浅谈支墩避草装置在二黄灌区渠道的应用

2020-06-04马军杰蒙林青孟军鹏

陕西水利 2020年4期

马军杰，陈凡，蒙林青，孟军鹏

（渭南市东雷二期抽黄工程管理中心,陕西渭南 714000）

0 前言

渭南市东雷二期抽黄灌区地处陕西省关中地区东部，东临黄河，西至富平县城，南邻陕西省交口抽渭灌区和渭南市洛惠渠灌区，北靠乔山，由一、二级黄土台塬和渭洛河三级阶地组成，设计灌溉面积126.5 万亩。灌区塬上总干渠设计流量40 m3/s,长55 km，渠口宽度18 m，北干渠设计流量28 m3/s～9 m3/s,长46 km，渠道口宽15 m～13 m，灌区管理单位为渭南市东雷二期抽黄工程管理中心，下设大荔、孙镇、蒲城、兴镇、荆姚、流曲、刘集七个灌溉系统，枢纽泵站有太里一级站、北干二级站、下寨三级站，灌区重点建筑物有洛河渡槽、汉村隧洞等，工程于1990 年7 月开工建设，1997 年6 月试通水，2008 年完成竣工验收。

二黄工程建设期间钢材、水泥等市场供应不足价格过高，限于国家财力，工程设计均属于限额设计，除测流桥因为工作原因不设支墩以外，跨总干的103 座平交、斜交和高架桥梁均为三跨简支梁结构，支墩一般立于渠道底部左右两侧；各种小渠架管、桥式倒虹、小渠渡槽等45 座过水建筑物支墩立于渠底居中；跨北干渠有182 座桥梁，平交的83 座为两跨简支梁结构，支墩立于渠底居中，斜交、立交和高架桥梁一般为三跨结构，两组支墩立在渠道，而北干渠13+770 斜交桥，渠道里面最多达三组、12 个支墩，当渠道行水1.5 m高时，支墩的总体积占桥面下水体体积的8.3%，行水达到设计水位2.39 m时，支墩加上部分盖梁的总体积占桥面下水体体积的7%以上。各类支墩特别是居中支墩，直径一般为80 cm，在行水期间大量挂淤河源来草及人为入渠杂物树枝垃圾，进一步挂淤泥沙，一组支墩最大淤积量达到5 m3～8 m3，致使过流断面降低产生雍水，给灌溉运行管理造成不安全因素，淤积物固结紧密，行水结束之后需要人工清理，费工费时。经过国家大型灌区续建配套节水改造项目的实施，对涉及的塬上总干渠（加西联合闸至下寨三级站）段改造了15 座桥梁，一跨通过去掉支墩，解决了运行挂淤问题，而剩余大量的桥梁现阶段不可能得到全部改造。二黄灌区基层运行管理单位荆姚总站，借鉴水轮机工作原理，试制成功外挂式支墩避草装置，很好地解决了这一问题，实现了不挂淤、不雍水，减轻管护工作量、节约费用的效果。

1 外挂式支墩避草装置的制作工艺

1.1 转筒加工

筒身采用6 mm厚钢板，通过卷板机机械弯曲卷制成筒，转筒直径55 cm，卷制成筒后进行校圆，保证转筒的外径尺寸。

1.2 接盘加工

采用12 mm钢板制作成两个接盘作为筒身支撑，接盘的加工工艺要进行严格控制。采用热切割处理中的气割（氧气-乙炔）方法，在接盘中心上开出相当于轴套外径的圆孔，要确保安装轴套的圆孔与接盘同心，以降低结构形状的不对称可能性，减少整体设备的静不平衡值。

1.3 轴承安装

采用滚动轴承中的深沟球滚珠轴承,为实现轴承内圈固定、外圈带动转筒旋转的要求，轴承安装过程中轴颈和轴承内圈配合面要做到过盈配合，确保转筒旋转过程中配合面不发生相对位移。

同时，为满足水下工作的要求，在轴承两侧的内外圈之间扣封密封环,密封环里侧为环槽形状,靠近轴承内圈的密封环环槽壁上套箍弹簧箍圈。具有密封牢固,可靠防水、防尘、保油的特点，形成全封闭式防水轴承。

