疏淤设备在二期抽黄灌区渠道的研制和应用

吕延学，马军杰，杨秀峰

（渭南市东雷二期抽黄工程管理中心,陕西 渭南 714000）

0 前言

东雷二期抽黄灌区位于陕西省关中东部渭南市境内,是以黄河为水源的大流量、高扬程输水工程,枢纽泵站设在合阳县坊镇黄河岸边的太里湾村,渠道沿铁镰山南缘一路向西,流经大荔、蒲城、富平县三县,设计灌溉面积126.5 万亩农田。自1997 年通水以来,斗口累计水量达到25 亿m3,为国家粮食安全和农村社会经济发展、建成小康社会做出了巨大的贡献。

1 淤积的成因

1.1 客观原因

黄河流经黄土高原之后,挟沙量显著增大,尤其是在春季桃花汛和夏季汛期,泥沙含量成倍增加,而此时正值春季和夏季抗旱灌溉的关键时期,灌溉输水将大量的泥沙带入渠道设施,随着渠道分级,流速降低,泥沙沉淀形成淤积,导致渠道过流断面减小水位抬高,影响工程设施效能的正常发挥,而且形成安全隐患。淤积容易发生的渠段有泵站的上游引渠、前池、进水池等部位,在支渠的末端,淤积现象尤为严重。

1.2 主观原因

在灌溉生产过程中,一是部分泵站运行多年设备老化,为了机电设备的安全平稳运行,上游引渠常常水位较高,导致引渠、前池和进水池产生淤积；二是为保障灌溉用水的稳定供给,便于准确持续计量,减少水量损失,利用各级节制闸调蓄水量抬高水位降低了流速,产生淤积；二是因城市建设造成渠道控制面积萎缩、水量综合调配等其他原因,支渠的配水量达不到设计流量,特别是在支渠后段,渠道断面大,配水流量小,每次灌溉都会形成大量淤积。

2 历年来疏淤减淤的措施

为保障灌溉生产工作的正常开展,历年来灌区工程管护人员,千方百计采取各种措施,清理淤积疏通渠道设施,以确保工程设施的安全运行。一是在灌溉后期,合并各斗加大流量集中配水进行拉淤,这种措施往往造成水量无法落实,形成无法计费的水量,降低了对口率；二是利用人工在斗门上游扰动水流,耗时长人工量大,需要站在渠道内操作,存在不安全因素；三是停水后使用挖掘机进行清淤,常常损伤渠道衬砌,且渠堤大量堆积淤泥无处倾倒,增加了工程管护难度。渠道淤积不及时清理,影响灌溉生产的正常进行,对工程高质量管护带来很大的困难。以二黄灌区孙镇灌溉系统为例,每年彻底清理一条支渠的淤积并外运,需约3 万～5 万余元,12 条支渠需40 余万元,高额的支出给工程管理单位带来极大的困扰。

3 疏淤减淤的创新实践

3.1 移动式疏於机

二黄灌区总干渠、北干渠、分干渠断面大、流量大,调度运行合理一般不淤积,易产生淤积的是支渠,特别是在支渠后段。支渠断面为“U”型,上口宽在0.6 m～1.5 m之间,设计流量在1 m3/s以下。管理人员利用农田耕作常用的手术拖拉机进行改装,选取参数为1∶11的减速机作为泥沙扰动装置,连接传动轴垂直下传动力,安装万向节连接泥沙扰动圆盘刷,在渠道行水时跨渠行走,圆盘刷插入水面进行扰动,水淤混合流进斗渠进入田间,达到疏淤减淤的目的。

改装过程中的注意问题：

1）渠道口宽不同,行走装置的轮距可按渠道宽度进行调节。

2）泥沙扰动圆盘刷的转速控制在160 r/min以下。为防止泥水飞溅,上设遮挡圆盘,采用柔性钢绳作为扰动刷,避免损伤渠道砼衬砌。

3）扰动圆盘刷与传动轴用万向节连接,灵活转动,防止扰动时泥沙下不明物块碰撞刷盘,造成设备倾覆。

4）传动轴每10 cm设一个定位销,根据泥沙厚度可伸缩调节。

5）减速机与柴油机在一条中轴线上,并牢靠连接,确保皮带传动的稳定性,作业时设备中轴线与渠道中心线基本保持一致。

6）设备在道路上行走安装普通轮胎,在渠道作业时更换防滑铁轮。跨渠时铺设木板,以前一轮为圆心,另一轮沿木板整体转动90°,即可前进后退开始作业。

缺点和不足：设备相对笨重,需要人工操作,遇到桥涵等跨渠交叉建筑物无法通行,对渠堤平整度要求较高。

3.2 轨道式疏淤机

在移动式疏淤机研制成功的基础上,管理人员在孙镇系统白家塬八级站前试制成功轨道式疏淤机,其原理与移动式疏淤机基本相似。

轨道式疏淤机分为固定轨道和疏淤小车两大部分,其疏於小车由车架、行走装置、扰动装置、控制箱四部分组成,以泵站自有电源作为动力,自动控制、来回行走、无需人力、简捷方便。

