張擴(kuò)成 徐勇 張厚芹

(濟(jì)南市邢家渡引黃灌溉管理處,山東濟(jì)南 250014)

黃河中下游引黃灌區(qū)泥沙清淤研究及自動(dòng)化裝配開(kāi)發(fā)

張擴(kuò)成 徐勇 張厚芹

(濟(jì)南市邢家渡引黃灌溉管理處,山東濟(jì)南 250014)

本文在詳細(xì)介紹引黃灌區(qū)泥沙清淤的重要性,在充分分析國(guó)內(nèi)外泥沙清淤設(shè)備現(xiàn)狀及不足的基礎(chǔ)上提出了一種新型的水下自動(dòng)化清淤裝備。該裝備采用先進(jìn)的履帶行走技術(shù)和絞沖原理,可直接自行進(jìn)入渠道內(nèi),并將沉積渠道底的淤泥吹攪成混濁的水狀,隨河水流走,完成疏通渠道。

黃河 引黃灌區(qū) 泥沙清淤 自動(dòng)化

黃河是我國(guó)文化的發(fā)祥地，黃河水是我國(guó)西北、華北地區(qū)的主要水源。“豐蓄枯用，冬蓄春用，科學(xué)引用黃河水”是黃河中下游地區(qū)針對(duì)十年九旱、黃河斷流、棄水入海的基本水情，統(tǒng)籌考慮生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水，解決黃河水時(shí)空分布不均，促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展的一大創(chuàng)舉；而引黃灌渠是其中重要組成部分之一，因?yàn)辄S河的含沙量高，加上灌區(qū)水流速小極易造成灌區(qū)泥沙大量沉積，堵塞河道[1]。河道清淤指治理河道，屬于水利工程。通過(guò)機(jī)械設(shè)備，將沉積河底的淤泥吹攪成混濁的水狀，隨河水流走，從而起到疏通的作用。針對(duì)引黃灌區(qū)泥沙沉積問(wèn)題開(kāi)展的清淤自動(dòng)化裝備研究開(kāi)發(fā)將有利于增強(qiáng)渠道的引、排、蓄、供等功能，有利于改善水環(huán)境質(zhì)量，有利于加快建設(shè)現(xiàn)代新農(nóng)村、推進(jìn)城鄉(xiāng)一體化步伐。

1 背景和意義

農(nóng)村的改革開(kāi)放雖然給農(nóng)業(yè)帶來(lái)了前所未有的生機(jī)，解決了農(nóng)民的溫飽問(wèn)題，為農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；但因糧食作物得不到灌溉，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)增產(chǎn)不增收，制約了農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。引用黃河水淤灌農(nóng)田，在黃河上、中游已有2000多年的歷史。秦漢時(shí)期，就先后修建了鄭國(guó)渠、白渠等灌溉工程，使關(guān)中地區(qū)大得其利[2]。

有一句老話(huà)叫做“官不治水、民不樂(lè)業(yè)”，直接反映了水利事業(yè)的重要性與農(nóng)民對(duì)水利事業(yè)發(fā)展的要求。興修水利功在當(dāng)代、利在千秋。措施有三種：一是增加新的水利設(shè)施；二是修復(fù)擴(kuò)建；三是清淤增容。前兩種既受資金、勞力的制約，又受自然地理環(huán)境的影響，實(shí)施起來(lái)牽涉面廣、工作量大。第三種則相對(duì)比較容易實(shí)施，可用最少的投入取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 絞吸式挖泥船

圖2 耙吸式式挖泥船

圖3 絞式挖泥船

圖4 兩棲式清淤機(jī)

2 國(guó)內(nèi)外河道清淤設(shè)備研究現(xiàn)狀及不足

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

同造船業(yè)一樣，疏浚業(yè)源于歐美。1660年鏈斗式挖泥船的雛形“泥碾船”在荷蘭首創(chuàng)獲得成功。1855年美國(guó)人制成莫爾茨將軍號(hào)吸揚(yáng)式挖泥船，用于開(kāi)挖南卡羅來(lái)納州查爾斯頓港的攔門(mén)沙。1869年荷蘭制成吸揚(yáng)式挖泥船，用于蘇伊士運(yùn)河工程。隨著西方國(guó)家工業(yè)化和世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油輸運(yùn)、集裝箱輸運(yùn)、河海聯(lián)運(yùn)等推動(dòng)了世界港口和航道的建設(shè)，疏浚設(shè)備也因此得到快速發(fā)展。

