人字门门格清淤装置设计及在船闸大修中的应用

廖源，唐艳平，刘新，周志寰，吴先伟

（长江三峡通航管理局，湖北 宜昌 443002）

三峡和葛洲坝船闸上、下游工作闸门均为人字形闸门，其中三峡船闸为双线五级船闸、共计24 扇人字门，葛洲坝布置有三座船闸，共计12 扇人字门。人字门门格清淤是船闸计划性大修停航期的一项重要工作，其主要内容为清理沉积在人字门门格内（主要为水下部分）的淤泥，以便后续人字门的检查和修理工作能够尽快展开，以葛洲坝三号船闸为例，单次清淤量可达200m3。船闸人字门门格清淤与传统航道疏浚不同，有其自身特殊性，主要是船闸人字门门体表面不允许重力撞击和机械损伤，一些常见的抓斗式、绞吸式、耙吸式等清淤设备无法直接投入使用，历次船闸大修清淤中主要采用人工清淤的方式。目前，国内外清淤研究主要集中于中小河道、内河航道、水库、水电站以及港池疏浚的设备研发与应用，针对狭小范围的小型清淤设备研发较少，仅见于少数文献中[1-7]，这些小型清淤设备在施工作业过程中，与清淤头接触的多为河底淤泥或钢筋混凝土，容许清淤设备对清淤基面有一定的损坏。针对不允许损伤清淤基面，如用于人字门门格清淤相关设备领域的研究基本为空白。因此，考虑到国内人字形闸门及具有类似门格的闸门数量众多，清淤维护工作量大，研发专门适用于门格清淤的小型清淤装置具有重大的现实意义。

1 传统清淤方式现状分析

在近几次葛洲坝船闸计划性停航大修中，为了节约时间抢进度，主要采用“水降淤清”的方式，做法是在闸室开始排干抽水的同时，清淤作业人员站在悬挂在门格旁的吊篮栏中或者钻进门格内，采用铁锹将门格内的泥沙铲出至门库，并用消防水枪冲洗。待门库水排干后，再采用装载机辅以人工将门库内所有淤积物清理完毕，提交人字门检修工作面。该方式主要存在以下几个方面的问题。

（1）作业空间狭窄。以二号闸下游人字门为例，门格深约2.66m，层高1m 左右，入口高度仅有60cm。由于门格内空间狭窄无法站立，作业人员只能钻进门格内，蹲着进行施工，极为不便。

（2）劳动强度大。以二号闸下游人字门为例，单扇下游人字门需清淤的面积约300m2，按平均淤深约30cm，估算淤积量约90m3。根据停航大修工期计划的要求，门格清淤施工一般安排在冬季夜间，随着闸室抽排水的进度连续进行直至完成，一般需要安排两组人员倒班，投入人力约30 人、吊车2 台，连续施工时间可达12 小时，如再加上闸室排干后门库区域的大量沉渣和淤积清理，连续施工时间可达24 小时。长时间的高强度连续作业造成施工人员体力和精神上的巨大消耗。

（3）清淤效率低。由于门格内空间有限，单纯靠增加人员投入的方法已达瓶颈，收效不大。传统的铁锹铲送淤泥的作业方式效率低下。门格内淤泥抛入门库内，闸室排干后还需再次清运，重复劳动，费时费力。

（4）安全风险高。门格清淤属于高空临水悬边作业，一般需在冬季夜间连续作业。此时施工现场气温较低，泥水冰冷，能见度差，同时吊车需长时间负重配合施工。在低温、疲倦、湿滑、能见度差等多因素的影响下，作业人员和起吊设备都存在一定的安全风险。

图1 传统人字门清淤作业图

鉴于传统清淤方式存在的问题，拟探索研究一种新型人字门门格清淤装置和方式，解决现有传统门格清淤方式存在施工难、消耗大、效率低、风险高的问题。达到减轻作业强度，降低安全风险，提高清淤效率，满足船闸快速、高效检修的迫切需求。

2 人字门门格清淤装置研发

受门格条件所限，常见的抓斗式、绞吸式等清淤设备无法直接投入使用。新的清淤装置基于体积小、操作方便、清淤效率高、对门体无损伤的理念进行设计。充分考虑现场作业环境，结合多年来历次大修清淤实践，采取不断试验、不断优化的方式进行研制。

