自动式水力沉沙装置的设计与应用

况星雨 邓晓龙 张超

摘要：自动式水力沉沙装置主要是应用于河流的除沙治理和净水提取。装置中滤网属于一种特殊的泥沙处理设备，是发电、化工、冶金、造纸等工业部门广泛应用的通用设备，有着比较独特的水力性能。其主要功能是滤除水中的沙颗粒和其他杂质。一般情况下沙颗粒会积存在滤网表面，如不能及时清除，将造成滤网堵塞。过去通常使用的非自动清洗滤网，问题较多。如：过滤效果差，需要人工定期清洗，工作量非常大。在水质较差的情况下，经常会影响桩体整体的正常运行，造成非正常停机事故，从而影响生产，给取水工程造成严重损失。为此，在对滤网堵塞这一工程问题上，该装置提出了相应对策，为今后深入研究滤网堵塞机理、解决滤网堵塞问题提供一种新思路。

关键词：沉沙装置;江河治理;自动化;滤网

The self feedback sediment settling device is mainly used for sediment removal and water purification. When the device is used to extract the water from the river， it can automatically remove and clean the sediment， so that the water flow can be quickly and efficiently purified in the next step. The development direction of the device can be used for field irrigation. After the river water is extracted， the water can be purified by the sand removal device and then used. In addition， it can also be used in the preliminary treatment of water in waterworks.

Key words：Desilting device;Application;Robotization

我国自然生态环境复杂，加上人类活动对江河的影响，我国江河的治理工作在取水口选址及泥沙处理上异常困难。加强江河治理中的科技创新，将是21世纪我国净水提取中科技发展的趋势。而目前应用于江河治理的除沙装置仍存在着耗能大、浪费资源和劳动力等工程问题。若要求在短时间内得到充足的干净水样时，普通的天然沉沙池就不能满足其要求。天然沉沙池的效率较低，往往需要几天甚至几十天才能完全将泥沙沉淀，而自动式水力沉沙装置在短时间内就能得到比较干净的水源。同时该装置有附带水管的功能，能够控制水流的方向且能够成为第一道过滤装置，提高了天然沉沙池的沉沙效率，减少了天然沉沙池的泥沙淤积，大大地降低了清洁水池的人力成本。此外，河流涨水或者洪峰过境时，会带来许多泥沙，导致水的提取和净化更为困难。基于此，本研究围绕取水工程中泥沙堵塞取水管道以及取水口选址困难等问题，采用自动化水滤网设备除沙的方法，探究了在尽量减少人力、物力以及所需能源的前提下，达到最佳的除沙效果，为解决江河治理问题提供了新思路。

1沉沙排沙设计思路

为了能让水流顺着设备要求流动，首先设计一个主要依靠水流驱动的能量提供单元，可大幅度的減少能源的消耗。其次，设计一个带多层不同孔径滤网、可根据泥沙淤积重量来达到自动除沙目的的自反馈装置（滤网可以大幅降低泥沙流速）。滤网在静止状态下易被泥沙堵塞，为了解决这个问题，设计系统时在滤网上有了突破性的创新，在装置中滤网可通过持续抖动的方式打破常规状态下的静止滤沙。最后，剩余细沙通过利用上挑丁坝坝田淤积原理的沉沙装置得以滤除。各个取水工程可根据用水途径的不同来选择是否进行细沙水分离。

2沉沙装置位置的选择

若装置设置地点越接近管道首部或取水口位置，则泥沙对输水管道的磨损长度就越小，水利工程使用寿命就越长，工程经济效益和社会效益就更加明显。但是，它往往会受地理位置和水力条件的限制，不能就近安置，因此，必须综合考虑，在发挥装置最大的效益的同时，选择最合适的位置。

a.地质条件满足土质坚硬平坦，沉降量比较小，方便装置的摆放，避开地质条件恶劣的地区和地段，不能出现滑坡，洪水等自然危害。

b.为了便于引水，河岸与河水水面高度不能距离过大，根据水流的速度变化来确定高差的最大值，判断河岸的高程是否符合要求。

选好合适的地质条件后，将装置放到水流不湍急，没有较大断崖式河床的水流条件的的河岸处，为了保证装置的正常运行，当水深较大时，取上层较清的水，可以不使用自动式水力沉沙装置的初级沉沙装置，当水底流速较快或水深较小，有大量泥沙在运动时，可配备不同大小的初级沉沙装置。

3自动式水力沉沙装置的系统构造及运行

3.1整体构造

自动式水力沉沙装置设置在合适水流条件的河岸处，河流中的水进入进水口时，该装置可自动对泥沙进行排除和清理，让水流能够快速高效地进行下一步的泥沙处理。整个装置利用天然河流水动能、重力作用和水坝的原理，对水进行分层处理，沉沙装置中，滤网层的孔径大小不同，可过滤不同粒径的沙颗粒。再通过水循环，还原出干净的水。自动式水力沉沙装置大部分以聚乙烯材料为主，按照其装置功能可分为机械取水单元、圆柱沉沙单元和水箱沉沙单元三个部分。

