楊小東，尚力陽，范素香，于鵬輝

(1.黃河水利委員會黃河機(jī)械廠，鄭州 450006；2.華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，鄭州 450045)

0 引言

保持良好達(dá)標(biāo)的水質(zhì)輸送,是南水北調(diào)工作的重中之重。南水北調(diào)中線工程輸水總干渠明渠段全長1 432 km(包括北京段和天津段)，共有64座節(jié)制閘、53座退水閘和88座分水閘[1]，流經(jīng)豫、冀、京、津等地。工程通水運(yùn)行后，渠水中會攜帶各種漂浮雜物，以水草、枯枝、樹葉、浮生藻類為主，秋冬季時(shí)最為嚴(yán)重。渠水由分水口進(jìn)入當(dāng)?shù)刈詠硭畯S時(shí)，漂浮雜物易堵塞進(jìn)水口處的相關(guān)設(shè)備，造成輸水不暢，影響正常生產(chǎn)。分水口是明渠主干渠向分支分流的關(guān)鍵點(diǎn)，因此從分水口攔撈漂浮物是最佳解決方式。吳怡等[2]構(gòu)建了南水北調(diào)中線干線工程一維非恒定流水力學(xué)仿真模型，研究了節(jié)制閘閘前水位變化對分水口(退水閘)流量變化的敏感性，為工程實(shí)際運(yùn)行調(diào)度管理提供了技術(shù)支持。吳時(shí)強(qiáng)等[3]針對漂浮物運(yùn)動特性與堆積形態(tài)模擬存在無法同時(shí)滿足的問題,在分析漂浮物隨水流運(yùn)動特性的基礎(chǔ)上,提出了漂浮物模擬的相似條件，采用正態(tài)模型或小變率的變態(tài)模型來模擬漂浮物堆積形態(tài)，為漂浮物治理奠定了基礎(chǔ)。蔡瑩等[4-5]研究了三峽工程漂浮物的危害及治理現(xiàn)狀，分析了目前采取攔漂、排漂、清漂3種主要治漂措施存在的優(yōu)勢和不足，提出了在壩前建設(shè)聚漂區(qū)，采用“以撈為主，以排為輔”的治理方式，為解決漂浮物問題提供了工程參考。景洪水電站在進(jìn)水口前設(shè)置了垂直升降式攔污漂，對污物進(jìn)行攔截清除,大大減少了電站進(jìn)水口攔污柵處漂污物的堵塞[6]。鄭江等[7]結(jié)合錦屏一級水電站工程現(xiàn)場實(shí)際情況，開展了斜坡固定導(dǎo)槽水力自升降攔漂技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)了適應(yīng)超大水位變幅水力的斜坡式水力自升降攔漂設(shè)施，有效保障了攔漂系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。以上研究對河道、水電站漂浮物治理進(jìn)行了深入探索，并將研究成果應(yīng)用于工程實(shí)踐。本文針對南水北調(diào)中線工程分水口處的漂浮物問題，探索一種斜拉式漂浮物攔撈裝置。

1 斜拉式漂浮物攔撈裝置

攔撈裝置為斜拉式框架結(jié)構(gòu)，安裝在分水口地面建筑物上，依附在分水口坡面處。如圖1所示，攔撈裝置由安裝座、攔撈框架、濾網(wǎng)、卷揚(yáng)起吊裝置、鉸支座組成，沿分水口到干渠由上向下傾斜，逐漸由水上過渡到水下，攔撈框架寬度從分水口到干渠逐漸變大，呈等腰梯形結(jié)構(gòu)。為了保證結(jié)構(gòu)牢固，攔撈框架設(shè)置有縱橫交錯(cuò)的支桿。攔撈裝置主體覆有濾網(wǎng)，阻攔漂浮物進(jìn)入取水管道。攜有漂浮物的渠水經(jīng)過分水口附近時(shí)，漂浮物會在濾網(wǎng)上聚集或隨水流向下游流走。當(dāng)濾網(wǎng)上的漂浮物聚集到一定量時(shí)，卷揚(yáng)機(jī)可將攔撈主體拉出水面。攔撈主體兩側(cè)安裝有護(hù)欄，維護(hù)人員可登上攔撈主體清理雜物。

圖1 斜拉式漂浮物攔撈裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Cable-stayed device for trapping and raising floating trash

如圖2所示，鉸支座固定在建筑物的承重結(jié)構(gòu)上，攔撈框架一端通過鉸支座轉(zhuǎn)動連接，框架上設(shè)置有不銹鋼濾網(wǎng)。

圖2 攔撈裝置鉸接形式Fig.2 Articulated structure of the trapping and raising device

如圖3所示，卷揚(yáng)起吊裝置由卷揚(yáng)機(jī)、鋼絲繩、滑輪組組成，卷揚(yáng)機(jī)固定在安裝座上。卷揚(yáng)起吊裝置設(shè)置2套，別位于攔撈框架兩側(cè)，通過鋼絲繩和滑輪與框架前端連接。通過卷揚(yáng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)收放鋼絲繩，使攔撈框架繞鉸支座轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)框架的升降。