注意的问题及解决办法：

1）选用高10 cm轻型工字钢作为轨道,在渠道衬砌上平面每间距3 m浇筑高50 cm钢筋砼支墩,将工字钢布设固定在支墩上。

2）车轮为凹槽轮毂,避免行走时摆动滑落；设两轴四轮,以增加扰动时的稳定性。

3）以电机为动力通过减速机降速,连接带有差速器的后桥作为行走装置。

4）以电机为动力通过减速机降速,竖向带动泥沙扰动圆盘,圆盘下嵌钢绳刷；扰动部分带有自锁装置,根据淤积厚度可上下调节整体滑动。

5）架设滑索电缆作为动力电源,装配控制箱,设手动和自动两种控制方式,轨道两端设有限位开关,实现自动化。

6）动力电缆三相四芯,零线接地牢靠,确保操作安全。

缺点和不足之处是,需要动力电源,因此仅可应用于泵站前淤积严重的引渠,行进扰动长度较短,不能完成野外渠道的疏淤。

3.3 反推式冲淤船

为解决移动式、轨道式疏淤机的缺陷,更加节约人力,更加方便运行,管理人员经过多次试验,研制出浮于渠道水面、以汽油抽水泵作为动力、利用反冲力行走并对淤泥进行冲刷扰动的反推式冲淤船,不需人工,对渠堤平整度和渠道是否通畅没有要求,达到对支渠全段及各类隧洞内疏淤减淤的目的。

反推式冲淤船由船体、高压汽油水泵、抽排水组件、防撞装置、控制器五部分组成。船体总重120 kg,变换工作地点时用装有“随车吊”的农用三轮作为运输工具。

制作工艺和应注意的问题：

1）船身材料选用1.8 mm薄钢板卷焊,根据渠道宽度和浮力,确定船体的外轮廓尺寸（长2.1 m、宽0.75 m、高0.4 m）,船身设置1 个吸水口,2 组喷射口。

2）选用出水扬程大于80 m、抽水量大于35 m3的电启动汽油抽水泵,安装固定于船体适当位置。

3）吸水口位于船体前端迎水面下；船前端喷射口与水平面夹角75°,后端喷射口与水平面夹角45°,采用软管与汽油泵体可靠连接。

4）前后喷射口软管与泵体之间的连接加装电磁阀,电磁阀开关分别控制前后喷射口,进而可以操控船的前后运行。

5）汽油泵与电磁阀电气部分,根据电器线路图连接至集成控制器,配蓄电池供电,做到远程遥控操作。

6）船身两侧安装导向防撞轮,根据渠道状况可伸缩调节宽度,避免船体运行过程中碰撞渠道边沿,影响正常的行进。

4 运行效果

2021 年二黄灌区三季四轮灌溉,孙镇系统共计运行153天,期间对三套疏淤设备进行了现场测试和运行,均运行良好,疏淤效果明显。移动式疏淤机分别在东四支、东六支、西分干三条不同规格的渠道、轨道疏淤机在白家塬八级泵站前引渠进行疏淤作业,反推式冲淤船在多处连接渠道的隧洞内进行了冲淤操作,现场显示,经过设备扰动,沉积多年的泥沙泛起,水体浑浊度显著增加,停水后淤积高度大大降低,部分渠道淤积消失,露出了砼衬砌渠底。

图1 移动式疏於机

图2 轨道式疏於机

图3 反推式冲於船

以东四支渠及东四支3斗渠为例,分别对疏淤设备前后水流测量其含泥量变化情况,并对该渠道扰动前后的淤积情况进行对比,相关数值见表1、表2。

表1 东四支渠道特征参数表

表2 扰动后淤积变化情况测算表

经过三种不同的疏淤设备的测试,得出以下结论：

1）渠道淤积的泥沙只要经过扰动,即可被水流带走,达到减少渠道淤积的目的。

2）在下一级渠道进水闸上游一定范围内进行扰动疏淤,降低该段渠道的侵蚀基准,可以提高水流流速,拉动上游泥沙向下游移动,达到整条渠道减於的目的。

3）设备工作过程中的分层扰动（来回一个周期内扰动刷下降10 cm）,逐步增加水流的携沙量,不影响灌溉的正常配水,也不会再次形成泥沙沉积。

4）扰动疏淤可以仅在灌溉后期（灌溉结束前3天）实施,以节省费用。

5 结语

针对不同的渠道实际,三种设备均达到了预期的疏淤减淤目的。抽黄灌区来水泥沙含量大,渠道工程设施线长面广,易产生淤积的渠道工程设施多处存在,不加以治理淤积这一难题,很大程度上影响灌区设施功能的正常发挥,日积月累对工程设施的有效管护将变得非常困难。对于渠道建筑物如倒虹,排洪涵洞等的淤积问题,可参考以上成果,研制能够在水下工作的疏淤机器人,相信会更全面地解决淤积问题,更好地服务于渠道工程管理,服务灌溉生产。