水工启闭闸门高压清污清淤系统研究

岳 峰，李国栋

（山西水务集团建设投资有限公司，山西 太原 030001）

从国家第一个五年计划开始，水利设施作为第一产业的基础列入国家战略设施，进入了高速发展期。各参建单位根据不同的地域和环境，针对性地开发出很多新技术、新设备、新材料、新工艺，解决了农业发展难题，推动了国民经济高速发展。

经过60多年的超负荷运行，江河湖泊的各类闸门，临海、临河的启闭设施，除自身物理变形导致性能下降外，受外部环境的长期作用，均出现了不同程度的老化破损，导致启闭作业不能达到预期效果。因沿线河道挟砂、夹泥，闸板轨道内淤积堵塞、水草交缠，各种垃圾随涡流无孔不入，干扰着水利设施的正常运行。现场勘察中发现，很多闸门在开启泄洪后，不能准确启闭回位；工作行程减少，无法快速启闭运行；淤积物不断增加，漏水现象普遍，闸板不能完全进入轨道。

近年来，水下清理打捞队伍在流速不高，流量不大的小型启闭设施附近，采取“蛙人”潜水作业，达到了清理的目的。但在大型河道、大中型水利枢纽以及市政污水闸板附近作业时，潜水人员遇到了因涡流吸附、水体污染物和有害气体而无法逃生的危险情况。

各类临水设施的启闭闸门，均承担着季节性和洪、枯期的调度运行职能。针对已运行和在建的各类大、中、小型水利枢纽，在总布置优化方面普遍存在的启闭闸门后期清淤的共性课题。有必要建立实体模型，推出前瞻性理念，探索新型应用成果。

1 启闭系统高压清淤系统分析

1.1 高压清淤系统

要保障全天候、全过程、全方位，三位一体的闸门正常启闭作业，就必须解决洪峰来临前后，在水体急速流动、水位变化不定情况下的闸门启闭。

启闭系统高压清淤设计，是在调勘上游水文数据、周边地质影响区域、下游排放处理能力等相关资料情况下，采用高压、高速高能的激动流体来推动介质，达到清淤的目的，这种体系化的系统称为高压清淤系统 High-energydredging（HFD）。

1.2 HFD模型的理论参数计算

通常闸门底部设计类型多种多样，采用的材质与启闭重量各不相同，河床内自然状态迥异，影响着流体的速度；水位升降，导致闸板所受外力均有差异；有不同的外界可变条件作用，也有相对稳定的守恒法则。

人为因素一般是人为设定并且有序控制的，可以作为不变因素。环境变化是外界不可控因素，如何计算外力驱动能，针对闸板底部的杂物、淤泥、沉积性游动体，进行驱动能力的计算，确定高压能，是清理和排污的关键控制参数。

1.2.1 闸板启闭受力计算

开启和关闭时，均需要清除堆积物，计算启闭时底部承受的外力F，闸板启闭受力计算公式如下：

式中：F——闸板启闭时受力；

G——闸板自重（强制性硬性启闭）；

H——水流深度；

F水——水压力｛（随深度增加，水中某一深度的压强为 P=ρHg=9.8×103×HPa/m3，压力F水=P×S（S受力面积）｝；

γ2——4℃水的比重（1000kg/m3）；

a——待清淤物体长度；

b——待清淤物体宽度；

h——待清淤物体高度，按闸板的全部行程计，

实际不会出现的满负荷状态；

γ1—砂石的比重（1600kg/m3）；

S——静水状态启闭闸门，水体影响面积（迎水面的启闭闸门前按50m估算，如无涌水和外界干扰，水域平衡时，水体影响的面积，按启闭系统的宽度计算。如有洪峰来临或大幅度的干扰变化，应根据实际测定调整。）

选取附近4条河流，9套启闭系统进行数据统计，结果显示，受力数据呈线性函数分布，闸门启闭时受力影响线如图1所示。

图1 闸门启闭过程受力示意数图

统计数据表明，闸门开启时，水流影响由大到小渐变；关闭时，水流影响由小到大渐变。水位以闸板为界限，在区间点交界位置平衡。

1.2.2 高压清淤动力计算

要想达到清淤的目的，解决清淤的动力问题是首要任务。清淤动力要考虑自身重量、启闭提升质量、水压作用影响以及推动闸板启闭时的淤积体，这个外源提供的高压动力，需要具有一定可控范围，安全系数能力内的高能冲击力。

