基于TRIZ理论的水库清淤装置的创新设计

王子豪 ，梁建奎

（1.河北工程大学水利水电学院，河北 邯郸 056038；2.河北工程大学河北省智慧水利重点实验室，河北 邯郸 056038；3.南水北调中线干线工程建设管理局，北京 100038）

根据2020 年全国水利发展统计公报，我国现有水库98 566 座，其中的80%修建于20 世纪50—70年代[1]，随着岁月推移，许多水库泥沙淤塞、库容量大大减少，甚至50%以上的水库接近死水位，严重影响水库灌溉、防洪、发电、供水等功能。因此，深入研究水库清淤，对于发挥水库基本功能、提升水库综合效益等具有重要意义。在水库清淤方面，国内外学者进行了大量的研究。

陈杨以红山水库为例，提出了在水库上游修建导流堤、下游修建排沙渠的清淤措施[2]；刘增辉等从机械清淤和水力排沙清淤2 个方面，对水库清淤技术进行了分析[3]；杨顺刚根据水库泥沙淤积形成的原因，提出了“库中库”泥沙清淤技术[4]；杜建涛则对中小型水库的清淤措施进行了分析[5]；闫振峰等研究了虹吸式管道排沙技术在水库清淤中的应用及效果[6]。但目前对水库清淤装置的研究，多集中于清淤船等需大量外部动力的清淤装置的研究，仍然无法改变水库清淤施工难度大、耗资多等缺点。本文基于TRIZ理论，设计了一种新型的水库清淤装置。

1 TRIZ理论的简介

TRIZ-发明问题解决理论。前苏联专利审核员阿奇舒勒分析研究了世界上大批的技术发明专利，创立了发明问题解决理论。TRIZ 理论包含40 条发明原理、39 个通用参数以及矛盾矩阵等解题方式。TRIZ 理论特别强调处理现实问题特别是发明问题，并由解决发明问题而最终实现创新[7]。

2 问题分析

水库的自我清理能力弱，因为地理因素，清淤机械化设备难以进入，目前主要以单人小设备清淤为主；水库清淤效率低，成本高，迫切需要一种速度快、效率高的清淤装置。

2.1 水库清淤装置的功能分析

本文依次通过组件分析、相互作用分析、功能建模3个步骤[8]，找出系统组件间和超系统组件的相互作用关系，评估各个组件所执行的功能。

2.1.1 组件分析

列出水库清淤装置的系统组件和超系统组件，通过组件分析，为各组件间相互作用分析做铺垫。水库清淤装置组件分析，详见表1。

表1 水库清淤装置组件分析

当2 个组件相互作用时就会产生功能。吸取淤泥装置与引泥管相连接，存在相互作用，在关系矩阵中用点表示；淤泥对引泥管存在磨损作用，在矩阵中用点表示；供电装置对打散淤泥装置也存在相互作用关系。根据组件分析内容，绘制水库清淤装置的相互作用矩阵，如图1所示。

图1 水库清淤装置组件关系矩阵分析

通过对图1 的分析，得出各组件的功能属性，详见表2。

表2 水库清淤装置组件功能分析

2.1.2 系统功能建模

根据对水库清淤装置的组件分析、组件功能分析和相互作用分析，对水库清淤装置进行功能建模，如图2所示。

图2 水库清淤装置组件功能模型分析

由图2 可以看出，供电装置对淤泥打散装置供能不足，导致对淤泥细化处理效果差；淤泥会堵塞、磨损引泥管，直接降低清淤装置的清淤效率。

2.2 水库清淤装置因果链分析

通过构建当前水库清淤装置存在问题的因果链，探明水库清淤装置效率不高、普及率不广的原因。通过水库清淤装置功能分析和因果链分析，得出清淤装置改进目前面临的3 个问题：如何提高装置自身动力；如何增强淤泥流动性；如何削弱淤泥中颗粒块状物危害。

3 问题解决

3.1 清淤装置动力的提高

3.1.1 技术矛盾冲突

若要提高供电装置的功率，则需要改进物体供能方式，减少能量损耗。改进物体供能方式增加了水库清淤装置的系统复杂性，对设备日后的检修存在不利因素。通过查找矛盾矩阵，恶化的参数为系统复杂性，在39 个通用技术参数中，序号为No.36。改善的参数为供电装置的输出功率，依据TRIZ 理论[9]，可转换为39个通用参数的No.21。对供电装置进行技术矛盾分析，结果详见表3。

表3 技术矛盾矩阵

通过建立矛盾矩阵找出具体解决方案如下。

（1）依据第19 条发明原理：周期性作用原理。采用预先准备好的蓄电措施补偿物体相对较低的可靠性。原有能量供给方式为及时供电，偏远地区突发情况较多，一旦断电系统将无法正常工作或有所损坏，极大地影响了系统装置的可靠性。在原有供电装置上加装太阳能电池，在空余时间储存能量于蓄电池中，如遇到突发情况，可及时进行能源补充，保证装置正常运行。