1.4 轮叶加工安装

采用的6 mm厚钢板，制作成开度约15°、宽55 cm、高1.5 m的轮叶；根据渠道灌溉期间平均工作水头实际情况，轮叶上边缘安装位置距离上接盘46 cm左右，按照90°间距围绕轴垂直方向旋转排列，焊接在转筒上。

图1 装置外观三维示意图

图2 装置转筒、轴、轴承结构示意图

2 避草装置的焊接保证

2.1 转筒焊接

转筒焊接前要进行车削，同时以上下接盘的中心线为中心找正，确保安装中心与筒体回转中心同心。由于筒径较小，采用单面焊双面成形法进行焊接。

2.2 转筒与接盘的焊接

轴、轴套、轴承应同时装配，装配完成后先焊接再接盘，然后采用单面焊双面成形的方法与转筒焊接在一起，可将转筒放在滚轮架上转动，利用转筒转动实现焊接自动化。

转筒焊接以及转筒与接盘的焊接，工艺水平要高，确保转筒立于渠道之中，焊缝不进水，转筒受到一定的浮力托举。

3 工作原理和实际应用

3.1 工作原理

制作成形的避草装置安装在支墩上游迎水侧，采用轴承内圈轴向固定的方法，轴的上部与盖梁连接，下部在渠道底部生根固定。利用水流与转轮叶片的作用力和反作用力原理将水流能量传给轮叶，带动转筒旋转，形成外挂式支墩避草装置，搅动水流，有效甩开柴草树枝等杂物，解决支墩挂草挂淤问题。装置实景三维示意图见图3～图4。

图3 装置实景三维示意图（一）

图4 装置实景三维示意图（二）

3.2 轴承受力分析

深沟球轴承一般由一对套圈、一组保持架、一组钢球组成。其结构简单，使用方便，是生产最普遍、应用最广泛的一类轴承。由于转筒较重，其重力传递给轴套，轴套传递给轴承；虽然轴承内圈与轴是过盈配合游隙很小，虽然在实际应用过程中因为转筒的重量较大，会受到一定的轴向力，但是运行期间，滚筒会受到相当于排开水体大小的浮力，所以，轴向力不会对轴承的转动和使用寿命造成较大的影响。轴承具有一定的调心作用，同时内嵌在轴套内采用过盈配合形成整体，共同承受转筒重力，因此这种配合对轴承的转动没有造成影响。

3.3 运行最优工况

干渠水流为非恒定流，流速的大小、方向在不断地变化。影响支墩避草装置效率的主要是水力损失，流量损失和机械损失较小且基本不变，在水力损失中撞击损失和涡流损失最大。为了最大幅度减少叶片的扭曲角度，最大限度减少涡流损失和水能浪费，经过多次模拟试验得出：转筒半径（r）和轮叶半径（R）关系设置为2 r≥R、叶片扭曲角度大约在10°～15°左右，具有较宽广的效率区，基本能够实现进口无撞击、出口无涡流。装置最优工况参数示意图见图5。

图5 装置最优工况参数示意图

4 运行效果及成本造价分析

2019 年 12 月 6 日～12 月 30 日二黄灌区冬灌运行 25 天，2020 年度春灌自2月18日北干渠行水至第一轮灌溉减量运行，安装在北干渠34+635 处桥梁上的避草装置已经累计转动了五十余天，运行基本稳定，避草效果明显，偶尔出现的停转又自动复转现象，原因在于安装过程中轴向垂直度略有偏差、以及轮叶开度不够均匀，需要在后期加以改进。

外挂式支墩避草装置属于初次试验，考虑到稳定性和安全性，制作材料基本采用钢板，自身较为笨重（约230 kg左右），焊接、制作过程比较麻烦，施工安装难度大，费用包括材料费、加工费、安装费等，成本约4100 元。待后期调试稳定后，可在选材方面进行优化，转筒可以尝试ABS树脂或者其他成形转筒，可适当减小转筒的直径，轮叶可以选用铝合金材质，轴承可以考虑尼龙套等等，通过优化装置材质、优化设计，达到轻、易、廉的目的，实现推广使用。

解决支墩挂草的方法很多，设想在支墩迎水面，如果竖立一根直径约20 cm的钢管，下部在渠底生根，上部焊接水平方向直杆固定在桥梁的挡块，由于直径较小，来草及树枝在钢管处达不到动态平衡，流过钢管后随涡流流动，也会减少支墩挂草量，优点是费用较低，缺点是后部支墩还是会挂淤一定的垃圾杂物。