孟昭辰，段曉芳，林廣志，王相峰

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

在農(nóng)業(yè)灌溉、引水式電站、城鎮(zhèn)供水等引水渠首樞紐工程中，漂浮物和淤積問(wèn)題較為常見(jiàn)，特別是洪水過(guò)程后，渠首前的漂浮物淤積更加嚴(yán)重和突出。在引水灌溉渠首工程中，河道漂浮物淤積將嚴(yán)重影響灌區(qū)引水效率，造成閘門(mén)變形，危及閘門(mén)正常啟閉；在引水式電站工程中，取水口聚集的漂浮物可能會(huì)堵塞水輪發(fā)電機(jī)組的進(jìn)水口攔污柵，影響水電出力，對(duì)水電站的安全運(yùn)行和防洪泄洪產(chǎn)生一定影響[1]。另外，漂浮物對(duì)河道水質(zhì)及水生物的生命安全也將造成嚴(yán)重危害。綜上，有效治漂既是水利工程安全運(yùn)行的需要，也是實(shí)現(xiàn)國(guó)家關(guān)于流域水環(huán)境綜合治理的迫切需求。

目前，常見(jiàn)的治漂措施是在閘前修建攔污柵[2]、攔污排[3]、導(dǎo)漂屏[4]和使用清漂船[5]、人工打撈[6]、水上垃圾自動(dòng)收集設(shè)備[7]等。其中，升降式攔污柵在清污機(jī)高頻運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，鋼繩長(zhǎng)期處于浸泡和干燥的循環(huán)狀態(tài)極易磨損斷裂[8]，導(dǎo)致排漂裝置失控；攔污排主要攔截水面漂浮物，若漂浮物不能及時(shí)清理，將導(dǎo)致攔污柵柵條變形和設(shè)備過(guò)載故障等[9]；清漂船需要人工操作，汛期清理漂浮物時(shí)，操作人員人身安全將受到威脅；水上垃圾自動(dòng)收集設(shè)備只能清理體積和重量有限的漂浮物，多用于河道漂浮物治理中，對(duì)于因洪水引發(fā)的大體量漂浮物其清理能力有限。另外，一些工程為了減少排漂棄水量采用舌瓣組合閘門(mén)排漂[10]，此種方式因漂浮物的匯聚時(shí)間較為集中，導(dǎo)致漂浮物治理更加困難。

蔡瑩等[11]在三峽庫(kù)區(qū)清漂治理的實(shí)踐中，因勢(shì)利導(dǎo)總結(jié)出水力一體化治漂浮槽，以達(dá)到攔、導(dǎo)、清一體化清漂效果。其中，浮槽起到了很好的攔漂效果，但導(dǎo)漂僅靠浮槽前橫向水流推動(dòng)，效果一般?；诖耍疚膶?duì)浮槽進(jìn)行了改造，設(shè)計(jì)安裝了旋轉(zhuǎn)式浮筒，以提高其導(dǎo)漂效果，并將該漂浮物治理思路應(yīng)用于引水樞紐的治漂工作中。

1 旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排組成及原理

1.1 旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排組成

旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排是針對(duì)引水樞紐提出的具有攔漂、導(dǎo)漂和排漂功能的攔污排漂裝置，包括浮箱平臺(tái)（含護(hù)欄）、“ㄈ”字形構(gòu)件、圓柱體浮筒旋轉(zhuǎn)構(gòu)件、浮箱平臺(tái)首尾的連接件、渠首岸墻上設(shè)置的導(dǎo)槽，如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排裝置

旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排的浮箱平臺(tái)由多個(gè)矩形浮箱通過(guò)鉸座拼接而成，相鄰浮箱鉸座之間通過(guò)鉸釘固定，如圖2所示。浮箱平臺(tái)兩端安裝與兩岸導(dǎo)槽配合使用的連接件，組成一個(gè)可上下滑動(dòng)的支座，連接件在導(dǎo)槽內(nèi)只能沿豎直方向移動(dòng)（水平方向不可移動(dòng)），從而保證浮箱平臺(tái)隨水位變化而變化。連接件強(qiáng)度高、機(jī)動(dòng)靈活，可確保浮箱平臺(tái)穩(wěn)定地浮于水面，并滿(mǎn)足一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。浮箱平臺(tái)兼具工作橋的功能，方便日常檢修。單個(gè)浮箱四周各有1 個(gè)鉸座，4個(gè)絞座上下位置不同，從而滿(mǎn)足拼接的要求。岸墻上的導(dǎo)槽在岸墻施工時(shí)預(yù)埋在岸墻內(nèi)。