圖3 卷揚(yáng)起吊裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the winch hoist

2 攔撈框架有限元靜力學(xué)分析

攔撈框架為桁架結(jié)構(gòu)，選用201不銹鋼材料，工作時(shí)受重力、浮力、鋼絲繩拉力和水流力，其結(jié)構(gòu)和受載比較復(fù)雜，需要計(jì)算應(yīng)力及撓度變化情況，判斷是否在允許值范圍內(nèi)[8-9]。攔撈框架所受的水流力最大值為[10]

(1)

式中：Fw為水流力，kN；cw為水流阻力系數(shù)；ρ為水密度，t/m3；v為水流設(shè)計(jì)流速，m/s；A為構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面積，m2。

根據(jù)實(shí)際情況，計(jì)算時(shí)水流阻力系數(shù)取1.99，水密度取1 t/m3，水流設(shè)計(jì)流速為1 m/s，得出構(gòu)件及其濾網(wǎng)在與流向垂直平面上的投影面積為19.551 7 m2，因此算得水流力為19.453 9 kN。

建立攔撈框架三維模型，在鉸支座、支桿處設(shè)置約束，加載重力、慣性力、浮力及水平水流力，利用有限元分析軟件對框架進(jìn)行工作時(shí)的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析[11]，分析結(jié)果如圖4所示。圖4中：最大變形量為1.212 9 mm，滿足剛度要求；最大應(yīng)力為13.431 MPa，遠(yuǎn)小于275 MPa，滿足強(qiáng)度要求，不需要做進(jìn)一步的應(yīng)力分析。

3 斜拉式漂浮物攔撈裝置的特點(diǎn)

(1)可根據(jù)分水口的形狀與大小量身定做。

(2)攔撈主體上所覆濾網(wǎng)可根據(jù)當(dāng)?shù)厮疀r進(jìn)行定制。單一攔撈主體可根據(jù)水層特性，覆蓋不同孔型的濾網(wǎng)。

(3)安裝時(shí)不需要對現(xiàn)有土方工程或建筑物進(jìn)行大規(guī)模改造。干渠分水口處啟閉機(jī)多安裝在機(jī)房內(nèi)，根據(jù)機(jī)房的結(jié)構(gòu)特征，可將鉸鏈與卷揚(yáng)機(jī)安裝在建筑物的承重柱上，鋼絲繩及導(dǎo)輪可安裝于建筑物外墻上。

圖4 攔撈框架變形云圖及應(yīng)力云圖Fig.4 Deformation cloud map and stress cloud map of the trapping and raising frame

(4)攔撈主體采用分節(jié)制作、現(xiàn)場組拼的方式，便于運(yùn)輸與吊裝。在不完全拆解的情況下，中型卡車即可運(yùn)輸。

(5)主體材料為不銹鋼，可避免銹蝕或材料自身毒性對水體產(chǎn)生的二次污染。

4 工程應(yīng)用

斜拉式漂浮物攔撈裝置安裝在南水北調(diào)中線工程長葛段洼里分水口處，根據(jù)分水口處建筑物形態(tài)特點(diǎn)，鉸鏈座安裝于分水口水工建筑物下部混凝土基礎(chǔ)位置，如圖5所示。鉸鏈座安裝完畢后，安裝攔撈裝置主體，保證攔撈梯形框架中心線與兩鉸鏈中心線重合。設(shè)備工作時(shí)，攔撈主體放入水下，依附在分水口坡面上。當(dāng)過濾網(wǎng)上漂浮物過多可能會影響輸水量時(shí)，可將攔撈主體通過斜拉的方式拉出水面，人員可登上主體進(jìn)行清理。

圖5 斜拉式漂浮物攔撈裝置現(xiàn)場圖Fig.5 Site scene of cable-stayed device for trapping and raising floating trash

5 結(jié)束語

斜拉式漂浮物攔撈裝置的實(shí)際應(yīng)用表明，體積較大的漂浮、懸浮雜物被阻攔于濾網(wǎng)上，或遠(yuǎn)離分水口隨水流流向下游，體積較小的雜物如藻類吸附在濾網(wǎng)上，起到了攔藻作用。供給地方的渠水中漂浮物大量減少，不但保證了輸水質(zhì)量，還降低了當(dāng)?shù)厮畯S相關(guān)設(shè)備的故障率，保證了生產(chǎn)的正常運(yùn)行。