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黄河中下游引黄灌区泥沙清淤研究及自动化装配开发
【摘 要】 本文在详细介绍引黄灌区泥沙清淤的重要性,在充分分析国内外泥沙清淤设备现状及不足的基础上提出了一种新型的水下自动化清淤装备。该装备采用先进的履带行走技术和绞冲原理,可直接自行进入渠道内,并将沉积渠道底的淤泥吹搅成混浊的水状,随河水流走,完成疏通渠道。
  【关键词】 黄河 引黄灌区 泥沙清淤 自动化
  黄河是我国文化的发祥地,黄河水是我国西北、华北地区的主要水源。“丰蓄枯用,冬蓄春用,科学引用黄河水”是黄河中下游地区针对十年九旱、黄河断流、弃水入海的基本水情,统筹考虑生产、生活、生态用水,解决黄河水时空分布不均,促进人与自然和谐发展的一大创举;而引黄灌渠是其中重要组成部分之一,因为黄河的含沙量高,加上灌区水流速小极易造成灌区泥沙大量沉积,堵塞河道[1]。河道清淤指治理河道,属于水利工程。通过机械设备,将沉积河底的淤泥吹搅成混浊的水状,随河水流走,从而起到疏通的作用。针对引黄灌区泥沙沉积问题开展的清淤自动化装备研究开发将有利于增强渠道的引、排、蓄、供等功能,有利于改善水环境质量,有利于加快建设现代新农村、推进城乡一体化步伐。
  1 背景和意义
  农村的改革开放虽然给农业带来了前所未有的生机,解决了农民的温饱问题,为农业的快速发展打下了坚实的基础;但因粮食作物得不到灌溉,导致农业增产不增收,制约了农业的进一步发展。引用黄河水淤灌农田,在黄河上、中游已有2000多年的历史。秦汉时期,就先后修建了郑国渠、白渠等灌溉工程,使关中地区大得其利[2]。
  有一句老话叫做“官不治水、民不乐业”,直接反映了水利事业的重要性与农民对水利事业发展的要求。wwW.11665.coM兴修水利功在当代、利在千秋。措施有三种:一是增加新的水利设施;二是修复扩建;三是清淤增容。前两种既受资金、劳力的制约,又受自然地理环境的影响,实施起来牵涉面广、工作量大。第三种则相对比较容易实施,可用最少的投入取得最大的经济效益。
  2 国内外河道清淤设备研究现状及不足
  2.1 国外研究现状
  同造船业一样,疏浚业源于欧美。1660年链斗式挖泥船的雏形“泥碾船”在荷兰首创获得成功。1855年美国人制成莫尔茨将军号吸扬式挖泥船,用于开挖南卡罗来纳州查尔斯顿港的拦门沙。1869年荷兰制成吸扬式挖泥船,用于苏伊士运河工程。随着西方国家工业化和世界经济的发展,石油输运、集装箱输运、河海联运等推动了世界港口和航道的建设,疏浚设备也因此得到快速发展。
  (1)绞吸式挖泥船;图1所示:绞吸式挖泥船源于美国并获得极其广泛的应用。1884年在美国加利福利亚的粤克兰港,用一艘具有圆柱状绞刀的绞吸式挖泥船挖掘一层层的砂石,其排泥管直径达500mm、泥泵直径达1.8m。1896年芝加哥美洲疏浚公司建造的“beta”号绞吸式挖泥船,吃水深度1.95m,有2个独立的泥泵,吸管直径850mm是当时最大的挖泥船。1986年“leonardo da vinci”号自航绞吸式挖泥船研制成功,该船总装机容量20250kw,其中绞刀功率4400kw,装有计算机控制的自动化挖掘系统,可以使挖泥船操控达到最佳状态!那个时代被称为岩石疏浚的黄金时代[3]。
  (2)耙吸式挖泥船的发展;图2所示:绞吸式挖泥船大多是静态作业,抗风浪能力弱,适合在内河航道及湖泊疏浚,而耙吸式挖泥船具有自航能力,调遣费用低,挖深大,输泥距离不受限制,故特别适合于远距离取沙的填海造地、大型港口航道的建设与维护等工程。
  2.2 国内研究现状