圖2 浮箱平臺(tái)

旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排中的“ㄈ”字形構(gòu)件形如橫放的槽鋼，“ㄈ”字形構(gòu)件中上下面之間等間距布置軸承，用來(lái)安裝圓柱形浮筒，如圖3所示。“ㄈ”字形構(gòu)件材料為剛度較大的鋼板，根據(jù)工程實(shí)際情況焊接出需要的長(zhǎng)度。整個(gè)攔漂裝置的剛度大，在水中不會(huì)發(fā)生過(guò)大變形。圓柱狀浮筒構(gòu)件之間預(yù)留有充足的旋轉(zhuǎn)空間，既能保證漂浮物不會(huì)卡在浮筒構(gòu)件之間，又能保證浮筒構(gòu)件實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。

圖3 “ㄈ”字形構(gòu)件

圓柱形浮筒等距安裝在“ㄈ”字形構(gòu)件內(nèi)，該構(gòu)件借鑒了藏傳佛教中的“轉(zhuǎn)經(jīng)筒”結(jié)構(gòu)，其中心處安放轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸一端為固定端，另一端為浮動(dòng)端。固定端設(shè)置在“ㄈ”字形構(gòu)件水面上部一側(cè)，浮動(dòng)端淹沒(méi)在水面下部一側(cè)，在浮動(dòng)端安放軸端擋塊，防止圓柱形浮筒上下移動(dòng)，保證圓柱形浮筒構(gòu)件在外荷載作用下可垂直立于水面繞軸旋轉(zhuǎn)。“ㄈ”字形構(gòu)件和浮箱平臺(tái)之間通過(guò)螺栓連接。旋轉(zhuǎn)式浮筒結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)式浮筒結(jié)構(gòu)

1.2 旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排原理

圓柱形浮筒通過(guò)轉(zhuǎn)軸固定在“ㄈ”字形構(gòu)件內(nèi)，“ㄈ”字形構(gòu)件通過(guò)螺栓與浮箱平臺(tái)連接。拼裝完成的旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排斜攔于閘前，起到攔漂作用。在水流和漂浮物的撞擊摩擦作用下，圓柱形浮筒旋轉(zhuǎn)，從而將浮筒前面的漂浮物導(dǎo)向下游。

1.3 旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排的優(yōu)點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排，不僅對(duì)水閘過(guò)流影響較小，而且具有工程量小、工程投資少、可有效提高攔污排漂效率等優(yōu)點(diǎn)，既可應(yīng)用于新建工程，也可應(yīng)用于已建工程。通過(guò)設(shè)置舌瓣式閘門(mén)或分層式閘門(mén)排漂，可以減小排漂用水量。

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)由首部水池、水槽、尾部水池、進(jìn)水閘、泄洪沖沙閘、循環(huán)水泵和旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排組成。試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。本次試驗(yàn)制作出旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排的圓柱形浮筒和“ㄈ”字形構(gòu)件，以驗(yàn)證其導(dǎo)漂效果。轉(zhuǎn)筒直徑取4 cm、凈高為6 cm，相鄰轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)軸間距為5 cm，“ㄈ”字形構(gòu)件與水流方向夾角取30°。旋轉(zhuǎn)式浮筒試驗(yàn)裝置，如圖6所示。

圖5 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)

圖6 旋轉(zhuǎn)式浮筒試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)中，使用枯樹(shù)枝、泡沫、紙屑等作為典型漂浮物。首先，通過(guò)泄流觀察不同流量對(duì)應(yīng)的水深；然后，將浮筒安裝至相應(yīng)高度，確保浮筒的1/3～1/2 部位位于水下；最后，將選定的漂浮物多次隨機(jī)投放至水槽中，觀察其聚集和運(yùn)動(dòng)情況。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

