淺談支墩避草裝置在二黃灌區渠道的應用

馬軍杰，陳 凡，蒙林青，孟軍鵬

（渭南市東雷二期抽黃工程管理中心,陜西 渭南 714000）

0 前言

渭南市東雷二期抽黃灌區地處陜西省關中地區東部，東臨黃河，西至富平縣城，南鄰陜西省交口抽渭灌區和渭南市洛惠渠灌區，北靠喬山，由一、二級黃土臺塬和渭洛河三級階地組成，設計灌溉面積126.5 萬畝。灌區塬上總干渠設計流量40 m3/s,長55 km，渠口寬度18 m，北干渠設計流量28 m3/s～9 m3/s,長46 km，渠道口寬15 m～13 m，灌區管理單位為渭南市東雷二期抽黃工程管理中心，下設大荔、孫鎮、蒲城、興鎮、荊姚、流曲、劉集七個灌溉系統，樞紐泵站有太里一級站、北干二級站、下寨三級站，灌區重點建筑物有洛河渡槽、漢村隧洞等，工程于1990 年7 月開工建設，1997 年6 月試通水，2008 年完成竣工驗收。

二黃工程建設期間鋼材、水泥等市場供應不足價格過高，限于國家財力，工程設計均屬于限額設計，除測流橋因為工作原因不設支墩以外，跨總干的103 座平交、斜交和高架橋梁均為三跨簡支梁結構，支墩一般立于渠道底部左右兩側；各種小渠架管、橋式倒虹、小渠渡槽等45 座過水建筑物支墩立于渠底居中；跨北干渠有182 座橋梁，平交的83 座為兩跨簡支梁結構，支墩立于渠底居中，斜交、立交和高架橋梁一般為三跨結構，兩組支墩立在渠道，而北干渠13+770 斜交橋，渠道里面最多達三組、12 個支墩，當渠道行水1.5 m高時，支墩的總體積占橋面下水體體積的8.3%，行水達到設計水位2.39 m時，支墩加上部分蓋梁的總體積占橋面下水體體積的7%以上。各類支墩特別是居中支墩，直徑一般為80 cm，在行水期間大量掛淤河源來草及人為入渠雜物樹枝垃圾，進一步掛淤泥沙，一組支墩最大淤積量達到5 m3～8 m3，致使過流斷面降低產生雍水，給灌溉運行管理造成不安全因素，淤積物固結緊密，行水結束之后需要人工清理，費工費時。經過國家大型灌區續建配套節水改造項目的實施，對涉及的塬上總干渠（加西聯合閘至下寨三級站）段改造了15 座橋梁，一跨通過去掉支墩，解決了運行掛淤問題，而剩余大量的橋梁現階段不可能得到全部改造。二黃灌區基層運行管理單位荊姚總站，借鑒水輪機工作原理，試制成功外掛式支墩避草裝置，很好地解決了這一問題，實現了不掛淤、不雍水，減輕管護工作量、節約費用的效果。

1 外掛式支墩避草裝置的制作工藝

1.1 轉筒加工

筒身采用6 mm厚鋼板，通過卷板機機械彎曲卷制成筒，轉筒直徑55 cm，卷制成筒后進行校圓，保證轉筒的外徑尺寸。

1.2 接盤加工

采用12 mm鋼板制作成兩個接盤作為筒身支撐，接盤的加工工藝要進行嚴格控制。采用熱切割處理中的氣割（氧氣-乙炔）方法，在接盤中心上開出相當于軸套外徑的圓孔，要確保安裝軸套的圓孔與接盤同心，以降低結構形狀的不對稱可能性，減少整體設備的靜不平衡值。

1.3 軸承安裝

采用滾動軸承中的深溝球滾珠軸承,為實現軸承內圈固定、外圈帶動轉筒旋轉的要求，軸承安裝過程中軸頸和軸承內圈配合面要做到過盈配合，確保轉筒旋轉過程中配合面不發生相對位移。

同時，為滿足水下工作的要求，在軸承兩側的內外圈之間扣封密封環,密封環里側為環槽形狀,靠近軸承內圈的密封環環槽壁上套箍彈簧箍圈。具有密封牢固,可靠防水、防塵、保油的特點，形成全封閉式防水軸承。

1.4 輪葉加工安裝

采用的6 mm厚鋼板，制作成開度約15°、寬55 cm、高1.5 m的輪葉；根據渠道灌溉期間平均工作水頭實際情況，輪葉上邊緣安裝位置距離上接盤46 cm左右，按照90°間距圍繞軸垂直方向旋轉排列，焊接在轉筒上。

