水力驱动测压管自动清洗装置原理与结构分析

孟庆华，王传尧，林松洋

（1.德州黄河河务局供水局，山东 德州 251100；2.德州黄河建业工程有限公司，山东 德州 251100）

测压管水位观测对了解水工建筑物防渗设施的工作效能、判断水工建筑物在各种运行条件下的稳定性、监视工程安全状态有着十分重要的作用，是水库、闸坝等工程管理工作中必须开展的观测项目。在日常使用和管理维护过程中，容易有小石子、泥沙等杂物落入，加之管内锈蚀沉积，经常造成测压管淤堵失灵或灵敏度降低，给工程安全带来巨大隐患。因此需要及时对管内淤积进行清理，消除安全隐患，保证工程安全。测压管管径较细（一般为50～100 mm），埋设较深（一般在20 m 以上），现场施工条件复杂多变，所以测压管清洗困难。

为解决这一难题，笔者结合现场条件，利用水轮机的水动力学原理，研制水力驱动测压管自动清淤装置，利用此装置清洗测压管效果良好。

1 工作原理与设计结构

1.1 装置结构组成及工作原理

水力驱动测压管自动清淤装置由轴承、射水驱动部件、钻头配件、喷嘴配件组成。清洗装置通过夹布软管与压力泵相连，压力泵把压力水经夹布软管泵送入本装置空腔内，然后水流的流动状态在设备内发生一系列改变，从装置的四支弯管出口处沿弯管的切线方向射出，如图1 所示。

图1 工作示意图

根据动量守恒定律，水流状态由竖向流动转变为沿弯管出口处切线方向喷出，除了受竖向作用力外，在垂直设备轴心线的平面上水流还受到弯管管壁对其施加的水平作用力，根据作用力与反作用力原理，水流对管壁也有反作用力。四支弯管的弯曲方向、倾斜角度、弯曲弧度及弯曲半径均相同，绕设备轴心线对称、均匀分布于装置的侧壁上，并且处在设备轴心线的同一断面上。所以四支弯管受水流的力大小相等，方向和作用点关于设备轴心线对称且均匀分布。在垂直于轴心线的平面上的合力为零，力矩同向且相等。这样四支弯管受扭矩作用共同推动装置旋转。水流的速度越大获得推动力越大，设备的旋转速度也越大。当压力泵泵送的压力足够大，水流速度达到足够大时，就可以推动旋转部分连带工作件一起旋转工作。

工作件为钻头时，钻头旋转会把测压管内的淤堵杂物搅动松散或搅碎，然后在弯管喷出水流冲击和管内积水形成的涡流共同作用下，淤堵杂物被向上返回地面的水流携带至地面。

工作件为喷嘴时，喷嘴喷出的高压水流直接冲散、冲碎淤堵杂物，然后在弯管喷出水流和管内涡流共同作用下被返回水流携带至地面。

与此同时，弯管出出水口喷出的水流冲击测压管内积水，使其在管内做旋转运动，进而形成涡流。涡流可以对管壁和管底进行清洗，并且提高上升返回水流的携沙能力，使清洗的效果和效率好于没有涡流的清洗方法。

1.2 结构设计

1）清洗设备组成。进行测压管清洗作业所需设备有地面抽水加压泵（或由压力管道输送压力水）、夹布软管和水力驱动测压管自动清淤装置。压力泵出口压力一般根据测压管清淤深度选择，对于清洗深度小于20 m 的测压管，压力泵工作压力为2～5 个大气压。夹布软管可根据工作压力进行选择。清洗装置由旋转轴承、射水驱动装置和螺旋钻头或喷嘴组成。

2）整体尺寸参数的选定。清淤装置的整体尺寸是根据测压管孔径来进行设定，须满足：（1）清淤装置能够顺畅地伸入和拔出测压管，不会发生卡阻；（2）在深入测压管内后工作件能够进行清淤作业，弯管部位的外端与测压管内壁须保有一定的间距；（3）返回地面的回水流能够携带杂物顺利通过装置与测压管管壁之间的空隙。针对笔者实际中清洗的测压管内径在50～70 mm 之间，设定的清淤装置弯管部位的大外径为44 mm,其他输水管件的外径均小于35 mm。

3）射水弯管设计参数的设定。弯管参数的设计目的是在水压一定的条件下，获得钻头扭矩、弯管喷出水流冲击力及形成涡流之间最优平衡点。通过CFD 软件模拟并对比分析不同形状、倾斜角度、弯曲弧度参数值对模拟结果，结合外部整体尺寸和制作加工的要求，拟定了一组设计参数值，如图2 所示。

1.3 清洗作业流程

图2 弯管参数设置图

1）准备工作。将清洗装置经夹布软管与压力泵连接，并确保管路通畅。调试压力泵，确保管路不漏水，设备可以正常工作。2）启动压力泵，泵送压力水，观察到清洗设备开始旋转并转速稳定后，将设备通过夹布软管慢慢下放到测压管内，直到不能继续下放为止。3）调整压力泵压力，使其控制在20～50 kPa 范围。清洗过程中会看到有浑浊的水从测压管下部返上来，每隔1～2 min 上下提动几次夹布软管，直至返水清澈，不再出现浑浊为止。4）观测测压管可量测的底部高程是否与设计高程相对应。如果底部高程满足要求可以进行注水试验，测试测压管的灵敏度。如果不满足要求，则需要继续进行清洗作业。

2 清洗效果

水力驱动测压管自动清淤装置利用野外工程现场的条件，用水作为传介质，就地取材，经济环保，需要的操作空间小，能更好地适应各种复杂的野外环境。相比传统的水冲法，水力驱动测压管自动清淤装置清洗测压管操作更加简单；对加压设备的要求更低，能耗更少；能对测压管壁进行有效的清洗，能快速破碎并清洗出测压管内板结淤积物，清洗效率更高；装置采用了压力软管进行压力水输送，相比于水冲法的硬管能防止硬管在测压管内弯曲而发生卡阻现象。2018 年10 月在对李家岸引黄闸和豆腐窝引黄闸的四支测压管清淤修复工作中，使用了该套清洗设备进行清洗，四支测压管清洗全部清洗到设计深度，并全部恢复了满足工程要求的灵敏度。