机械取水单元将天然河流的水动力进行转化，带动齿轮的转动以及进水口的进水和出水口的出水，把水带入沉沙单元中，取水单元中缓速圆台可将大颗卵石过滤。齿轮带动的搅拌装置让取水单元中的水处于比较均匀的状态，防止进水口和出水口的堵塞。水进入圆柱沉沙单元后，通过几层不同孔径的滤网将泥沙拦截，锥形装置让泥沙沉积在锥形的底部两侧，待泥沙淤积到一定时间之后，利用泥沙和水的重力让弹簧压缩，随后沉于底部的泥沙就会比水早一步沿锥形边缘下落进入到沉沙池。锥体上下移动带动滤网不断振动，使不易产生滤孔堵塞。水经过滤网之后，剩下一些极细的与水混合的颗粒，待水进入右侧的小型丁坝结构后，细颗粒会淤积在上挑丁坝与板壁之间，再通过设置的小筛孔，细沙水进入到小三角漏斗中，细沙从筛孔中掉落，清水从斜板底部滤出。

3.2机械取水单元

取水单元中水车能够减小流速，取水装置放在水车右边方便取水，缓速圆台不仅可以减缓进水管处的水流，还能沉淀颗粒较大的沙粒。传动轴左端与水车1/3半径连接，右端与推拉活塞相连接。导管在圆台高度大概2/3处，这样可以让导管处水流尽可能小。取水管与缓速圆台固定，防止取水管被水流冲刷导致损坏。由于流速的减小，当小于粒径较大沙颗粒的止动流速时，缓速圆台下面的倒立圆台就能够让一些粒径较大的沙颗粒下沉并重新回到河流中。机械取水单元运转后，水车带动传动轴并推动或者拉回推拉活塞。当拉回推拉活塞时，取水腔体体积增大，由于大气压的作用，闭气隔板闭合，防倒吸隔板开启，缓速圆台上的水体经进水管被吸入取水管道中;当推动推拉塞时，取水腔体体积减小，由于大气压的作用，闭气隔板开启，防倒吸隔板關闭，推拉塞将推挤取水腔体中的水使之由出水管道流入圆柱沉沙单元中。

3.3圆柱沉沙单元

该沉沙单元中滤网的滤孔大小从上往下依次减小且间距几乎一样，沉沙圆柱由两个半径大小不一的圆柱连接而成，弹簧连接在圆锥的底座。各层滤网与导沙圆锥相连，当圆锥底部泥沙淤积达到一定重量时，弹簧压缩，带动导沙圆锥一起向下移动，泥沙被冲刷下落至下部圆柱中，当淤积的泥沙重量减少后，弹簧回弹，滤网可在一定小范围内发生振动，泥沙不易发生堵塞。

3.4水箱沉沙单元

水箱倾斜放置，隔板与水箱壁成一定夹角且在隔板和水箱底部夹角，由极细的筛孔，在底板以下是泄沙通道。泄沙通道下是四个承压支架，皆与地板相连。该沉沙装置利用上挑丁坝的坝田淤积原理在隔板及水箱夹角的筛孔处滤除大部分细沙。水流经过层层滤网，水体已经不含或者只含微量的泥沙，后水流通过进水管流入一个有挡水隔板的水箱，挡板垂直于通道并且各个挡板之间有30°的夹角（类似于上挑丁坝），水流在挡板处减速并产生一个个旋涡，泥沙在回流作用下沉积于筛孔处，泥沙通过筛孔孔流入泄沙通道并流走，最后干净水流沿水箱从底部流出。

4自动式水力沉沙装置创新分析

当前取水工程普遍采用天然沉沙池进行水沙分离，而天然沉沙池的修筑成本以及所消耗的人力资源较高，位置固定且不可拆卸、不可挪动，易受环境因素的制约，同时还需抽水机将河流引入沉沙池中，造成多余的能源浪费。为了响应当今时代建设资源节约型社会，自动式水力沉沙装置有了以下创新：

a. 大幅度节约成本，经济效益突出。装置材料大部分以聚乙烯为主，节约了大量的制作成本。

b. 各部分独立工作，装置灵活性强。装置共分为三个部分，每个部分都可进行独立作用，取水工程根据对水中含沙量的要求高低对装置进行相应的拆分，因地制宜，不易受环境因素影响。

c. 利用动能提供装置能源，能耗低。装置中能量提供单元将天然河流的水动能转换为整个装置所需的能量，不需消耗过多的能源，还能通过调整能量提供单元上的叶片大小来适应不同的水流条件，使枯水期也能得到充足的水。

5结语

自动式水力沉沙装置较天然沉沙池而言更为灵活，可拆卸，减少在自然灾害下的经济损失。在不同的水流条件下，以不同的大小的能量调整进入装置不同量级的水量。成本、人力资源与天然沉沙池相比也更为节约。既符合生产者降低生产成本，提高其实用性的要求，又符合使用者减少人力资源与提高效率的需求，有极广阔的推广应用前景。

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