淺談支墩避草裝置在二黃灌區(qū)渠道的應(yīng)用

馬軍杰，陳 凡，蒙林青，孟軍鵬

（渭南市東雷二期抽黃工程管理中心,陜西 渭南 714000）

0 前言

渭南市東雷二期抽黃灌區(qū)地處陜西省關(guān)中地區(qū)東部，東臨黃河，西至富平縣城，南鄰陜西省交口抽渭灌區(qū)和渭南市洛惠渠灌區(qū)，北靠喬山，由一、二級黃土臺塬和渭洛河三級階地組成，設(shè)計灌溉面積126.5 萬畝。灌區(qū)塬上總干渠設(shè)計流量40 m3/s,長55 km，渠口寬度18 m，北干渠設(shè)計流量28 m3/s～9 m3/s,長46 km，渠道口寬15 m～13 m，灌區(qū)管理單位為渭南市東雷二期抽黃工程管理中心，下設(shè)大荔、孫鎮(zhèn)、蒲城、興鎮(zhèn)、荊姚、流曲、劉集七個灌溉系統(tǒng)，樞紐泵站有太里一級站、北干二級站、下寨三級站，灌區(qū)重點(diǎn)建筑物有洛河渡槽、漢村隧洞等，工程于1990 年7 月開工建設(shè)，1997 年6 月試通水，2008 年完成竣工驗收。

二黃工程建設(shè)期間鋼材、水泥等市場供應(yīng)不足價格過高，限于國家財力，工程設(shè)計均屬于限額設(shè)計，除測流橋因為工作原因不設(shè)支墩以外，跨總干的103 座平交、斜交和高架橋梁均為三跨簡支梁結(jié)構(gòu)，支墩一般立于渠道底部左右兩側(cè)；各種小渠架管、橋式倒虹、小渠渡槽等45 座過水建筑物支墩立于渠底居中；跨北干渠有182 座橋梁，平交的83 座為兩跨簡支梁結(jié)構(gòu)，支墩立于渠底居中，斜交、立交和高架橋梁一般為三跨結(jié)構(gòu)，兩組支墩立在渠道，而北干渠13+770 斜交橋，渠道里面最多達(dá)三組、12 個支墩，當(dāng)渠道行水1.5 m高時，支墩的總體積占橋面下水體體積的8.3%，行水達(dá)到設(shè)計水位2.39 m時，支墩加上部分蓋梁的總體積占橋面下水體體積的7%以上。各類支墩特別是居中支墩，直徑一般為80 cm，在行水期間大量掛淤河源來草及人為入渠雜物樹枝垃圾，進(jìn)一步掛淤泥沙，一組支墩最大淤積量達(dá)到5 m3～8 m3，致使過流斷面降低產(chǎn)生雍水，給灌溉運(yùn)行管理造成不安全因素，淤積物固結(jié)緊密，行水結(jié)束之后需要人工清理，費(fèi)工費(fèi)時。經(jīng)過國家大型灌區(qū)續(xù)建配套節(jié)水改造項目的實(shí)施，對涉及的塬上總干渠（加西聯(lián)合閘至下寨三級站）段改造了15 座橋梁，一跨通過去掉支墩，解決了運(yùn)行掛淤問題，而剩余大量的橋梁現(xiàn)階段不可能得到全部改造。二黃灌區(qū)基層運(yùn)行管理單位荊姚總站，借鑒水輪機(jī)工作原理，試制成功外掛式支墩避草裝置，很好地解決了這一問題，實(shí)現(xiàn)了不掛淤、不雍水，減輕管護(hù)工作量、節(jié)約費(fèi)用的效果。

1 外掛式支墩避草裝置的制作工藝

1.1 轉(zhuǎn)筒加工

筒身采用6 mm厚鋼板，通過卷板機(jī)機(jī)械彎曲卷制成筒，轉(zhuǎn)筒直徑55 cm，卷制成筒后進(jìn)行校圓，保證轉(zhuǎn)筒的外徑尺寸。