圖5 水下清淤機(jī)器人結(jié)構(gòu)

圖6 水下清淤機(jī)器人工作狀態(tài)

(1)絞吸式挖泥船；圖1所示：絞吸式挖泥船源于美國(guó)并獲得極其廣泛的應(yīng)用。1884年在美國(guó)加利福利亞的粵克蘭港，用一艘具有圓柱狀絞刀的絞吸式挖泥船挖掘一層層的砂石，其排泥管直徑達(dá)500mm、泥泵直徑達(dá)1.8m。1896年芝加哥美洲疏浚公司建造的“beta”號(hào)絞吸式挖泥船，吃水深度1.95m，有2個(gè)獨(dú)立的泥泵，吸管直徑850mm是當(dāng)時(shí)最大的挖泥船。1986年“Leonardo da vinci”號(hào)自航絞吸式挖泥船研制成功，該船總裝機(jī)容量20250KW，其中絞刀功率4400kW，裝有計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化挖掘系統(tǒng)，可以使挖泥船操控達(dá)到最佳狀態(tài)!那個(gè)時(shí)代被稱(chēng)為巖石疏浚的黃金時(shí)代[3]。

(2)耙吸式挖泥船的發(fā)展；圖2所示：絞吸式挖泥船大多是靜態(tài)作業(yè)，抗風(fēng)浪能力弱，適合在內(nèi)河航道及湖泊疏浚，而耙吸式挖泥船具有自航能力，調(diào)遣費(fèi)用低，挖深大，輸泥距離不受限制，故特別適合于遠(yuǎn)距離取沙的填海造地、大型港口航道的建設(shè)與維護(hù)等工程。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

在我國(guó)，交通系統(tǒng)擁有大中型的疏浚設(shè)備，以耙吸式和絞吸式挖泥船為主，數(shù)量不多但分布相對(duì)集中，疏浚能力強(qiáng)大。水利系統(tǒng)則以中小型挖泥船居多，各種類(lèi)型應(yīng)有盡有，數(shù)量龐大，分布在全國(guó)各地。目前我國(guó)常用的清淤機(jī)械有兩棲式清淤機(jī)，兩棲絞吸式清淤機(jī)、長(zhǎng)臂自航式清淤機(jī)、水管道清淤機(jī)、機(jī)井清淤機(jī)、水力挖泥機(jī)、淺魚(yú)池人工牽引船體式清淤機(jī)、螺旋滾筒潛水式清淤機(jī)、旋輪式水下清淤機(jī)、半旱式清淤機(jī)等。如圖3、圖4所示為兩種典型清淤機(jī)和挖泥船[4][5]。

2.3 現(xiàn)有清淤自動(dòng)化設(shè)備不足

雖然國(guó)內(nèi)外的清淤機(jī)種類(lèi)很多，但是不適合引黃灌區(qū)的大泥沙量清淤現(xiàn)狀，它們存在著以下問(wèn)題：

(1)功率大、能耗高，挖泥淺，一般只能挖深5～15m的疏松泥砂和土層；(2)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件多，如斗輪、絞刀和砂泵等構(gòu)件磨損嚴(yán)重，更換頻繁，維修量大，運(yùn)行成本高，設(shè)備管理復(fù)雜；(3)用機(jī)械式斗輪、絞刀破碎水下土巖，造成水質(zhì)變壞，污染環(huán)境。

而灌區(qū)沉沙池的嚴(yán)重淤積、廢棄，給鄉(xiāng)村帶來(lái)了一系列嚴(yán)重惡果。

(1)種植業(yè)用水受到威脅。一部分依靠灌區(qū)灌溉的農(nóng)作物輕則干旱減產(chǎn)，重則荒蕪失收。(2)水土保持作用減弱。邢家渡灌區(qū)蓄水蓄沙、緩沖能量、減輕山洪對(duì)泥沙的沖刷，是水土保持的主要工程措施之一。由于邢家渡灌區(qū)的淤積和廢棄，蓄水容積減少，對(duì)山洪抗擊能力明顯減弱。

