回转式清污技术在台儿庄泵站中的科学创新应用

冯明月 孙海清 秦宜

(1.山东省水电设备厂，山东 曲阜 273100；2.山东水发市政建设有限公司，山东 济南 250100)

1 台儿庄泵站清污技改的必要性

台儿庄泵站是南水北调东线一期工程的第七级泵站，也是山东境内第一级泵站，位于山东省枣庄市台儿庄区境内韩庄运河与月牙河中部之间，主要任务是从骆马湖和中运河抽水通过韩庄运河向北输水，实现梯级调水目标，同时可解决台儿庄区25.9km2的排涝问题。

台儿庄泵站设计调水流量125m3/s，设计站上水位25.09m(85国家高程基准)、站下水位20.56m，设计扬程4.53m，平均扬程3.73m(最大扬程6.00m、最小扬程2.30m)，该泵站为I等工程，主要建筑物为1级，次要建筑物为3级。站内安装2950ZLQ31-5型立式轴流泵5台(套)(单机设计流量31.25m3/s，4用1备)，配5台功率2400kW立式同步电动机，总装机容量12000kW，多年平均运行时间4652h。主要建筑物有主厂房、副厂房、进出水渠、进出水池、清污闸、排涝涵洞、变电站和交通桥等。

1.1 台儿庄泵站原清污设备及其主要技术参数

台儿庄泵站清污闸共分九孔取水，各孔口进水口净宽均为4.20m，相对清污高程14.31m(底坎高程16.40m，清污闸顶桥面高程30.71m)；为满足台儿庄泵站的调水需求，清污设备采用牵引式全宽单耙型耙斗往复式清污技术，每孔进水口均设置了1台(套)耙斗往复式清污设备，九孔共设置了9台(套)耙斗往复式清污设备。

各清污设备主要技术参数表见表1，设计布置见图1。

表1 台儿庄泵站原清污设备主要技术参数

图1 设备布置

1.2 台儿庄泵站原清污设备存在的问题

台儿庄泵站在正常调水运行期间，上游河道两侧的生活垃圾、树木、树枝、杂草等经过水流的冲击，在拦污栅前大量堆积，形成水流拥堵。

台儿庄泵站中承揽清污工作的牵引式全宽单耙型耙斗往复式清污设备存在着动作复杂效率低下、污物较多时耙斗依靠自重难以入水、耙斗只能线性工作且无法有效翻转的问题，从而导致卸污困难、自动化控制系统失效，全程只能靠人工手动操作等一系列问题。因此，在使用过程中即便费时费力也难以将污物及时打捞上岸，大幅降低了台儿庄泵站清污闸拦污栅的过栅流量，严重影响了台儿庄泵站的正常调水作业。

1.3 台儿庄泵站清污技改的必要性

台儿庄泵站来污量大，而清污设备的清污能力不能满足其捞草清污需要，所以，为了降低污物对泵站等设备安全运行的影响，综合南水北调工程运行管理、安全等方面的要求，提高工程的运行安全保证率，对台儿庄泵站清污机进行清污设备技术改造十分必要。

通过清污技改，可以使清污设备真正发挥作用，防止污物进入水泵机组造成机组发生不平衡振动和过负荷等安全隐患。通过清污技改，可以让清污设备及时可靠地运行，能够有效减轻拦污栅所拦截污物阻塞栅孔，保证拦污栅的设计过流面积，减小过栅局部水头损失，提高水泵运行效率，为机组高效运行提供保障。而清污技改也是提高台儿庄泵站运行管理水平的需要。

2 清污技改实施方案的确立和施工任务

为降低污物对台儿庄泵站设备安全运行的影响，提高工程的运行安全保证率，根据南水北调相关文件要求，结合台儿庄泵站实际情况，选定了回转式清污技术作为技改方向进行了相关研讨，确立了清污技改实施方案，并明确了项目实施施工任务。

2.1 台儿庄泵站清污技改方向的确立

在传统水利工程中，拦污栅的作用是拦截流道中的树枝、杂草等杂物，以免损坏机组，可是这种设计存在非常大的安全隐患，而过去人工清污不仅效率极低还威胁人身安全，并且造成了严重的资源浪费。在此清污诉求下，清污技术改革势在必行。清污技术发展至今大致分为两类，即起源于国外的耙斗往复式清污技术和我国自主研发的齿耙回转式清污技术。

耙斗往复式清污技术出现比较早，其是在拦污栅之上设置有独立的耙斗，耙斗张开后沿拦污栅栅体靠自重下落，入水后耙斗闭合抓取污物后由钢丝绳提升实现清污动作，一般多渠道拦污栅轮流使用，其单耙清污量较大，但是一般仅能静水工况清污，清污效率较低且清污不彻底，故障率较高，日常维护保养费用也较高，一般仅适用于污物量较小的水利水电工程之中。