浮筒安裝完成后，漂浮物在水流作用下順著浮筒被輸運(yùn)至下游。通過(guò)仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，枯樹(shù)枝撞擊到浮筒后，撞擊力的方向并非正好能通過(guò)浮筒轉(zhuǎn)軸中心，而是存在一定的偏離。浮筒在偏心力和水流作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，提高了導(dǎo)排漂效果，且流速越大導(dǎo)排漂效果越好。

浮筒安裝角度不同，導(dǎo)排漂效果也不同，浮筒與水流方向垂直時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)較快，但在浮筒與河岸交界處漂浮物容易聚集。

漂浮物形狀也對(duì)導(dǎo)漂效果存在影響，漂浮物為樹(shù)枝、干草時(shí)導(dǎo)漂效果更好；而當(dāng)漂浮物為紙屑、泡沫時(shí)，導(dǎo)漂效果一般，主要原因?yàn)檫^(guò)輕的漂浮物對(duì)轉(zhuǎn)筒的撞擊力小，無(wú)法使轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)，引導(dǎo)漂浮物定向運(yùn)動(dòng)效果較差。

3 工程應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

結(jié)合旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排治漂原理和特點(diǎn)，提出如下設(shè)計(jì)原則：①旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排主要應(yīng)用于引水樞紐的攔污排漂，若將其應(yīng)用于蓄水樞紐和泵站樞紐時(shí)應(yīng)進(jìn)行論證；②旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排可應(yīng)用于新建的引水樞紐，也可以應(yīng)用于已建樞紐的改造；③引水渠和排漂口應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，最好分屬河道兩岸，將兩者布置到同側(cè)河岸時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行論證。

3.2 設(shè)計(jì)方案

在引水樞紐工程中，對(duì)于排漂設(shè)計(jì)，應(yīng)堅(jiān)持?jǐn)r、導(dǎo)、清一體化清漂的思路。利用旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排將上游河道中的漂浮物、污物阻擋在進(jìn)水口外側(cè)，遠(yuǎn)離進(jìn)水閘孔口，同時(shí)圓柱形旋轉(zhuǎn)浮筒將漂浮物導(dǎo)向排漂出口；在進(jìn)行排漂作業(yè)時(shí)，通過(guò)開(kāi)啟樞紐邊孔排漂閘或者岸邊排漂渠道閘門(mén)排漂；在排漂閘后使用集中處理的方式將漂浮物清運(yùn)出去。

通過(guò)以下2 個(gè)漂浮物處理設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)天然河道引水樞紐閘前的攔污排漂：方案1，針對(duì)已建工程或者下游河道地形符合清運(yùn)條件的工程，可在引水閘前沿河道傾斜布置1 道旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排，浮筒攔排的上游端在引水閘一側(cè)，下游端連接到排漂閘的閘墩上，其工程布置如圖7所示；方案2，對(duì)于新建工程，可專(zhuān)門(mén)設(shè)置排漂渠，并盡量將排漂渠和引水渠布置在不同側(cè)河岸，浮筒攔排的上游端和方案1的布置相同，下游端布置在排漂渠進(jìn)口處，其工程布置如圖8所示。

圖7 方案1工程布置

圖8 方案2工程布置

4 結(jié)論

旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排能夠有效攔截并疏導(dǎo)河道漂浮物至排漂口，但對(duì)不同種類(lèi)的漂浮物其導(dǎo)漂效果不同，對(duì)能夠產(chǎn)生水平方向推力的漂浮物導(dǎo)漂效果更好。

旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排按照不同角度布置，其導(dǎo)漂效果不同。不同的工程設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致河道流場(chǎng)不同，因此應(yīng)根據(jù)流場(chǎng)情況合理選擇旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排布置角度，以增強(qiáng)水流對(duì)圓柱形浮筒旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力。

旋轉(zhuǎn)式浮筒攔排在已建和改擴(kuò)建的引水樞紐中均能對(duì)漂浮物起到攔、導(dǎo)、排的效果。