疏淤設備在二期抽黃灌區渠道的研制和應用

呂延學，馬軍杰，楊秀峰

（渭南市東雷二期抽黃工程管理中心,陜西 渭南 714000）

0 前言

東雷二期抽黃灌區位于陜西省關中東部渭南市境內,是以黃河為水源的大流量、高揚程輸水工程,樞紐泵站設在合陽縣坊鎮黃河岸邊的太里灣村,渠道沿鐵鐮山南緣一路向西,流經大荔、蒲城、富平縣三縣,設計灌溉面積126.5 萬畝農田。自1997 年通水以來,斗口累計水量達到25 億m3,為國家糧食安全和農村社會經濟發展、建成小康社會做出了巨大的貢獻。

1 淤積的成因

1.1 客觀原因

黃河流經黃土高原之后,挾沙量顯著增大,尤其是在春季桃花汛和夏季汛期,泥沙含量成倍增加,而此時正值春季和夏季抗旱灌溉的關鍵時期,灌溉輸水將大量的泥沙帶入渠道設施,隨著渠道分級,流速降低,泥沙沉淀形成淤積,導致渠道過流斷面減小水位抬高,影響工程設施效能的正常發揮,而且形成安全隱患。淤積容易發生的渠段有泵站的上游引渠、前池、進水池等部位,在支渠的末端,淤積現象尤為嚴重。

1.2 主觀原因

在灌溉生產過程中,一是部分泵站運行多年設備老化,為了機電設備的安全平穩運行,上游引渠常常水位較高,導致引渠、前池和進水池產生淤積；二是為保障灌溉用水的穩定供給,便于準確持續計量,減少水量損失,利用各級節制閘調蓄水量抬高水位降低了流速,產生淤積；二是因城市建設造成渠道控制面積萎縮、水量綜合調配等其他原因,支渠的配水量達不到設計流量,特別是在支渠后段,渠道斷面大,配水流量小,每次灌溉都會形成大量淤積。

2 歷年來疏淤減淤的措施

為保障灌溉生產工作的正常開展,歷年來灌區工程管護人員,千方百計采取各種措施,清理淤積疏通渠道設施,以確保工程設施的安全運行。一是在灌溉后期,合并各斗加大流量集中配水進行拉淤,這種措施往往造成水量無法落實,形成無法計費的水量,降低了對口率；二是利用人工在斗門上游擾動水流,耗時長人工量大,需要站在渠道內操作,存在不安全因素；三是停水后使用挖掘機進行清淤,常常損傷渠道襯砌,且渠堤大量堆積淤泥無處傾倒,增加了工程管護難度。渠道淤積不及時清理,影響灌溉生產的正常進行,對工程高質量管護帶來很大的困難。以二黃灌區孫鎮灌溉系統為例,每年徹底清理一條支渠的淤積并外運,需約3 萬～5 萬余元,12 條支渠需40 余萬元,高額的支出給工程管理單位帶來極大的困擾。

3 疏淤減淤的創新實踐

3.1 移動式疏於機

二黃灌區總干渠、北干渠、分干渠斷面大、流量大,調度運行合理一般不淤積,易產生淤積的是支渠,特別是在支渠后段。支渠斷面為“U”型,上口寬在0.6 m～1.5 m之間,設計流量在1 m3/s以下。管理人員利用農田耕作常用的手術拖拉機進行改裝,選取參數為1∶11的減速機作為泥沙擾動裝置,連接傳動軸垂直下傳動力,安裝萬向節連接泥沙擾動圓盤刷,在渠道行水時跨渠行走,圓盤刷插入水面進行擾動,水淤混合流進斗渠進入田間,達到疏淤減淤的目的。

改裝過程中的注意問題：

1）渠道口寬不同,行走裝置的輪距可按渠道寬度進行調節。

2）泥沙擾動圓盤刷的轉速控制在160 r/min以下。為防止泥水飛濺,上設遮擋圓盤,采用柔性鋼繩作為擾動刷,避免損傷渠道砼襯砌。

3）擾動圓盤刷與傳動軸用萬向節連接,靈活轉動,防止擾動時泥沙下不明物塊碰撞刷盤,造成設備傾覆。

4）傳動軸每10 cm設一個定位銷,根據泥沙厚度可伸縮調節。

5）減速機與柴油機在一條中軸線上,并牢靠連接,確保皮帶傳動的穩定性,作業時設備中軸線與渠道中心線基本保持一致。

6）設備在道路上行走安裝普通輪胎,在渠道作業時更換防滑鐵輪。跨渠時鋪設木板,以前一輪為圓心,另一輪沿木板整體轉動90°,即可前進后退開始作業。

缺點和不足：設備相對笨重,需要人工操作,遇到橋涵等跨渠交叉建筑物無法通行,對渠堤平整度要求較高。

3.2 軌道式疏淤機

在移動式疏淤機研制成功的基礎上,管理人員在孫鎮系統白家塬八級站前試制成功軌道式疏淤機,其原理與移動式疏淤機基本相似。

軌道式疏淤機分為固定軌道和疏淤小車兩大部分,其疏於小車由車架、行走裝置、擾動裝置、控制箱四部分組成,以泵站自有電源作為動力,自動控制、來回行走、無需人力、簡捷方便。