  在我国,交通系统拥有大中型的疏浚设备,以耙吸式和绞吸式挖泥船为主,数量不多但分布相对集中,疏浚能力强大。水利系统则以中小型挖泥船居多,各种类型应有尽有,数量庞大,分布在全国各地。目前我国常用的清淤机械有两栖式清淤机,两栖绞吸式清淤机、长臂自航式清淤机、水管道清淤机、机井清淤机、水力挖泥机、浅鱼池人工牵引船体式清淤机、螺旋滚筒潜水式清淤机、旋轮式水下清淤机、半旱式清淤机等。如图3、图4所示为两种典型清淤机和挖泥船[4][5]。
  2.3 现有清淤自动化设备不足
  虽然国内外的清淤机种类很多,但是不适合引黄灌区的大泥沙量清淤现状,它们存在着以下问题:
  (1)功率大、能耗高,挖泥浅,一般只能挖深5~15m的疏松泥砂和土层;(2)旋转构件多,如斗轮、绞刀和砂泵等构件磨损严重,更换频繁,维修量

大,运行成本高,设备管理复杂;(3)用机械式斗轮、绞刀破碎水下土岩,造成水质变坏,污染环境。
  而灌区沉沙池的严重淤积、废弃,给乡村带来了一系列严重恶果。
  (1)种植业用水受到威胁。一部分依靠灌区灌溉的农作物轻则干旱减产,重则荒芜失收。(2)水土保持作用减弱。邢家渡灌区蓄水蓄沙、缓冲能量、减轻山洪对泥沙的冲刷,是水土保持的主要工程措施之一。由于邢家渡灌区的淤积和废弃,蓄水容积减少,对山洪抗击能力明显减弱。
  3 泥沙清淤自动化装备结构设计
  3.1 方案的选择
  要机动、灵活、高效实现灌渠泥沙清淤工作,研究、设计合理的自动化装备结构部分至关重要。在最初步设计的4套方案中,经过三方领导专家的反复论证,并在solid edge平台上绘制出了三维结构图样,从操作及维护保养方便程度、性能价格比、可靠性、稳定性、实用性等方面综合考虑,最终确定了水下行走搅拌式清淤方案。
  3.2 水下清淤机器人方案设计
  水下机器人也称无人遥控水下行走机器,它是一种可在水下移动式机器:由岸边或水面上的工作人员,通过连接装备的脐带提供动力,操纵或控制水下清淤机器人[6]。如图5、图6、所示,该方案是利用最新的小型履带行走机器人技术,设计出小型履带式可在坝面行走,并可在水下工作的机器人,为了避免上述回转机器人回转装置的不足,将工作装置设计成不可回转,但增加了前端臂的摆臂动作,是臂前部的旋转搅动装置可在120度范围内转动增大作业范围。
  3.3 新型水下自动化清淤装备具有以下特点
  (1)该设计中引入了先进的机器人设计思想,整体结构紧凑,自动化程度高;(2)由于该水下自动化清淤装备可以根据实际情况灵活定位,所以整体结构尺寸较小、重量较轻,移动、定位方便,机动灵活;(3)只需一名操作人员,即可完成整个清淤过程。
  4 结语
  本文详细介绍了引黄灌区泥沙清淤的重要性,在充分分析国内外泥沙清淤设备现状及不足的基础上提出了一种新型的水下自动化清淤装备。该装备可直接自行进入渠道内,并将沉积渠道底的淤泥吹搅成混浊的水状,随河水流走,疏通渠道,其有利于改善水环境质量,有利于加快建设现代新农村、推进城乡一体化步伐。
  参考文献:
  [1]王艳华.引黄灌区水沙资源优化配置[d].中国水利水电科学研究院,2007.
  [2]姜海波.位山灌区水沙调度方式与沉砂池输沙通道技术研究[d].山东大学,2012.
  [3]胡建,戴清,袁玉平等.引黄灌区不同粒径泥沙的运动规律与处理利用[j].中国农村水利水电,2008(6).
  [4]陶松垒,王康林,陶钧炳等.清淤输泥的新方法新设备[j].海洋学研究,2006(7).
  [5]刘晓杰,化晓锋,陈伟等.新型渠道清淤技术与设备研究[j].南水北调与水利科技,2013(10).
  [6]苏红鲁,张扩成,张厚芹.邢家渡灌区泥沙清淤自动化装备研制[j].山东水利,2012(10).
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  •  更新时间:2014-08-31 10:51:57  作者:佚名 [标签: 黄河 下游 清淤 自动化 装配 ]
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