人字門門格清淤裝置設計及在船閘大修中的應用

廖源，唐艷平，劉新，周志寰，吳先偉

（長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002）

三峽和葛洲壩船閘上、下游工作閘門均為人字形閘門，其中三峽船閘為雙線五級船閘、共計24 扇人字門，葛洲壩布置有三座船閘，共計12 扇人字門。人字門門格清淤是船閘計劃性大修停航期的一項重要工作，其主要內(nèi)容為清理沉積在人字門門格內(nèi)（主要為水下部分）的淤泥，以便后續(xù)人字門的檢查和修理工作能夠盡快展開，以葛洲壩三號船閘為例，單次清淤量可達200m3。船閘人字門門格清淤與傳統(tǒng)航道疏浚不同，有其自身特殊性，主要是船閘人字門門體表面不允許重力撞擊和機械損傷，一些常見的抓斗式、絞吸式、耙吸式等清淤設備無法直接投入使用，歷次船閘大修清淤中主要采用人工清淤的方式。目前，國內(nèi)外清淤研究主要集中于中小河道、內(nèi)河航道、水庫、水電站以及港池疏浚的設備研發(fā)與應用，針對狹小范圍的小型清淤設備研發(fā)較少，僅見于少數(shù)文獻中[1-7]，這些小型清淤設備在施工作業(yè)過程中，與清淤頭接觸的多為河底淤泥或鋼筋混凝土，容許清淤設備對清淤基面有一定的損壞。針對不允許損傷清淤基面，如用于人字門門格清淤相關設備領域的研究基本為空白。因此，考慮到國內(nèi)人字形閘門及具有類似門格的閘門數(shù)量眾多，清淤維護工作量大，研發(fā)專門適用于門格清淤的小型清淤裝置具有重大的現(xiàn)實意義。

1 傳統(tǒng)清淤方式現(xiàn)狀分析

在近幾次葛洲壩船閘計劃性停航大修中，為了節(jié)約時間搶進度，主要采用“水降淤清”的方式，做法是在閘室開始排干抽水的同時，清淤作業(yè)人員站在懸掛在門格旁的吊籃欄中或者鉆進門格內(nèi)，采用鐵鍬將門格內(nèi)的泥沙鏟出至門庫，并用消防水槍沖洗。待門庫水排干后，再采用裝載機輔以人工將門庫內(nèi)所有淤積物清理完畢，提交人字門檢修工作面。該方式主要存在以下幾個方面的問題。

（1）作業(yè)空間狹窄。以二號閘下游人字門為例，門格深約2.66m，層高1m 左右，入口高度僅有60cm。由于門格內(nèi)空間狹窄無法站立，作業(yè)人員只能鉆進門格內(nèi)，蹲著進行施工，極為不便。

（2）勞動強度大。以二號閘下游人字門為例，單扇下游人字門需清淤的面積約300m2，按平均淤深約30cm，估算淤積量約90m3。根據(jù)停航大修工期計劃的要求，門格清淤施工一般安排在冬季夜間，隨著閘室抽排水的進度連續(xù)進行直至完成，一般需要安排兩組人員倒班，投入人力約30 人、吊車2 臺，連續(xù)施工時間可達12 小時，如再加上閘室排干后門庫區(qū)域的大量沉渣和淤積清理，連續(xù)施工時間可達24 小時。長時間的高強度連續(xù)作業(yè)造成施工人員體力和精神上的巨大消耗。

（3）清淤效率低。由于門格內(nèi)空間有限，單純靠增加人員投入的方法已達瓶頸，收效不大。傳統(tǒng)的鐵鍬鏟送淤泥的作業(yè)方式效率低下。門格內(nèi)淤泥拋入門庫內(nèi)，閘室排干后還需再次清運，重復勞動，費時費力。

（4）安全風險高。門格清淤屬于高空臨水懸邊作業(yè)，一般需在冬季夜間連續(xù)作業(yè)。此時施工現(xiàn)場氣溫較低，泥水冰冷，能見度差，同時吊車需長時間負重配合施工。在低溫、疲倦、濕滑、能見度差等多因素的影響下，作業(yè)人員和起吊設備都存在一定的安全風險。

圖1 傳統(tǒng)人字門清淤作業(yè)圖

鑒于傳統(tǒng)清淤方式存在的問題，擬探索研究一種新型人字門門格清淤裝置和方式，解決現(xiàn)有傳統(tǒng)門格清淤方式存在施工難、消耗大、效率低、風險高的問題。達到減輕作業(yè)強度，降低安全風險，提高清淤效率，滿足船閘快速、高效檢修的迫切需求。

2 人字門門格清淤裝置研發(fā)

受門格條件所限，常見的抓斗式、絞吸式等清淤設備無法直接投入使用。新的清淤裝置基于體積小、操作方便、清淤效率高、對門體無損傷的理念進行設計。充分考慮現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，結(jié)合多年來歷次大修清淤實踐，采取不斷試驗、不斷優(yōu)化的方式進行研制。