注意的問題及解決辦法：

1）選用高10 cm輕型工字鋼作為軌道,在渠道襯砌上平面每間距3 m澆筑高50 cm鋼筋砼支墩,將工字鋼布設固定在支墩上。

2）車輪為凹槽輪轂,避免行走時擺動滑落；設兩軸四輪,以增加擾動時的穩定性。

3）以電機為動力通過減速機降速,連接帶有差速器的后橋作為行走裝置。

4）以電機為動力通過減速機降速,豎向帶動泥沙擾動圓盤,圓盤下嵌鋼繩刷；擾動部分帶有自鎖裝置,根據淤積厚度可上下調節整體滑動。

5）架設滑索電纜作為動力電源,裝配控制箱,設手動和自動兩種控制方式,軌道兩端設有限位開關,實現自動化。

6）動力電纜三相四芯,零線接地牢靠,確保操作安全。

缺點和不足之處是,需要動力電源,因此僅可應用于泵站前淤積嚴重的引渠,行進擾動長度較短,不能完成野外渠道的疏淤。

3.3 反推式沖淤船

為解決移動式、軌道式疏淤機的缺陷,更加節約人力,更加方便運行,管理人員經過多次試驗,研制出浮于渠道水面、以汽油抽水泵作為動力、利用反沖力行走并對淤泥進行沖刷擾動的反推式沖淤船,不需人工,對渠堤平整度和渠道是否通暢沒有要求,達到對支渠全段及各類隧洞內疏淤減淤的目的。

反推式沖淤船由船體、高壓汽油水泵、抽排水組件、防撞裝置、控制器五部分組成。船體總重120 kg,變換工作地點時用裝有“隨車吊”的農用三輪作為運輸工具。

制作工藝和應注意的問題：

1）船身材料選用1.8 mm薄鋼板卷焊,根據渠道寬度和浮力,確定船體的外輪廓尺寸（長2.1 m、寬0.75 m、高0.4 m）,船身設置1 個吸水口,2 組噴射口。

2）選用出水揚程大于80 m、抽水量大于35 m3的電啟動汽油抽水泵,安裝固定于船體適當位置。

3）吸水口位于船體前端迎水面下；船前端噴射口與水平面夾角75°,后端噴射口與水平面夾角45°,采用軟管與汽油泵體可靠連接。

4）前后噴射口軟管與泵體之間的連接加裝電磁閥,電磁閥開關分別控制前后噴射口,進而可以操控船的前后運行。

5）汽油泵與電磁閥電氣部分,根據電器線路圖連接至集成控制器,配蓄電池供電,做到遠程遙控操作。

6）船身兩側安裝導向防撞輪,根據渠道狀況可伸縮調節寬度,避免船體運行過程中碰撞渠道邊沿,影響正常的行進。

4 運行效果

2021 年二黃灌區三季四輪灌溉,孫鎮系統共計運行153天,期間對三套疏淤設備進行了現場測試和運行,均運行良好,疏淤效果明顯。移動式疏淤機分別在東四支、東六支、西分干三條不同規格的渠道、軌道疏淤機在白家塬八級泵站前引渠進行疏淤作業,反推式沖淤船在多處連接渠道的隧洞內進行了沖淤操作,現場顯示,經過設備擾動,沉積多年的泥沙泛起,水體渾濁度顯著增加,停水后淤積高度大大降低,部分渠道淤積消失,露出了砼襯砌渠底。

圖1 移動式疏於機

圖2 軌道式疏於機

圖3 反推式沖於船

以東四支渠及東四支3斗渠為例,分別對疏淤設備前后水流測量其含泥量變化情況,并對該渠道擾動前后的淤積情況進行對比,相關數值見表1、表2。

表1 東四支渠道特征參數表

表2 擾動后淤積變化情況測算表

經過三種不同的疏淤設備的測試,得出以下結論：

1）渠道淤積的泥沙只要經過擾動,即可被水流帶走,達到減少渠道淤積的目的。

2）在下一級渠道進水閘上游一定范圍內進行擾動疏淤,降低該段渠道的侵蝕基準,可以提高水流流速,拉動上游泥沙向下游移動,達到整條渠道減於的目的。

3）設備工作過程中的分層擾動（來回一個周期內擾動刷下降10 cm）,逐步增加水流的攜沙量,不影響灌溉的正常配水,也不會再次形成泥沙沉積。

4）擾動疏淤可以僅在灌溉后期（灌溉結束前3天）實施,以節省費用。

5 結語

針對不同的渠道實際,三種設備均達到了預期的疏淤減淤目的。抽黃灌區來水泥沙含量大,渠道工程設施線長面廣,易產生淤積的渠道工程設施多處存在,不加以治理淤積這一難題,很大程度上影響灌區設施功能的正常發揮,日積月累對工程設施的有效管護將變得非常困難。對于渠道建筑物如倒虹,排洪涵洞等的淤積問題,可參考以上成果,研制能夠在水下工作的疏淤機器人,相信會更全面地解決淤積問題,更好地服務于渠道工程管理,服務灌溉生產。