潜浮式分水口漂(悬)浮物拦截导流装备的设计与应用

尚力阳，季艳茹，陈赫朋，于鹏辉，耿志彪

(黄河水利委员会黄河机械厂，河南 郑州 450006)

0 引言

南水北调中线工程输水总干渠明渠段全长1 432 km，共有64座节制闸、53座退水闸和88座分水闸[1]。随着工程的通水运行，发现进入到明渠主干渠段的漂浮物(如树叶、脱落的藻类等)易汇集在暗涵支流供水渠段中，一旦汇集，不仅不易流走，也不便于人工打捞清理。长此以往容易堵塞阀门，造成输水不畅，在每年适宜藻类滋生的春秋季节，严重时甚至对水厂设备的正常运行造成影响。为有效应对主干渠漂浮物对沿线水厂的影响，笔者开展了分水口浮物拦截导流装备的研制工作。

1 设计原理

分水闸是主干渠向沿线用水城市分支分流的取水口水工建筑物，因此从分水闸布设拦截设备控制漂浮物是进入地方水厂的最佳方式[2]。

在分水闸布设分水口浮物拦截装备的的设计原理，是在分水闸与干渠连接段的渠道边坡上，覆盖以不锈钢过滤孔板，在不影响供水的情况下，实现对水体中的藻类、枯草等漂浮物的有效拦截。该装备采用主拦漂框架及浮箱结构，通过对拦漂框架孔板下方的不锈钢浮体进行充排水动作，实现拦漂框架的整体自动沉浮，以便于日常的清理维护。

分水口拦截导流装备的方案设计满足本工程项目的全天候运行、动作准确、操作简单的使用要求，能对进入分水口的漂(悬)浮物进行有效拦截。

2 主要结构组成

分水口拦截导流装备主要由拦截导流系统、抽排水系统、起升机构、安全护栏、下河斜梯、框架提升控制系统、维护平台等组成。

结合分水闸水工建筑物的结构形式，在建筑物和分水口的结合处设置有支铰机构，一方面可以固定拦截框架的位置；另一方面在维护清理时，使框架绕该支铰旋转提升。此外，为适应水位变化，该支铰采用定轮调整式结构，支铰的位置可通过定轮的上下运动实现浮动；在支铰处安装有螺杆提升机构实现对支铰的上下提升，2个螺杆启闭机之间装有同步轴，以保证支铰提升时的同步。

运行维护时，该拦漂框架的升降动作依靠浮力来实现，有效避免了设备动作时对原水工建筑物及渠道边坡的不良受力影响。用充排水实现拦漂框架升降的浮箱设计在框架下部，浮箱的结构形式采用流线型，能够有效减少水阻。拦漂框架结构主材采用304不锈钢方钢管，管体封闭以使其入水后增加水体浮力，以此减轻设备自重对渠道边坡的影响。

图1 拦漂导流装备效果图

3 主要技术问题及解决方案

1)在安装施工时没有着落点，不便于设备的安装。因此，在分水闸建筑物旁依托渠边坡布设下河斜梯及工作维护平台装置，方便工作人员进入到分水口处进行安装作业。下河斜梯及工作维护平台采用不锈钢材料制作，由钢板、方钢、角钢、圆管等304不锈钢型材焊接而成，结构形式与边坡及建筑物的结构形式相适应。

2)空间受限，传统动力装置不能安装布设。由于是对工程功能完善而增加的设施，现场没有可供安装电机、减速机等动力驱动装置的空间，因此在设计上最后借鉴潜水艇沉浮工作的原理，采用对不锈钢浮体进行充排水作业来实现框架的自由升降。在框架下方设置充排水浮箱，框架采用方钢进行无缝焊接。拦截框架下降时启动潜水泵进行抽水，拦截框架上升时启动潜水泵往外排水，框架上浮。

3)干渠水位在冬季和夏季变化较大，水位变化时，拦截设备的铰支点位置需要适应水位的变化。为此设计了滚轮升降机构，采用2台螺杆启闭机同步提升安装于滚轮上支铰，实现在水位变化情况下可自由调节框架的入水深度。

4)水下维修成本较高，设备运行要具有较高的稳定性、可靠性。由于装备的工作环境临水或处于水下，一旦发生故障，就会涉及水下作业，因此维修成本较高；此外在运行过程中，要完成拦漂框架的降、充排水动作、螺杆机带动铰支点的升降等至少3个机构的6个动作，各处动作先后次序有要求，否则容易损坏设备。