在闸门启闭前，都可以直观的、比较准确的测出淤积体厚度、体积和重量，加上水压力作用影响。考虑满闸淤积，动力要满足清淤体两倍的富余系数。清淤驱动力公式如下：

式中：F’——清淤驱动力；

a——待清淤物体长度；

b——待清淤物体宽度；

h——待清淤物体高度，按闸板的全部行程计，

实际不会出现的满负荷状态；

γ1——砂石的质量体积比（1600kg/m3）；

P——水压力。

1.2.3 动力源选择

（1）原动力唯一时：

式中：W——动力源输出动力；

F——闸板启闭时受力；

F’——清淤驱动力。

（2）原动力分开匹配，功能性区分时：

式中：W——动力源输出动力；

F’——清淤驱动力。

（3）通过动力输出，推算外源电机功率：

式中：P’——外源电机功率，KW；

F’——清淤驱动力；

V——电机转速；

η——输入输出能量转换率，取0.8。

2 系统驱动与布置

清淤设备安装便捷，在建项目的启闭槽沟或启闭轨道内，可预制或预埋高压风管和高压水管；运行中的启闭设施，可以通过升级改造埋设清淤装置；自身动力受限的设施，可以通过外载配置设备，进行清淤排污。

2.1 外源驱动方式

2.1.1 风管高能吹射式

电动机带动空压机，空压机串联送入储风罐，罐内压缩气体压强达到清除淤积体要求时，由下向上移动导轨，吹洗淤积体，同时启闭作业开始。在高压气体作用下，清除淤积物体时，会产生共振气泡，气泡的翻涌会带走细小的泥沙。大型河道、水坝、水利枢纽、水力发电站等设施的启闭闸门采用此型高压清淤装置，可以起到排污清淤的目标。

2.1.2 水管高压喷射式

用高压管连接大功率涡轮泵，设备开启时大功率涡轮泵增压储能，当扬程续接满足清淤压力时，利用高压水流清除排污。高压水流喷射时，输水管路全线处于高压作业状态，这种方式对管道高压耐受力要求很高。因此，小型水利工程、小型拦污治理设施，可采用此类型装置清污。

2.1.3 闸门迎水面冲压系统

闸门迎水侧，增设冲压系统，安装埋设辅助性清淤装置。当闸板长期在水中浸泡，以及泄洪和拦水启闭闸门时，定时或不定时地启动清污系统，可以避免闸门轨道附近淤塞、锈死隐患的发生。

2.2 高压冲射清淤系统布置

2.2.1 运行中的水利设施清淤系统布置

对正在运行的闸板启闭系统，增设外部挂载设施。北方河道受季节影响，丰水期与枯水期水位差异比较明显，宜选择枯水期进行施工作业。南方地区受气候影响，水利设施一旦投入使用，启闭系统升级改造比较困难，需进行围堰建设改道排水后，再进行施工，确保不能带水作业，否则影响冲射系统的埋设质量。

2.2.2 新建水利设施清淤系统布置

新建水利项目，直接根据启闭闸门尺寸进行优化设计，结合实际地质和需要，进行定制和安装。

3 高压冲射清淤系统的设计与施工

系统工作原理：利用高压冲射流，对辐射范围内的淤塞体进行喷射，松动的淤积物随气泡上涌，并通过连续作业，清除淤塞体，为能顺利启闭闸门，创造有利条件。闸门开启，高速流体带动淤塞物，通过闸门。

3.1 河道底部清淤范围设计

3.1.1 清淤系统布置范围

闸门迎水面前端，容易形成上游向下游的冲积沉淀。闸门关闭后，水流携带的泥沙缓慢堆积，在闸门底部形成淤积物，影响闸门的正常启闭。

对新建和在建水利工程，启闭闸门的清淤系统，应紧贴闸门迎水面布置。在了解上游水文情况和下游排放能力情况下，根据淤塞段宽度，调整底部高压系统的布设宽。实现闸门附近无落体，闸板轨道不淤积，闸门前20m是防护中心。为闸门安全启闭，预留不小于20m的清淤长度，就是高压清淤系统的布设长度。