圖1 裝置外觀三維示意圖

圖2 裝置轉筒、軸、軸承結構示意圖

2 避草裝置的焊接保證

2.1 轉筒焊接

轉筒焊接前要進行車削，同時以上下接盤的中心線為中心找正，確保安裝中心與筒體回轉中心同心。由于筒徑較小，采用單面焊雙面成形法進行焊接。

2.2 轉筒與接盤的焊接

軸、軸套、軸承應同時裝配，裝配完成后先焊接再接盤，然后采用單面焊雙面成形的方法與轉筒焊接在一起，可將轉筒放在滾輪架上轉動，利用轉筒轉動實現焊接自動化。

轉筒焊接以及轉筒與接盤的焊接，工藝水平要高，確保轉筒立于渠道之中，焊縫不進水，轉筒受到一定的浮力托舉。

3 工作原理和實際應用

3.1 工作原理

制作成形的避草裝置安裝在支墩上游迎水側，采用軸承內圈軸向固定的方法，軸的上部與蓋梁連接，下部在渠道底部生根固定。利用水流與轉輪葉片的作用力和反作用力原理將水流能量傳給輪葉，帶動轉筒旋轉，形成外掛式支墩避草裝置，攪動水流，有效甩開柴草樹枝等雜物，解決支墩掛草掛淤問題。裝置實景三維示意圖見圖3～圖4。

圖3 裝置實景三維示意圖（一）

圖4 裝置實景三維示意圖（二）

3.2 軸承受力分析

深溝球軸承一般由一對套圈、一組保持架、一組鋼球組成。其結構簡單，使用方便，是生產最普遍、應用最廣泛的一類軸承。由于轉筒較重，其重力傳遞給軸套，軸套傳遞給軸承；雖然軸承內圈與軸是過盈配合游隙很小，雖然在實際應用過程中因為轉筒的重量較大，會受到一定的軸向力，但是運行期間，滾筒會受到相當于排開水體大小的浮力，所以，軸向力不會對軸承的轉動和使用壽命造成較大的影響。軸承具有一定的調心作用，同時內嵌在軸套內采用過盈配合形成整體，共同承受轉筒重力，因此這種配合對軸承的轉動沒有造成影響。

3.3 運行最優工況

干渠水流為非恒定流，流速的大小、方向在不斷地變化。影響支墩避草裝置效率的主要是水力損失，流量損失和機械損失較小且基本不變，在水力損失中撞擊損失和渦流損失最大。為了最大幅度減少葉片的扭曲角度，最大限度減少渦流損失和水能浪費，經過多次模擬試驗得出：轉筒半徑（r）和輪葉半徑（R）關系設置為2 r≥R、葉片扭曲角度大約在10°～15°左右，具有較寬廣的效率區，基本能夠實現進口無撞擊、出口無渦流。裝置最優工況參數示意圖見圖5。

圖5 裝置最優工況參數示意圖

4 運行效果及成本造價分析

2019 年 12 月 6 日 ～12 月 30 日二黃灌區冬灌運行 25 天，2020 年度春灌自2月18日北干渠行水至第一輪灌溉減量運行，安裝在北干渠34+635 處橋梁上的避草裝置已經累計轉動了五十余天，運行基本穩定，避草效果明顯，偶爾出現的停轉又自動復轉現象，原因在于安裝過程中軸向垂直度略有偏差、以及輪葉開度不夠均勻，需要在后期加以改進。

外掛式支墩避草裝置屬于初次試驗，考慮到穩定性和安全性，制作材料基本采用鋼板，自身較為笨重（約230 kg左右），焊接、制作過程比較麻煩，施工安裝難度大，費用包括材料費、加工費、安裝費等，成本約4100 元。待后期調試穩定后，可在選材方面進行優化，轉筒可以嘗試ABS樹脂或者其他成形轉筒，可適當減小轉筒的直徑，輪葉可以選用鋁合金材質，軸承可以考慮尼龍套等等，通過優化裝置材質、優化設計，達到輕、易、廉的目的，實現推廣使用。

解決支墩掛草的方法很多，設想在支墩迎水面，如果豎立一根直徑約20 cm的鋼管，下部在渠底生根，上部焊接水平方向直桿固定在橋梁的擋塊，由于直徑較小，來草及樹枝在鋼管處達不到動態平衡，流過鋼管后隨渦流流動，也會減少支墩掛草量，優點是費用較低，缺點是后部支墩還是會掛淤一定的垃圾雜物。

5 結語

將水輪機工作原理應用到工程設施管護之中，研制出外掛式支墩避草裝置，是灌區渠道管護工作創新的良好開局。設想對避草裝置安裝同步直流勵磁發電機，根據電磁感應原理產生感應電流，可以在行水期間為渠道巡護及安全警示提供電源，更好地服務灌溉生產。