈干燥形态，容易收集。

筛滤后小于2 mm的浆液落入安装在下方的均质槽中，同时PAC投配装置向均质槽中投加适量PAC干粉，搅拌机对浆液与PAC干粉进行充分搅拌混合，完成预处理的浆液送入下阶段进行脱水处理。

在均质槽高位处设有溢流口，当液位到达溢流口，浆液将通过溢流口连接的管道回流到渠道中。在均质槽低位处设有排空口，方便均质槽的清洗和清空。

2.4 脱水处理设备

脱水处理设备包括淤泥专用脱水机、进料系统、絮凝剂PAM投配系统、固渣输送器、水泵等。

预处理后的浆液通过进料转子泵送向C3型淤泥专用脱水机，在脱水机进料口，浆液与制备好的PAM溶液（水取自渠道）在管路中在线混合之后进入脱水机进行分离脱水。脱水处理后液体排回渠道，固渣通过无轴螺旋输送器排出后进行收集。可用于绿化种植土，达到资源合理化利用。

脱水处理设备控制系统采用PLC触摸屏控制，预留以太网接口，其运行模式分为手动、半自动、自动三种控制方式。控制系统能根据生产工艺要求从物料脱水各设备的启动、进料、脱水、出料、输送直至设备停机、卧螺离心机清洗全过程自动/手动操作控制，工作状态参数测量与显示，异常状态检测、报警和联锁控制功能，以确保脱水系统的运行安全可靠。

2.5 设备装载车辆

预处理设备、脱水处理设备分别装载于1辆翼开启厢式载货车上，车辆外形尺寸6 995 mm×2 420 mm×3 650 mm（长×宽×高），载重 5 t。

3 清淤设备试验

3.1 清淤设备试验要求

3.1.1 水下清淤机器人基本性能

行走能力：主要观测陆上行走速度（水下陆上）、可爬坡角度、转向能力（水下陆上），要求带管道操作。

水下摄影及声呐系统：将水下清淤机器人置于外环河出口闸出口（高流速）、出口30 m处（中流速）、出口50 m处（低流速），机器人水下摄像及声呐系统运行情况和水下拍摄、定位效果等。

泵送流量及距离：将清淤水下机器人置于外环河淤泥中后，固定位置绞吸抽取淤泥，绞吸泵泵送最大流量、距离等是否符合要求。

3.1.2 水下清淤机器人绞吸淤积物的具体形态和理化性质

通过水下清淤机器人置于外环河出口闸不同位置（可为减速坝前，减速坝5 m后，曹庄泵站前等），记录绞吸淤泥的深度，取最少3个深度（从表层到底部）的淤泥样本，每个样本不少于3个，分析淤泥具体形态和理化性质。

3.1.3 预处理设备和脱水处理设备性能

基本性能测试：设备整体运行是否流畅，运行参数是否可行；药剂投放装置是否运行流畅。

脱水产生的水体水质情况：取设备启动后不同时间段所产生的水体，测试水质电导率、化学需氧量、pH等参数。要求实验最少包含设备启动后第一批和设备关闭前最后一批水体。

固渣含固率测试：取设备启动后不同时间段所产生的固渣，测试固渣含固率。要求实验最少包含设备启动后第一批和设备关闭前最后一批固渣。

待设备调试及最佳运行参数确认后，正常运行6 h，统计药剂使用量。

3.2 清淤设备试验完成情况

至2018年12月10日，在外环河出口闸进行的清淤设备试验工作完成了水下清淤机器人行走能力、水下摄影及声呐系统、泵送流量及距离、淤泥不同位置取样、脱水后水体水质检验、固渣含固率测试、药剂使用量统计、清淤效率测试等工作，清淤设备的宏观效果和量化参数符合预期，设备运行有效。

3.3 清淤设备存在的问题及建议

在清淤设备试验过程中出现了一些问题，经过研制厂家的不懈努力得到了解决，但在今后的使用中要注意如下问题。

（1）外环河出口闸设有清理漂浮物的浮排，水下坠有配重块及失落的配重块，导致试验状况较预想复杂，出现了撞击配重块缠绕住绳索的现象。实际淤积物也与清淤目标存在不同，出口闸闸后池中间部分水流流速快淤积较轻，小贝壳多，刚开始容易堵塞泵前滤网，后调整滤网孔径，问题解决；两边部分水流流速缓淤积较厚，淤积物中有较多树叶和其他杂物，容易堵塞污泥回收装置网孔，需要把机器人出水，人工进行清理。

（2）水下清淤机器人采用液压动力，液压阀组采取了密封措施，但在试验过程中出现了阀件渗漏，压力升高顶开密封装置的情况。在使用过程中要注意系统压力的变化，发现异常及时把机器人出水进行检查，制定油污染清理应急预案，一旦出现污染情况及时启动应急预案，采取措施清除污染物。

（3）3台车辆上设备的供电连接点、管路连接点、出渣位置要考虑总干渠旁边道路较窄，车辆需要依次布置的状况，便于操作。除清淤设备3台车辆外，根据设备电力需求较大的情况，建议增加移动发电车集中供电；增加工器具车辆，用来装载专用工器具及清渣工具。

4 结语

清淤设备在南水北调中线工程中的实际应用表明，清淤效果明显，高效、环保，水下清淤机器人吸泥上岸与卧螺离心机泥水分离的设备组合可以实现设备小型化，可移动使用，自动化程度高。建议清淤设备可在全线推广使用，以达到清洁水质、输水安全、工程顺利运行的目的。