2.1 人字门门格清淤装置原理

人字门门格清淤装置采用“高压水冲击+吸沙排污装置”，简单概括为“一冲一吸”的工作原理对沉积在门格内的淤泥进行清除。将高压喷嘴和吸泥头集成在清淤头上，高压喷嘴连接高压供水装置，吸泥头连接吸沙排污装置。工作时，第一步：借助高压水或者高压风的动力将板结的淤泥或者泥沙扰动，使其变成可以流动的泥浆；第二步：利用吸泥头配合排浆管将泥沙排出。装置原理示意图如图2 所示。

图2 人字门门格清淤装置原理示意图

2.2 人字门门格清淤装置组成及功能实现

人字门门格清淤装置主要由冲淤系统、吸浆系统、吸盘、清淤头牵引机构、电源控制箱、无线遥控开关、钢管支架、浮式平台、水下照明灯带等组成。如图3 所示，冲淤系统包括潜水泵、弹性耐压水管、高压喷嘴，分水腔。吸浆系统包括液下渣浆泵（或吸浆泵）、吸浆管、排浆管、吸泥头、吸盘。吸盘、高压喷嘴、分水腔和吸泥头共同组成清淤头。清淤头牵引机构包括钢丝绳、支臂、滑轮、卷扬机、行走电机、提升电机。电源控制箱包括吸浆泵、潜水泵、行走电机和提升电机的电源开关，同时提供了12v、220v 和380v 的备用接口，满足水下水上及临时用电需求。无线遥控开关集成了吸浆泵、潜水泵、行走电机和提升电机的控制开关。

图3 清淤装置图

清淤装置工作时，冲淤系统中潜水泵从闸室取水，水体经由高压水管送至分水腔，分水腔与高压喷嘴连接，利用喷嘴中喷出的高压水柱将沉积在门格中的淤泥冲散。喷嘴角度可以调节，实现对淤泥不同角度的冲击，同时喷嘴也能够实现快速更换，防止堵塞影响效率。吸浆系统中吸泥头借助吸浆泵动力将泥浆吸入，传至吸浆管、排浆管、抽排至门库区域以外。为实现清淤头的上下移动和水平移动，设计了清淤头牵引机构，位于水下的前后两立杆、支臂横杆与平台构成一个可活动的平行四边形，钢缆连接平行四边形对角顶点，通过卷扬机的收放来调整平行四边形对角线的长度，从而控制支臂横杆在水中的深度，将清淤头正对门格洞口后再整体推入。应用时具体步骤如下：

（1）将施工平台系泊在人字门门格侧，清淤设备平台清淤头正对门格，设备配电箱接驳岸电；

（2）打开横杆和清淤头上的照明灯带，水面操作员位于施工平台上，边观察边通过遥控器调整清淤头深度，使之正对水下一层门格的洞口；

（3）拉动清淤设备平台整体向人字门靠拢，将清淤头送入门格内部，点落清淤头，观察卷扬机钢丝绳是否松弛，使清淤头落在淤积部位上，将清淤设备平台与门体系泊牢固；

（4）启动潜水泵和吸浆泵，开始正式清淤施工，并观察排浆管出浆情况；

（5）排浆管出浆变清时，可移动位置对门格进行“地毯式”清淤；

（6）单个门格清理完成后，反向退出门格，将平台横向移泊至下一个门格，从步骤b 重复操作；

3 人字门门格清淤装置在葛洲坝三号船闸大修中的应用

2022 年葛洲坝三号船闸计划性大修清淤项目中，人字门门格清淤装置投入了应用，如图4，共清理淤泥近120m3，显现了其高效、可靠、操作简便的特点。

图4 清淤装置现场作业图

表1 为传统清淤方式和人字门门格清淤装置的对比。根据表格可以看出人字门门格清淤装置相较于传统人工清淤方式，有显著的优势。

表1 传统清淤方式与清淤装置的对比（三号闸大修清淤实践）

4 总结

通过研制新型人字门门格清淤装置，实现了船闸大修中高效清淤、安全清淤的目标。更加机械化、智能化的清淤方式大幅减轻了施工人员劳动强度，降低了施工作业安全风险，避免了淤泥的二次清运。直接缩短了大修工期关键线路1 天左右的时间，更好满足了船闸快速检修，减少停航时间，充分发挥航运效益的需求。