鉴于该装备对整个控制系统的安全性、自锁性的较高要求，在进行影响沉浮功能的充排水装置设计时，采用2个水泵，2个水泵可同时工作，也可单独工作，互为备用，提高框架升降的可靠性。为了使操作更加简单、方便，该设备配备有电气控制系统。该控制系统采用一用一备以增加可靠性，并配备有无线遥控器，方便操作人员根据实际情况进行操作。该系统包括电控柜、文本一体机、浪涌保护器、无线遥控收发器等电控元件，主要用来控制浮箱抽排水动作和框架的升降。

5)运行维护工作属临水作业，设备要设计有防护功能。工作人员进行维护作业时，为保证工作人员的安全，设置插拔式安全护拦。该护栏由不锈钢栏杆和安全绳组成，完成清理作业后将安全护栏收纳入工具箱内。

4 拦截导流装备的主要结构

4.1 拦截导流系统

拦截导流装置通过可充排水的浮箱来代替卷扬机构实现框架的提升，以消除卷扬机提升时配备的钢丝绳和滑轮组对建筑物外墙的影响，浮箱做成半圆流线型，以减少工作时的水体阻力。

工作时，竖直方向上受到浮力、重力，水平方向有波浪冲击力，其中竖直方向上的浮力对框架的安全性起决定作用，因此，研究浮力大小是其关键。浮力又受到自重及其上面的载荷影响，在实际工作时是个不定值。研究其最大浮力是关键。浮力大小即为排开水的重量，排开水的重量为：

F浮=m排g=ρ水gv排

式中：F浮为拦截装置的浮力，N；m排为拦截装置排开水的质量，kg，ρ水为水的密度，kg/m3，v排为排开水的体积，m3，g为重力加速度。

拦截装置工作时，平衡状态下，浮力的大小等于拦截装置的重力。但是为了安全，拦截装置最大排水量为：所有拦截装置排开水的重量。数值上最大浮力即为拦截装置总重，即：

排水量实际上就是排水体积计算，其基本方法是：在计算排水体积时，用若干个与任一坐标平面平行的平面，把水下体积分割成若干薄层微体积，算出这些微层体积，并求其总和，即得浮筒排的排水体积。

利用微分原理，得到排水体积为：

式中，V为排水体积，d为吃水深度，AW是离基面z处的水线面积，L是水线长度，即浮筒的长度。

以南水北调荥阳管理处前蒋寨分水口为例，设计浮箱提供浮力约为27 kN，框架自重约为2.2 t，设计浮箱浮力完全满足将框架通过浮力浮出水面的条件。拦漂框架完全入水后，水体对拦漂框产生的浮力可以抵消一部分重力，框架入水后对边坡的实际作用力为1.83 kN。若浮箱完全排水后，可以将框架浮出水面。若浮箱充水，拦漂框架靠自身重力缓缓降落在分水口两侧边坡上，实现对杂物的隔离。

4.2 抽排水管路的布设

浮箱的充排水由安装于拦漂框架上的管路来实现，水下部分设计为刚性管，临近水面转接柔性管，方便框架起升时的空间自由度要求及与水泵的柔性连接。

管路分为通水管和平衡气管，通水管主要对浮箱进行充排水，包括进水管和出水管，平衡气管保证在抽排水时浮箱内的气压平衡。为便于操作和观测，根据分水口水工建筑物结构形式，布设双侧下河步梯及通行观测多功能拦截装置，抽排水水泵与电气控制系统安置在建筑物下方拦截装置。

4.3 起升机构

起升机构用以实现对铰支座的升降，以适应水位的高低变化。该机构主要由钢结构机架、螺杆启闭机及安装于拦漂框架上部固定轴上的支承滚轮组成。钢结构机架上设置轨道，滚轮在轨道内可上下运动；支铰处安装螺杆启闭机，启闭机上端用同步轴连接，保证启闭机同步运转。当水位发生变化时，启动螺杆启闭机提升框架到合适位置。该机构有效解决了因水位上升将铰座淹没、维护人员无法进行清理作业的情况。

5 结语

该装备结构布置合理、安装方便、操作简单、安全可靠，易于运行维护。自成功应用以来，对干渠浮物具有良好的拦截效果，有效缓解了春秋季节浮生藻类、杂草枯叶等杂物对供水的影响，提高了进入水厂的水体质量，为工程沿线水处理厂的正常生产创造了有利条件，对保障沿线城镇居民生产、生活及正常用水发挥了重要作用。自首套设备在南水北调荥阳管理处前蒋寨分水口试验成功后，目前已经在南水北调中线工程北渠首分局、河南分局、北京分局等10余座分水口得到较好的推广应用，受到中线工程运行管理单位及受水单位的一致好评。