CN106320417B - 利用水体自然动能的移动式气动挟沙旋流清淤设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用水体自然动能的移动式气动挟沙旋流清淤设备及方法，该设备包括清淤箱涵、空气压缩机，进气管道、排沙囱道以及履带式水下牵引潜器。设备采用空气压缩机在清淤箱涵底部注入高压空气，使箱涵内淤积泥沙与水及空气充分混合，形成上升的螺旋混合流。螺旋混合流被导入排沙囱道并进入流速相对较大的剪切层，然后在水流的挟带下经坝体泄洪洞或排沙洞排至坝体下游。本发明具有工作效率高，运行费用低，操作简便，部件磨损消耗少，维修简单并且可在汛期安全作业等优点。

Description

利用水体自然动能的移动式气动挟沙旋流清淤设备及方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程技术领域，具体是一种利用水体自然动能的移动式气动挟沙旋流清淤设备及方法。

背景技术

天然河道中的水流通常会挟带着泥沙，特别在西北、华北地区，河道含沙量非常高。在高含沙河流上修建水库后，由于水位抬高而流速减小，必定会导致高浓度的泥沙在水库中淤积，从而造成各种不良后果，如：1)水库的防洪和兴利库容减少，严重时甚至导致水库报废，2)泥沙的淤积状态向上游发展，导致上游地区浸没以致盐碱化，生态环境遭到破坏，3)影响河道上下游的泥沙冲淤平衡，下游防洪压力增大，4)破坏原本的航运条件等。

目前，对上游水库淤积泥沙的处理方式主要有水力学方法清淤和水下机械清淤两大类。水力学方法清淤主要是指采用水力学方法疏浚水库，如异重流排沙、设冲沙孔冲沙、用泄水底孔排沙等，该方法的缺点是只能对清淤进行有限控制，而已清淤的区域可能再次淤塞，并且这些方法耗水量大，通常会牺牲水库的发电效益，排沙成本高。水下机械清淤一般指将清淤机具装备在船上，由清淤船作为施工平台在水面上操作清淤设备将淤泥开挖，并通过管道输送系统输送到岸上堆场中，它包括抓斗式、泵吸式、绞吸式等方式，这些方法在中小型水库清淤中较为常见，其优点是施工工艺简单，设备容易组织，缺点在于依靠上下游水位差决定输出流量的大小，清淤范围局限在坝前一定范围，当水库流速较大(如洪水期)作业时存在安全隐患。

综上，亟待探求一种新型的、高效的、适用性广并且成本低的清淤排沙设备和方法。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种利用水体自然动能的移动式气动挟沙旋流清淤设备及方法，具有清淤效率高，成本低廉，作业安全、耗水量少，应用范围广等优势。

本发明通过如下技术方案实现：

一种利用水体自然动能的移动式气动挟沙旋流清淤设备，包括置于河床底部的清淤箱涵、可驱动清淤箱涵在河床底部移动的履带式水下牵引潜器、设于水面移动平台的空气压缩机，清淤箱涵的顶端设有伸入剪切层的排沙囱道，排沙囱道顶部设有空气浮筒，空气压缩机和清淤箱涵的底部通过进气管道连接，空气压缩机用于将高压空气经进气管道注入清淤箱涵底部，清淤箱涵内河床底部泥沙被水和空气掀起形成螺旋混合流，螺旋混合流通过排沙囱道被输送到剪切层，并依靠水体的自然流动输运至坝下游。

进一步的，清淤箱涵底部装有履带式底盘。

一种利用水体自然动能的移动式气动挟沙旋流清淤方法，使用上述清淤设备进行，所述方法包括如下步骤：空气压缩机通过进气管道从清淤箱涵底部注入高压空气，高压空气将河床板结泥沙掀起，淤箱涵内河床底部泥沙被水和高压空气掀起形成上升的螺旋混合流，螺旋混合流的密度低于水体密度，螺旋混合流进行螺旋上升的混合流动，螺旋混合流被导入排沙囱道并进入流速相对较大的剪切层，然后在水流的挟带下经坝体泄洪洞或排沙洞排至坝体下游，排沙囱道顶部布设置的空气浮筒使得排沙囱道顶部的出沙口始终处于流速较大的剪切层，排沙囱道顶部出口位置的水体流速大于挟带泥沙所需要的临界流速。

进一步的，对一块区域完成清淤排沙工作后，清淤箱涵在履带式水下牵引潜器带动下被牵引至其他区域，对河床进行“扫雷”式清淤工作，从而实现移动式的清淤排沙。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供的移动式气动旋流清淤装置，依靠水体的自然流动将泥沙排至大坝下游，在汛期充分利用大坝已修建的泄洪洞或排沙洞排沙，不需要进行专门的水力排沙调度，节约排沙成本，相较于与传统的水下机械排沙方法，本方法具有维护简单，作业成本低，应用范围广，汛期施工安全等优势。