回转式清污技术是在传统拦污栅的基础上，增设了不锈钢牵引链条、回转齿耙、驱动传动系统及过载保护机构后，最终将传统拦污栅挡污与回转齿耙清污相结合，而形成的全过水断面清污的自动化动水清污技术，其动水、静水清污均效果良好，专孔专用、即开即清污，故障率较低且日常维护保养费用也较低，清污彻底且清污效率极高，被广泛应用于各类低水头水利水电工程之中。

针对台儿庄泵站的污物现状，结合南水北调东线宝应站、淮阴站等其他类似泵站的清污设备使用情况，经过多方研讨和分析后，基于台儿庄泵站的实际清污需求，最终确立了回转式清污技术作为台儿庄泵站清污技改的方向。

2.2 回转式清污技术的广泛应用

回转式清污技术起源于20世纪80年代末期，从其最早应用于山东省引黄济青工程沿线的直栅回转清污设备，到第二代弯头回转式清污设备，第三代无障碍回转式清污设备，再到近年第四代高新技术回转式清污设备，30余年的发展历程中历经了数次技术飞跃和革新，先后解决了直线回转卸污难卸污不彻底、弯头回转传动系统与污物相冲突、水下导向轮易被污物卡死缠死、栅底因齿耙回转而存在的空挡漏洞、无法清污至底坎而产生的清污死角等一系列技术难题，先后在南水北调、引江济淮、京密引水、东深供水等大型水利工程和国电、华电、大唐等水电工程以及城市排灌站、市政给排水、污水处理等其他各种水利工程之中均得到了广泛应用。

2.3 清污技改实施方案的设计

综合研讨台儿庄泵站运行条件和清污闸工况后，本次清污技改基于维持台儿庄泵站混凝基础埋件不变的大前提，合理利用原耙斗往复式清污设备的部分栅体进行升级改造，并最终将其技改成回转式清污设备。

由于耙斗往复式清污技术和回转式清污技术的清污原理和结构型式存在较大的不同，基于台儿庄泵站原耙斗式清污设备及其拦污栅结构，本着节约理念，在清污技改设计中，原设备的栅条以下部分栅体通过回厂翻新升级改造后，可作为原材料用于回转式清污设备的拦污栅栅体之中。技改前后清污设备对比见图2。

因此，本次技术改造的内容主要包括：ⓐ耙斗式清污设备的拆除施工；ⓑ回转式清污设备的技改施工；ⓒ改造完的回转式清污设备的安装施工；ⓓ附属机电工程、建筑工程及其他施工。

其中，耙斗式清污设备的拆除施工，由于原耙斗往复式清污设备的拦污栅支撑架与基础固定焊接在一起，栅条到底板，没有边梁，拆除后栅片和横梁为分体，现场施工量较大。改造前拦污栅安装断面见图3(a)，改造后回转式清污设备拦污栅安装断面见图3(b)。

回转式清污设备的技改施工。除了将原拦污栅部分横梁和栅片翻新升级改造后成为新栅体的部分原材料外，还需新增机头架、水上部分栅体、栅前辅助栅等机架系统的制作，动力设备、传动装置、过载防护系统等驱动传动系统的制作，导向导轨、不锈钢牵引链条、回转齿耙等回转系统的制作，以及护板护轴板、护罩、锁定装置等安防系统和其他附属设施的制作。

改造后，新格栅栅体外宽4.40m，安装后距离两侧渠道壁(净宽4.52m)约60mm，远小于格栅栅条间距145mm，格栅的两侧无须再进行封堵处理。栅后的污物收集，采用了改良后的专用涉水型皮带输送机来实现。新设备有效清污宽度达4.10m，为确保具备足够的驱动扭矩和传动力矩，动力设备选用了可承载较大冲击载荷的摆线针轮式减速电机，电机功率7.5kW；牵引链条经过测算后，针对性设计了大节距非标专用套筒滚子链(节距140mm，链板厚度6mm)，全304不锈钢材质；回转齿耙设计为双排齿结构，由国标无缝钢管(直径121mm)与钢板(厚度10mm)组焊而成，材质Q345B；传动轴由国标厚壁无缝钢管(材质Q345B)和圆钢(材质45号钢)组焊而成，组焊后进行了消除焊接内应力处理，轴颈表面进行了抗泥沙磨损处理；各驱动传动链轮材质ZG35，齿面均进行了淬火回火硬化处理；传动装置选用了自润滑调心滚子轴承，具有良好润滑条件的同时还允许一定的传动跳动偏差，并通过梯形螺纹丝杆调节系统来调配牵引链条的松紧，从而确保了设备的安全可靠性和运行稳定性。