（2）依据第30 条发明原理：柔性壳体或薄膜原理。在装置内表面增加一层柔性橡胶，防止淤泥中碎石颗粒破坏清淤装置内壁。

3.1.2 物-场模型分析

建立问题的物-场模型，如图3所示。

图3 物-场分析模型

根据所建有用但不足的物-场模型，采用第三类标准解[10]。在S1或S2的外部引入外部添加物S3，组合S2和S32个组件，建立双系统[11]，选定标准解。

根据40 条发明原理[12]，采取第20 条：有效作用的连续性原理，用太阳能发电板、锂电池同时驱动电泵，电泵多向驱动螺旋桨，来避免一个方向堵塞停止工作，提高清淤效率。

3.2 淤泥流动性的增强

3.2.1 技术矛盾冲突

为了提高淤泥在管道内的流动性，需要增强管内压力，从而提高对淤泥的推力，但这样做会导致管内压强太大，超出安全范围，有管道爆裂的危险。

建立矛盾矩阵，详见表4。

表4 技术矛盾矩阵

在40条发明原理中找出具体解决方案如下。

（1）依据第11 条发明原理：预补偿原理。为了防止装置堵塞管道，在管道内采用旋转式，同时加入减压装置，让管道如同水泥搅拌机一样，能够旋转式带走淤泥。在装置末端安装吸污装置，不仅可以吸淤泥，还可以抽取管内空气，形成管内外气压差，提高淤泥流动性。

（2）清淤只在夏季用水需求量大时清理，同时利用地势实现泥水分离。依据第35条发明原理：性能转换原理，把管道安置在水库底部，利用地势差来间接提供淤泥向下流动性。

（3）依据第28 条发明原理：机械系统的替代原理，在管道内部把所有连接采用活键连接，增加管道的活性及柔韧度，在提高动力的同时间接保持稳定。

（4）依据第27 条发明原理：廉价代替品原理，管道可以采用便宜的橡胶材料，易寻找，易更换。

3.2.2 物理矛盾冲突

为了防止淤泥流动性太低，在管道内增加螺纹，使系统内部装置变得复杂，但是为了减少成本，又需要参数内部装置系统简单，通过该分析，定义物理矛盾[11]。鉴于淤泥在不同的条件下有不同的特性，选用条件分离原理。与该分离原理对应的发明原理有第29 条：气压和液压结构原理。依据该原理，在外部安置吸污装置，减少内部复杂度，形成管内外气压差，有效提高清淤效率。

3.3 淤泥中颗粒块状物危害的削弱

3.3.1 技术矛盾冲突

为了打散大颗粒块状物，需要加大螺旋桨功率和材料硬度，但颗粒会碰撞损坏管道且易导致淤泥堆积堵塞。查找矛盾矩阵，依据40条发明原理中的第18 条发明原理：振动原理，在管内安装硬质螺旋桨，打散淤泥中的大颗粒物，同时在管内采取双管道模式，增加振动装置，防止堵塞。清淤装置双管排泥，如图4所示。

图4 清淤装置双管排泥概念

3.3.2 物理矛盾冲突

考虑到淤泥的清理存在空间顺序，即上层的淤泥先被清理，采用空间分离原理。在40条发明原理中，选择第2条：抽取原理，在水库清淤水域的底部安置不易降解的压力膜，有效隔绝底部淤泥，便于清理膜上淤泥。同时，在压力膜上放置导流片，有效导引泥水形成旋流，便于清理。具体情况，如图5所示。

图5 螺旋抗压膜透视图

4 方案评价与实施

通过TRIZ标准解的解题方法，得出水库清淤装置改进方法。每一个改进方法都针对问题反映了系统局部的创新，更加全面地对整个系统进行了探讨，完善了本系统的各个部分。在供能方面，采用电能、太阳能复合式供能方式，提高清淤装置的续航时间和清淤稳定性；在防止淤泥腐蚀冲刷方面，在与淤泥接触的内层布置柔性橡胶，防止淤泥碎石颗粒破坏清淤装置内部，同时各个管道的连接处采用活性连接，增加管道柔韧度；在减少装置复杂度方面，采取在外部安装吸污装置，一方面形成管道内外压力差，使泥水混合物快速流动，提高清淤效率，另一方面也防止管道堵塞；在消除淤泥中不融颗粒物危害方面，在管内安装硬质螺旋桨，打散淤泥中颗粒物，并且采取双管道模式，在内管增加振动装置，防止堵塞。水库清淤装置整体结构，如图6所示。

图6 水库清淤装置整体结构

5 结语

改进的水库清淤设备采用自我生态的处理方法，利用螺旋传动导流管在不耗费外界能源的情况下产生气压，平稳、有效地扰动水底的淤泥，使淤泥起动和向下转移；在水底层设置螺旋桨和泥沙流动管道，将泥沙打散再运出，从根本上改变水库的淤积情况。同时，小范围地改变了水库底部设计，提高淤泥消除率，而且可以改善水体磷、氮等成分浓度，进而改善水质。此系统可循环使用，无耗能清淤，符合国家碳中和的大背景。