(2)本发明搭载履带式水下牵引潜器，可带动清淤设备在水下自由移动，既能避免清淤过程中形成沙坑，亦具有稳定性和针对性的清淤排沙功能。

附图说明

图1为本发明一种利用水体自然动能的移动式气动挟沙旋流清淤设备的剖面工作示意图；

图2为图1中清淤箱涵的剖面工作图；

图3为图1中清淤箱涵中混合体流态的俯视图；

图4为图1中排沙囱道的剖面工作图；

图5为图1中履带式水下牵引潜器的剖面工作图。

图中：1—清淤箱涵，2—空气压缩机，3—进气管道，4—排沙囱道，5—履带式水下牵引潜器，6—螺旋混合流，7—空气浮筒。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，本发明提供的一种利用水体自然动能的移动式气动挟沙旋流清淤设备，包括清淤箱涵1、空气压缩机2，进气管道3、排沙囱道4、履带式水下牵引潜器5。清淤箱涵1置于河床底部，由履带式水下牵引潜器5驱动可在河床底部移动。空气压缩机2和清淤箱涵1的底部通过进气管道3连接，清淤箱涵1的顶端设有伸入剪切层的排沙囱道4，排沙囱道4顶部设有空气浮筒7。

如图2所示，空气压缩机2将高压空气经进气管道3注入清淤箱涵1底部，将河床板结泥沙掀起，并使得清淤箱涵1中形成空气、水以及泥沙的混合流体。该设计采用高压充气的方式冲击河床，可提高空气、水和泥沙的混合程度，有效提高气力提升泥沙的能力与效率。

如同3所示，清淤箱涵1中水和泥沙在高压空气的剪切力作用下做螺旋运动，并且空气由于其密度远远低于水的密度，混合体将呈螺旋上升的形态(如图3所示螺旋混合流6)，空气将带动清淤箱涵1中的泥沙一起上浮。

如图4所示，混合体被空气导入排沙囱道4并进入流速相对较大的剪切层。特别在汛期，剪切层水体具有很大的动能，流动的水体带动扬起的泥沙向坝体方向输移，即泥沙将被带动一起向坝前移动，并经大坝泄洪洞或排沙洞排入坝下游。该设计充分利用了水体的自然动能以及挟带泥沙的能力，发挥了大坝泄洪洞的排沙功能，可有效节约机械排沙的经济成本。此外，排沙囱道4顶部布置有空气浮筒7，用于控制排沙囱道4悬浮，可利用水体浮力保证排沙囱道4顶部的出沙口始终处于流速较大的剪切层。排沙囱道4的长度依据清淤位置的水深决定，其顶部出口位置的水体流速应大于挟带泥沙所需要的临界流速。

如图5所示，清淤箱涵1底部布置履带式运动装置5，其在对一块区域完成清淤排沙工作后，将在履带式水下牵引潜器5带动下对河床进行“扫雷”式清淤工作。本发明履带式水下牵引潜器5具有定位、移动、探测障碍物的功能，可使得清淤工作在水下具有很好的稳定性和针对性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种利用水体自然动能的移动式气动挟沙旋流清淤设备，其特征在于：包括置于河床底部的清淤箱涵(1)、可驱动清淤箱涵(1)在河床底部移动的履带式水下牵引潜器(5)、设于水面移动平台的空气压缩机(2)，清淤箱涵(1)的顶端设有伸入剪切层的排沙囱道(4)，排沙囱道(4)顶部设有空气浮筒(7)，空气压缩机(2)和清淤箱涵(1)的底部通过进气管道(3)连接，空气压缩机(2)用于将高压空气经进气管道(3)注入清淤箱涵(1)底部，清淤箱涵(1)内河床底部泥沙被水和空气掀起形成螺旋混合流(6)，螺旋混合流(6)通过排沙囱道(4)被输送到剪切层，并依靠水体的自然流动输运至坝下游。

2.如权利要求1所述利用水体自然动能的移动式气动挟沙旋流清淤设备，其特征在于：清淤箱涵(1)底部装有履带式底盘。

3.一种利用水体自然动能的移动式气动挟沙旋流清淤方法，其特征在于使用权利要求1或2所述清淤设备进行，所述方法包括如下步骤：空气压缩机(2)通过进气管道(3)从清淤箱涵(1)底部注入高压空气，高压空气将河床板结泥沙掀起，清淤箱涵(1)内河床底部泥沙被水和高压空气掀起形成上升的螺旋混合流(6)，螺旋混合流(6)的密度低于水体密度，螺旋混合流(6)进行螺旋上升的混合流动，螺旋混合流(6)被导入排沙囱道(4)并进入流速相对较大的剪切层，然后在水流的挟带下经坝体泄洪洞或排沙洞排至坝体下游，排沙囱道(4)顶部布设置的空气浮筒(7)使得排沙囱道(4)顶部的出沙口始终处于流速较大的剪切层，排沙囱道(4)顶部出口位置的水体流速大于挟带泥沙所需要的临界流速。

4.如权利要求3所述的利用水体自然动能的移动式气动挟沙旋流清淤方法，其特征在于还包括：在对一块区域完成清淤排沙工作后，清淤箱涵(1)在履带式水下牵引潜器(5)带动下被牵引至其他区域，对河床进行“扫雷”式清淤工作，从而实现移动式的清淤排沙。