改造完的回转式清污设备的安装施工。改造后的回转式清污设备，为便于运输和安装，其栅体分6节制作，每节长度不超过2.8m，各栅节之间通过螺栓定位和连接成一体，形成清污设备的主栅体。主栅体的边梁直接支撑在现有基础80°斜面上，不须与基础再次固定；主栅体安装到位并校正以后，在清污闸桥面上，在清污机边梁位置与基础通过支铰部件连接，实现清污设备主栅体与基础的定位。主栅体安装就位后，以主栅体为基础和基准，进行驱动传动系统、回转系统、安防系统及其他清污设备零部件的安装。

2.4 施工条件

台儿庄泵站位于枣庄市台儿庄区，区界内有G206国道、S310国道、S251省道、S244省道等交通主干道，韩庄运河两岸堤顶路可作为本工程对外交通路，施工机械和料物均可通过以上道路直达施工现场。施工所需建材在台儿庄和枣庄市购买，柴油和汽油在台儿庄泵站附近正规加油站采购。施工用电量较少，可利用泵站现有供电设施解决。施工用水可采用水泵在引水渠道内取水解决。

3 项目实施和技术攻关

台儿庄泵站清污技改施工区域高水位偶尔会达到13m、14m，低水位也超过了6m，根据现行有关规定和现有水利工程队伍的平均施工作业水平，参考多个已建类似工程的施工经验，综合考虑本工程特性及各分项工程之间的相互影响后，经过科学组织协调、合理调度施工队伍、开展工期进度规划，最终项目于2020年4月实施，并于2020年11月竣工。

3.1 施工难点预判及分析

由于南水北调东线输水干渠内的水位较高，影响到台儿庄泵站原清污设备的拆除和新清污设备的安装施工，经借鉴同类工程施工经验，按照施工质量可控可靠、施工生产安全合理、施工费用经济实用的原则，综合考量了土石围堰、潜水施工、钢板围堰3种施工方案，经研讨宜采用临建钢板围堰封孔施工方案。各施工方案优劣比选见表2，临建钢板围堰封孔施工方案见图4。

表2 施工方案优劣点比选

图4 临建钢板围堰封孔施工方案 (单位：m)

临建钢板围堰封孔施工方案，是指通过将钢板围堰安装在两个闸墩之间，来实现施工区域上游侧止水效果。下游侧则利用进水闸闸门挡水，需要提前将闸门由现在的单向挡水改为双向挡水。最后，利用水泵抽空上述两者间的基坑存水，达成旱地施工的条件。通过预判和分析，其施工难点具体包括单向止水闸门实现反向止水、底坎清污清淤、钢板围堰的安装和止水、基坑排水、防汛措施等。

3.2 单向止水闸门实现反向止水的技术攻关

台儿庄泵站清污闸闸门为潜孔型单向止水闸门，其闸门的顶部，通过顶止水与门楣预埋件的配合实现挡水效果。闸门的两侧，通过侧止水与门槽预埋件的配合实现挡水效果；闸门的底部，通过底止水与底坎预埋件的配合实现挡水效果。安全工况内上下游水位差越大闸门所受到的水压力也就越大，从而各止水的水封效果也就越好。

单向止水型闸门在反向封水时无论是闸门的顶部还是两侧都会大量漏水，一般情况下是无法实现反向止水效果的。经过预判研讨和技术攻关，决定提前施加足够的预紧力来保证闸门止水的封水效果，解决台儿庄泵站单向闸门的反向止水技术难题，具体实施措施如下：

a.由于台儿庄泵站清污闸闸门止水已使用十余年，老化情况严重，为保证良好的封水效果，将所有止水橡皮进行更换后闸门安装复位。

b.闸门泄压透水孔年久失修，为确保基坑排水效果，通过检查和维修各闸门泄压透水孔，确保其具备反向封水效果。

c.通过液压扩张钳来实现闸门的定位和闸门止水预紧尺寸的控制，由多组螺旋千斤顶来承载闸门反向封水后的水压力，确保反向安全压差下的闸门止水具有足够的预紧力，可实现良好的反向封水效果。

d.水下液压扩张钳和螺旋千斤顶的安装和拆除，均在闸门的安全压差范围内进行，并全部由具有潜水资质的专业潜水员全程带水施工。

3.3 底坎清污清淤的技术攻关和实施

台儿庄泵站清污闸由于原耙斗往复式清污设备难以彻底清污，根据专业潜水员摸底分析，拦污栅前方5～10m区域内堆积了大量石块、树枝、杂草、生活垃圾、淤泥等，平均厚度约2～2.5m，个别孔污物及淤泥厚度超过3m，而钢板围堰的安装中心线距离拦污栅的底部仅1.05m，如果不能将底坎区域的污物和淤泥及时清除，钢板围堰的止水尤其是底部止水就不可能实现良好的封水效果。施工方案见图5。