1.2 接盤加工

采用12 mm鋼板制作成兩個接盤作為筒身支撐，接盤的加工工藝要進(jìn)行嚴(yán)格控制。采用熱切割處理中的氣割（氧氣-乙炔）方法，在接盤中心上開出相當(dāng)于軸套外徑的圓孔，要確保安裝軸套的圓孔與接盤同心，以降低結(jié)構(gòu)形狀的不對稱可能性，減少整體設(shè)備的靜不平衡值。

1.3 軸承安裝

采用滾動軸承中的深溝球滾珠軸承,為實(shí)現(xiàn)軸承內(nèi)圈固定、外圈帶動轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)的要求，軸承安裝過程中軸頸和軸承內(nèi)圈配合面要做到過盈配合，確保轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)過程中配合面不發(fā)生相對位移。

同時，為滿足水下工作的要求，在軸承兩側(cè)的內(nèi)外圈之間扣封密封環(huán),密封環(huán)里側(cè)為環(huán)槽形狀,靠近軸承內(nèi)圈的密封環(huán)環(huán)槽壁上套箍彈簧箍圈。具有密封牢固,可靠防水、防塵、保油的特點(diǎn)，形成全封閉式防水軸承。

1.4 輪葉加工安裝

采用的6 mm厚鋼板，制作成開度約15°、寬55 cm、高1.5 m的輪葉；根據(jù)渠道灌溉期間平均工作水頭實(shí)際情況，輪葉上邊緣安裝位置距離上接盤46 cm左右，按照90°間距圍繞軸垂直方向旋轉(zhuǎn)排列，焊接在轉(zhuǎn)筒上。

圖1 裝置外觀三維示意圖

圖2 裝置轉(zhuǎn)筒、軸、軸承結(jié)構(gòu)示意圖

2 避草裝置的焊接保證

2.1 轉(zhuǎn)筒焊接

轉(zhuǎn)筒焊接前要進(jìn)行車削，同時以上下接盤的中心線為中心找正，確保安裝中心與筒體回轉(zhuǎn)中心同心。由于筒徑較小，采用單面焊雙面成形法進(jìn)行焊接。

2.2 轉(zhuǎn)筒與接盤的焊接

軸、軸套、軸承應(yīng)同時裝配，裝配完成后先焊接再接盤，然后采用單面焊雙面成形的方法與轉(zhuǎn)筒焊接在一起，可將轉(zhuǎn)筒放在滾輪架上轉(zhuǎn)動，利用轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)焊接自動化。

轉(zhuǎn)筒焊接以及轉(zhuǎn)筒與接盤的焊接，工藝水平要高，確保轉(zhuǎn)筒立于渠道之中，焊縫不進(jìn)水，轉(zhuǎn)筒受到一定的浮力托舉。

3 工作原理和實(shí)際應(yīng)用

3.1 工作原理

制作成形的避草裝置安裝在支墩上游迎水側(cè)，采用軸承內(nèi)圈軸向固定的方法，軸的上部與蓋梁連接，下部在渠道底部生根固定。利用水流與轉(zhuǎn)輪葉片的作用力和反作用力原理將水流能量傳給輪葉，帶動轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)，形成外掛式支墩避草裝置，攪動水流，有效甩開柴草樹枝等雜物，解決支墩掛草掛淤問題。裝置實(shí)景三維示意圖見圖3～圖4。

圖3 裝置實(shí)景三維示意圖（一）

圖4 裝置實(shí)景三維示意圖（二）

3.2 軸承受力分析

深溝球軸承一般由一對套圈、一組保持架、一組鋼球組成。其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，是生產(chǎn)最普遍、應(yīng)用最廣泛的一類軸承。由于轉(zhuǎn)筒較重，其重力傳遞給軸套，軸套傳遞給軸承；雖然軸承內(nèi)圈與軸是過盈配合游隙很小，雖然在實(shí)際應(yīng)用過程中因為轉(zhuǎn)筒的重量較大，會受到一定的軸向力，但是運(yùn)行期間，滾筒會受到相當(dāng)于排開水體大小的浮力，所以，軸向力不會對軸承的轉(zhuǎn)動和使用壽命造成較大的影響。軸承具有一定的調(diào)心作用，同時內(nèi)嵌在軸套內(nèi)采用過盈配合形成整體，共同承受轉(zhuǎn)筒重力，因此這種配合對軸承的轉(zhuǎn)動沒有造成影響。