3 泥沙清淤自動(dòng)化裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 方案的選擇

要機(jī)動(dòng)、靈活、高效實(shí)現(xiàn)灌渠泥沙清淤工作，研究、設(shè)計(jì)合理的自動(dòng)化裝備結(jié)構(gòu)部分至關(guān)重要。在最初步設(shè)計(jì)的4套方案中，經(jīng)過(guò)三方領(lǐng)導(dǎo)專(zhuān)家的反復(fù)論證，并在Solid Edge平臺(tái)上繪制出了三維結(jié)構(gòu)圖樣，從操作及維護(hù)保養(yǎng)方便程度、性能價(jià)格比、可靠性、穩(wěn)定性、實(shí)用性等方面綜合考慮，最終確定了水下行走攪拌式清淤方案。

3.2 水下清淤機(jī)器人方案設(shè)計(jì)

水下機(jī)器人也稱(chēng)無(wú)人遙控水下行走機(jī)器，它是一種可在水下移動(dòng)式機(jī)器：由岸邊或水面上的工作人員，通過(guò)連接裝備的臍帶提供動(dòng)力，操縱或控制水下清淤機(jī)器人[6]。如圖5、圖6、所示，該方案是利用最新的小型履帶行走機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)出小型履帶式可在壩面行走，并可在水下工作的機(jī)器人，為了避免上述回轉(zhuǎn)機(jī)器人回轉(zhuǎn)裝置的不足，將工作裝置設(shè)計(jì)成不可回轉(zhuǎn)，但增加了前端臂的擺臂動(dòng)作，是臂前部的旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)裝置可在120度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)增大作業(yè)范圍。

3.3 新型水下自動(dòng)化清淤裝備具有以下特點(diǎn)

(1)該設(shè)計(jì)中引入了先進(jìn)的機(jī)器人設(shè)計(jì)思想，整體結(jié)構(gòu)緊湊，自動(dòng)化程度高；(2)由于該水下自動(dòng)化清淤裝備可以根據(jù)實(shí)際情況靈活定位，所以整體結(jié)構(gòu)尺寸較小、重量較輕，移動(dòng)、定位方便，機(jī)動(dòng)靈活；(3)只需一名操作人員，即可完成整個(gè)清淤過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了引黃灌區(qū)泥沙清淤的重要性，在充分分析國(guó)內(nèi)外泥沙清淤設(shè)備現(xiàn)狀及不足的基礎(chǔ)上提出了一種新型的水下自動(dòng)化清淤裝備。該裝備可直接自行進(jìn)入渠道內(nèi)，并將沉積渠道底的淤泥吹攪成混濁的水狀，隨河水流走，疏通渠道，其有利于改善水環(huán)境質(zhì)量，有利于加快建設(shè)現(xiàn)代新農(nóng)村、推進(jìn)城鄉(xiāng)一體化步伐。

[1]王艷華.引黃灌區(qū)水沙資源優(yōu)化配置[D].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,2007.

[2]姜海波.位山灌區(qū)水沙調(diào)度方式與沉砂池輸沙通道技術(shù)研究[D].山東大學(xué),2012.

[3]胡建,戴清,袁玉平等.引黃灌區(qū)不同粒徑泥沙的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與處理利用[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2008(6).

[4]陶松壘,王康林,陶鈞炳等.清淤輸泥的新方法新設(shè)備[J].海洋學(xué)研究,2006(7).

[5]劉曉杰,化曉鋒,陳偉等.新型渠道清淤技術(shù)與設(shè)備研究[J].南水北調(diào)與水利科技,2013(10).

[6]蘇紅魯,張擴(kuò)成,張厚芹.邢家渡灌區(qū)泥沙清淤自動(dòng)化裝備研制[J].山東水利,2012(10).