图5 临建钢板围堰施工方案 (单位：mm)

为解决该问题，针对不同的污物类型进行清污处理，最终采用多种清污清淤办法联合作业解决底坎清污清淤的技术难题，具体清污清淤办法及施工措施主要如下：

a.树根、石块、生活垃圾等体积较大的垃圾体积清理，通过自制的专用钢制耙斗进行；树枝、杂草、生活垃圾等体积较小的垃圾和部分结块淤泥的清理，通过专业的清淤作业船进行。

b.小型悬浮垃圾以及软质淤泥的清理，通过将清污闸闸后水位抬高数米后，利用闸后水位与闸前水位落差的水压力，提闸0.50m反冲底坎，取得了极佳的效果。

c.清污清淤的全过程，由具有潜水资质的专业潜水员即时摸底清污清淤情况，确保施工区域底坎无杂物淤泥，为钢板围堰的安装提供必要条件。

3.4 钢板围堰定位及固定的技术攻关和实施

钢板围堰的定位及固定，设计采用管式支撑和固定施工模式，其结构见图6。

图6 临建钢板围堰定位及固定设计方案 (单位：mm)

根据现场实际工况，综合考虑钢板围堰钢管支撑对施工区域的影响，为更好地解决钢板围堰定位和固定问题，最终确定了更为完善的施工方案。

a.为更好地保证钢板围堰的止水效果，经过预判研讨和技术攻关，对钢板围堰的两侧止水进行了优化选型，采用双P型止水可更好地适应导流墩圆弧面的止水工况，同时止水明显位于导流墩顶弧时封水效果最优。因此，在钢板围堰的两侧各增设了两组定位滑块，并在施工时按规划好的实施方案将钢板围堰进行定位，确保钢板围堰及其止水达到最优的封水效果。钢板围堰新增定位滑块施工方案见图7。

图7 钢板围堰新增定位滑块施工方案

b.由于钢管支撑作业区位于水面以下，整个安装及拆除过程均需要专业潜水施工方可实现，同时钢管支撑必须在地面相应区域设置锚固点方可实现支撑效果，会对闸底坎混凝土产生一定的损伤。因此，综合考虑清污闸现场工况，取消了钢板围堰钢管支撑的设计方案，利用闸中挡水墙作为承载平台，通过钢板围堰两侧的顶部和中下部设置的吊点，利用4个手拉葫芦牵引，来辅助钢板围堰就位。同时，也可通过手拉葫芦来调整钢板围堰双P型止水的预压缩量，并通过闸前闸后水位差的自压力来保证止水效果，确保钢板围堰的封水功能。完善后的钢板围堰固定施工方案见图8。

图8 完善后的钢板围堰固定施工方案

c.钢板围堰安装工序如下：

拼装：桥面整体拼装→安装双P型止水→安装导向滑块。

吊前复检：由具备资质的专业潜水员，对整个施工区域进行潜水复验，确保无任何不利因素方可展开吊装。

吊装：将整扇钢板围堰缓缓立起→维持钢板围堰的竖直状态并缓缓吊装至施工孔闸前对应位置→缓慢下放至距离闸底坎约10cm处潜水摸底是否归位。

定位：以挡水墙为基础，利用4根手拉葫芦的牵引力逐渐将钢板围堰向清污闸收紧，全程应维持钢板围堰的竖直状态且顺水流方向缓慢平移，并最终通过导向滑块将钢板围堰导入设计工位。

复核及固定：由具备资质的专业潜水员，对钢板围堰的定位工位进行复核，确认工位无误后缓缓将钢板围堰整体下放至闸底坎，最后再通过手拉葫芦的牵引力进行钢板围堰的固定以及双P型止水的预压量调整。

基坑排水及稳固：开始基坑排水后，随着基坑内水位的降低，钢板围堰将随着基坑内外水压差的增大而越来越稳固，最终彻底完成钢板围堰的固定。

d.钢板围堰的拆除工序：因基坑排水后钢板围堰承载较大(水位压差超过6m)，故钢板围堰在拆除施工时不可带压直接起吊；应先用水泵反向将运河水注入钢板围堰与闸门间的基坑内进行泄压，只有当钢板围堰两侧水位平齐无须承载任何水位压差压力后，方可进行拆除施工。钢板围堰的拆除工序为安装工序的逆工序。