3.3 運(yùn)行最優(yōu)工況

干渠水流為非恒定流，流速的大小、方向在不斷地變化。影響支墩避草裝置效率的主要是水力損失，流量損失和機(jī)械損失較小且基本不變，在水力損失中撞擊損失和渦流損失最大。為了最大幅度減少葉片的扭曲角度，最大限度減少渦流損失和水能浪費(fèi)，經(jīng)過多次模擬試驗得出：轉(zhuǎn)筒半徑（r）和輪葉半徑（R）關(guān)系設(shè)置為2 r≥R、葉片扭曲角度大約在10°～15°左右，具有較寬廣的效率區(qū)，基本能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)口無撞擊、出口無渦流。裝置最優(yōu)工況參數(shù)示意圖見圖5。

圖5 裝置最優(yōu)工況參數(shù)示意圖

4 運(yùn)行效果及成本造價分析

2019 年 12 月 6 日 ～12 月 30 日二黃灌區(qū)冬灌運(yùn)行 25 天，2020 年度春灌自2月18日北干渠行水至第一輪灌溉減量運(yùn)行，安裝在北干渠34+635 處橋梁上的避草裝置已經(jīng)累計轉(zhuǎn)動了五十余天，運(yùn)行基本穩(wěn)定，避草效果明顯，偶爾出現(xiàn)的停轉(zhuǎn)又自動復(fù)轉(zhuǎn)現(xiàn)象，原因在于安裝過程中軸向垂直度略有偏差、以及輪葉開度不夠均勻，需要在后期加以改進(jìn)。

外掛式支墩避草裝置屬于初次試驗，考慮到穩(wěn)定性和安全性，制作材料基本采用鋼板，自身較為笨重（約230 kg左右），焊接、制作過程比較麻煩，施工安裝難度大，費(fèi)用包括材料費(fèi)、加工費(fèi)、安裝費(fèi)等，成本約4100 元。待后期調(diào)試穩(wěn)定后，可在選材方面進(jìn)行優(yōu)化，轉(zhuǎn)筒可以嘗試ABS樹脂或者其他成形轉(zhuǎn)筒，可適當(dāng)減小轉(zhuǎn)筒的直徑，輪葉可以選用鋁合金材質(zhì)，軸承可以考慮尼龍?zhí)椎鹊?，通過優(yōu)化裝置材質(zhì)、優(yōu)化設(shè)計，達(dá)到輕、易、廉的目的，實(shí)現(xiàn)推廣使用。

解決支墩掛草的方法很多，設(shè)想在支墩迎水面，如果豎立一根直徑約20 cm的鋼管，下部在渠底生根，上部焊接水平方向直桿固定在橋梁的擋塊，由于直徑較小，來草及樹枝在鋼管處達(dá)不到動態(tài)平衡，流過鋼管后隨渦流流動，也會減少支墩掛草量，優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用較低，缺點(diǎn)是后部支墩還是會掛淤一定的垃圾雜物。

5 結(jié)語

將水輪機(jī)工作原理應(yīng)用到工程設(shè)施管護(hù)之中，研制出外掛式支墩避草裝置，是灌區(qū)渠道管護(hù)工作創(chuàng)新的良好開局。設(shè)想對避草裝置安裝同步直流勵磁發(fā)電機(jī)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生感應(yīng)電流，可以在行水期間為渠道巡護(hù)及安全警示提供電源，更好地服務(wù)灌溉生產(chǎn)。