3.1.2 清淤系统布设位置与动力

启闭闸门系统在设置时，就需要同时考虑清淤系统。启闭闸门的轨道与清淤系统的轨道，可以共同使用即无间隙设置，也可以分开使用即紧贴设置，后者一般用于系统改造使用。

启闭系统的动力供应，可以根据需要，兼顾清淤系统的使用。因清淤系统所需要的动力强大，启闭系统与之兼顾协调，需要详细地进行验算。

3.2 高压清淤系统施工

新建水利设施启闭系统与高压清淤系统相结合布设，要考虑轨道的共用问题。将启闭轨道与清淤设施轨道基础接触部分与预埋件整体焊接，用高于原结构混凝土一个标号的混凝土进行浇筑养护。

共用轨道与闸门边侧接触部分为外露的长条形保护体，断面为“U”型槽体，整体连通，单侧预留外源高压气体连接管或高压流体连接管。中空钢壁，冲孔呈梅花形布设，间距50cm，全断面设置。“U”型槽两侧壁与轨道同宽，也可以在轨道两侧加宽，在“U”型轨道底部，以轨道为轴线，向上下游辐射，保持清淤系统的正常使用即可。

启闭系统与清淤系统轨道安装完毕后，再进行上部外接系统的连接，在“U”型轨道上部，是启闭提升装置，清淤高压管道与提升装置共用支撑梁体。新建水利设施布设，启闭与清污同时进行，清污跟随上下行程进行工作。

改造项目实施时，因为在原来的轨道上无法布设清污孔，只能进行单侧壁紧贴增设，高压清淤管道，也成为单线循环的独立系统。

增设的清淤系统，比新建的清淤系统轨道底部施工复杂。但是独立系统使用后，清淤系统的底部可以布设为中空“Δ”型，辐射布孔呈梅花型，孔距50cm，单线倒扣“∧”型滑块，顶部为直线式行走轨迹，电动机机械驱动，支撑导梁内埋设高压管道，与清淤系统的中空吹射管相连通。驱动行走装置后，高压清污系统开始工作，倒扣“∧”型滑块直线行走，在往返作业过程中，将淤积体驱离启闭闸门。

3.3 系统材料的优选

因为冲压流体具有强大的动能，需要可靠的输送管道，管道承压力是关键验收指标。如果选材出现问题，清淤系统不能正常发挥作用。要求完成验算后，根据验算结果，选择高压管材。

一是高强度、耐高压标准。计算后，管材允许的承载压值，能确保管道经受高压气体和高压水流的强力冲击。用理论和试验两种检验方法同时进行检验，在受力极限情况下，高频次地反复使用，检验管道的疲劳强度、耐内压承受强度。

二是防腐、防老化标准。高压清淤系统的管道，内壁承受强大的压力和冲刷，外壁经受潮湿环境和有害气体的侵蚀。长时间在大气中暴露、在水体中浸泡，在无遮挡状态下风吹、日晒、雨淋、自然风化等影响着管道的使用寿命。因此，管道的防腐、防老化是重要的参考指标，没有抗腐蚀和应对恶劣环境的能力，高压清淤系统就无法长期运行。

三是手自一体化控制标准。正常状态下，自动系统全天候作业，当系统程序或者自动化装置出现故障时，启闭系统必须能正常作业，就要求有备用方案，切换手动柴电设备，转换为手动作业后，旋转启闭轴承，提升闸门，必须能保证泄洪的需要。

4 结语

确保机械系统正常运行，就要进行精心维护，充分利用最新科技手段进行技术监测和有效维护。系统使用单位应通过不定期的“X”射线探伤，检测承压管道结构；通过声波监测，探测管道壁磨损情况；通过定位刻度，精确测量管道变形情况；通过支架定位，检测管道的位移变化。

根据外界侵蚀和内在损伤的检测判断，制定可行的维护方案。对于外部锈蚀、表面划痕性损伤，做外层涂装修复；对于影响受力的内部节点损伤，必须果断更换，备用整件和备用附件均要就近储备，对等更换；对储备性物资，进行计划和统筹的合理安排，储存的条件和环境，必须符合国家规范要求。

在使用过程中，承压管道若发生管损，将影响系统的正常运行。对可能出现的整段爆裂或局部损点，要制定相关预案，如果发生意外，可以做到立即就位、止损修复。