3.5 基坑排水的预判研讨和实施

通过上述清污闸闸门、钢板围堰的封水施工，可形成一个包含了清污技改施工区域在内的基坑，其内部排空时理论上的排水量大约为360m3(12m×4.2m×7.2m)。

考虑到清污闸闸门、钢板围堰的止水可能难以达成理论上的封水效果，进行基坑排水施工时，预防性地配备了大、中、小3台水泵，其中大水泵排水量为100m3/h，中型水泵排水量为12m3/h，小水泵的排水量为3.6m3/h。实际施工情况显示，钢板围堰封水效果极佳，基本无渗漏现象出现，达到了预想的封水效果。而清污闸单向闸门在底坎附近有少量渗漏，通过小水泵的排水即可将基坑水位控制在15cm以下，也基本达到了预想的封水效果。

3.6 机电、建筑等其他附属设施的施工

为解决台儿庄泵站清污技改前的电气控制技术难题，更好地方便台儿庄泵站的运行和管理，结合工程实际情况和台儿庄泵站实际需求，进行了相关机电、建筑等其他附属设施的施工，具体如下：

a.建筑工程：新建总控配电室1座，以及沥青路面铺设、铺装大理石地面、基座贴瓷、电缆沟土方开挖等。

b.机电工程：动力配电柜、电气总控柜、清污设备现地控制箱、电缆线路、光缆控制线路、照明设施、防雷及接地设施等。

c.其他临建及附属施工：围墙拆除及恢复、更换不锈钢护栏、增设铁艺大门等。

3.7 技改后的效果和实景

台儿庄泵站清污技改工程完成施工后，各回转式清污设备随即投入了南水北调东线2020—2021年度的调水工作中。经过数月的运行投用后，台儿庄清污闸技改后的各清污设备运转良好，各类污物均能得到及时有效打捞，清污效果极佳，栅前栅后无可见水位差。同时，也实现了清污设备的现地控制、总控制集中控制、远程遥控等多种电气控制模式，极大方便了台儿庄泵站的安全运行和管理，大幅提升了台儿庄泵站清污闸的整体形象和面貌。

4 科技应用和创新成果

在台儿庄泵站清污设备技术改造工程实施过程中，科学应用了一些先进的回转式清污技术，在施工时针对不同的技术难题进行了预判研讨和技术攻关，经过施工实践后取得了一些行之有效的技术方案和创新成果，主要如下：

a.多规格齿耙混装清污技术：将梳栅耙、钩型耙、托板耙等具有特殊清污能力的异型齿耙，与常规齿耙混装，可以更加有效清除不同种类的污物。

b.双保险牵引链条清污技术：改良了齿耙连接节牵引链条的销轴为开槽螺母+开口销双保险结构，改良了普通节牵引链条的销轴为锚固型结构，彻底解决了常规牵引链条开口销易断裂和遗失的隐患。

c.先进的电控技术：采用了一些更为先进的自动化控制软件，实现了清污设备的现地控制、总控制集中控制、远程遥控等多种控制模式。

d.采用了无障碍技术(专利号ZL022552391)、无漏洞技术(专利号ZL2012206289346)、防变形技术(专利号ZL2018206272412)等一系列较为先进的专利技术。

e.单向闸门反向封水施工技术方案。

f.清污清淤施工技术方案。

g.钢板围堰施工技术方案。

h.基坑排水施工技术方案。

这些科学合理的技术方案和创新成果，可以为类似工程的设计、投建以及施工管理提供借鉴。

5 结 语

台儿庄泵站经过清污技改彻底解决了长久以来的清污难题，技改后的回转式清污设备投运数月以来运转良好，清污效果佳，各类污物均能得到有效及时的打捞，完全满足了清污需求，其清污技改的成效十分显著。通过台儿庄泵站清污技改项目的实施，可以发现原泵站格栅水下部分紧固件较多，但其格栅前却没有建设成双向受力检修渠道闸门或者双向受力附壁式方闸门的结构模式，所以在实施技改施工的过程中造成了许多麻烦。因此，这种兼顾雨季排涝、旱季调水的多功能河道泵站，在投建过程中应尽量避免此类问题。同时，在台儿庄泵站清污技改的设计研讨和投建实施过程中，其单向止水闸门反向止水、底坎清污清淤、钢板围堰闸前定位及固定等成功的实施经验，对于未来类似水利工程的投建或改建，均具有较大的借鉴意义。