2.1 人字門門格清淤裝置原理

人字門門格清淤裝置采用“高壓水沖擊+吸沙排污裝置”，簡單概括為“一沖一吸”的工作原理對沉積在門格內(nèi)的淤泥進行清除。將高壓噴嘴和吸泥頭集成在清淤頭上，高壓噴嘴連接高壓供水裝置，吸泥頭連接吸沙排污裝置。工作時，第一步：借助高壓水或者高壓風的動力將板結(jié)的淤泥或者泥沙擾動，使其變成可以流動的泥漿；第二步：利用吸泥頭配合排漿管將泥沙排出。裝置原理示意圖如圖2 所示。

圖2 人字門門格清淤裝置原理示意圖

2.2 人字門門格清淤裝置組成及功能實現(xiàn)

人字門門格清淤裝置主要由沖淤系統(tǒng)、吸漿系統(tǒng)、吸盤、清淤頭牽引機構、電源控制箱、無線遙控開關、鋼管支架、浮式平臺、水下照明燈帶等組成。如圖3 所示，沖淤系統(tǒng)包括潛水泵、彈性耐壓水管、高壓噴嘴，分水腔。吸漿系統(tǒng)包括液下渣漿泵（或吸漿泵）、吸漿管、排漿管、吸泥頭、吸盤。吸盤、高壓噴嘴、分水腔和吸泥頭共同組成清淤頭。清淤頭牽引機構包括鋼絲繩、支臂、滑輪、卷揚機、行走電機、提升電機。電源控制箱包括吸漿泵、潛水泵、行走電機和提升電機的電源開關，同時提供了12v、220v 和380v 的備用接口，滿足水下水上及臨時用電需求。無線遙控開關集成了吸漿泵、潛水泵、行走電機和提升電機的控制開關。

圖3 清淤裝置圖

清淤裝置工作時，沖淤系統(tǒng)中潛水泵從閘室取水，水體經(jīng)由高壓水管送至分水腔，分水腔與高壓噴嘴連接，利用噴嘴中噴出的高壓水柱將沉積在門格中的淤泥沖散。噴嘴角度可以調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對淤泥不同角度的沖擊，同時噴嘴也能夠?qū)崿F(xiàn)快速更換，防止堵塞影響效率。吸漿系統(tǒng)中吸泥頭借助吸漿泵動力將泥漿吸入，傳至吸漿管、排漿管、抽排至門庫區(qū)域以外。為實現(xiàn)清淤頭的上下移動和水平移動，設計了清淤頭牽引機構，位于水下的前后兩立桿、支臂橫桿與平臺構成一個可活動的平行四邊形，鋼纜連接平行四邊形對角頂點，通過卷揚機的收放來調(diào)整平行四邊形對角線的長度，從而控制支臂橫桿在水中的深度，將清淤頭正對門格洞口后再整體推入。應用時具體步驟如下：

（1）將施工平臺系泊在人字門門格側(cè)，清淤設備平臺清淤頭正對門格，設備配電箱接駁岸電；

（2）打開橫桿和清淤頭上的照明燈帶，水面操作員位于施工平臺上，邊觀察邊通過遙控器調(diào)整清淤頭深度，使之正對水下一層門格的洞口；

（3）拉動清淤設備平臺整體向人字門靠攏，將清淤頭送入門格內(nèi)部，點落清淤頭，觀察卷揚機鋼絲繩是否松弛，使清淤頭落在淤積部位上，將清淤設備平臺與門體系泊牢固；

（4）啟動潛水泵和吸漿泵，開始正式清淤施工，并觀察排漿管出漿情況；

（5）排漿管出漿變清時，可移動位置對門格進行“地毯式”清淤；

（6）單個門格清理完成后，反向退出門格，將平臺橫向移泊至下一個門格，從步驟b 重復操作；

3 人字門門格清淤裝置在葛洲壩三號船閘大修中的應用

2022 年葛洲壩三號船閘計劃性大修清淤項目中，人字門門格清淤裝置投入了應用，如圖4，共清理淤泥近120m3，顯現(xiàn)了其高效、可靠、操作簡便的特點。

圖4 清淤裝置現(xiàn)場作業(yè)圖

表1 為傳統(tǒng)清淤方式和人字門門格清淤裝置的對比。根據(jù)表格可以看出人字門門格清淤裝置相較于傳統(tǒng)人工清淤方式，有顯著的優(yōu)勢。

表1 傳統(tǒng)清淤方式與清淤裝置的對比（三號閘大修清淤實踐）

4 總結(jié)

通過研制新型人字門門格清淤裝置，實現(xiàn)了船閘大修中高效清淤、安全清淤的目標。更加機械化、智能化的清淤方式大幅減輕了施工人員勞動強度，降低了施工作業(yè)安全風險，避免了淤泥的二次清運。直接縮短了大修工期關鍵線路1 天左右的時間，更好滿足了船閘快速檢修，減少停航時間，充分發(fā)揮航運效益的需求。