自動(dòng)式水力沉沙裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

況星雨 鄧曉龍 張超

摘要：自動(dòng)式水力沉沙裝置主要是應(yīng)用于河流的除沙治理和凈水提取。裝置中濾網(wǎng)屬于一種特殊的泥沙處理設(shè)備，是發(fā)電、化工、冶金、造紙等工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的通用設(shè)備，有著比較獨(dú)特的水力性能。其主要功能是濾除水中的沙顆粒和其他雜質(zhì)。一般情況下沙顆粒會(huì)積存在濾網(wǎng)表面，如不能及時(shí)清除，將造成濾網(wǎng)堵塞。過去通常使用的非自動(dòng)清洗濾網(wǎng)，問題較多。如：過濾效果差，需要人工定期清洗，工作量非常大。在水質(zhì)較差的情況下，經(jīng)常會(huì)影響樁體整體的正常運(yùn)行，造成非正常停機(jī)事故，從而影響生產(chǎn)，給取水工程造成嚴(yán)重?fù)p失。為此，在對(duì)濾網(wǎng)堵塞這一工程問題上，該裝置提出了相應(yīng)對(duì)策，為今后深入研究濾網(wǎng)堵塞機(jī)理、解決濾網(wǎng)堵塞問題提供一種新思路。

關(guān)鍵詞：沉沙裝置;江河治理;自動(dòng)化;濾網(wǎng)

The self feedback sediment settling device is mainly used for sediment removal and water purification. When the device is used to extract the water from the river， it can automatically remove and clean the sediment， so that the water flow can be quickly and efficiently purified in the next step. The development direction of the device can be used for field irrigation. After the river water is extracted， the water can be purified by the sand removal device and then used. In addition， it can also be used in the preliminary treatment of water in waterworks.

Key words：Desilting device;Application;Robotization

我國自然生態(tài)環(huán)境復(fù)雜，加上人類活動(dòng)對(duì)江河的影響，我國江河的治理工作在取水口選址及泥沙處理上異常困難。加強(qiáng)江河治理中的科技創(chuàng)新，將是21世紀(jì)我國凈水提取中科技發(fā)展的趨勢(shì)。而目前應(yīng)用于江河治理的除沙裝置仍存在著耗能大、浪費(fèi)資源和勞動(dòng)力等工程問題。若要求在短時(shí)間內(nèi)得到充足的干凈水樣時(shí)，普通的天然沉沙池就不能滿足其要求。天然沉沙池的效率較低，往往需要幾天甚至幾十天才能完全將泥沙沉淀，而自動(dòng)式水力沉沙裝置在短時(shí)間內(nèi)就能得到比較干凈的水源。同時(shí)該裝置有附帶水管的功能，能夠控制水流的方向且能夠成為第一道過濾裝置，提高了天然沉沙池的沉沙效率，減少了天然沉沙池的泥沙淤積，大大地降低了清潔水池的人力成本。此外，河流漲水或者洪峰過境時(shí)，會(huì)帶來許多泥沙，導(dǎo)致水的提取和凈化更為困難?；诖耍狙芯繃@取水工程中泥沙堵塞取水管道以及取水口選址困難等問題，采用自動(dòng)化水濾網(wǎng)設(shè)備除沙的方法，探究了在盡量減少人力、物力以及所需能源的前提下，達(dá)到最佳的除沙效果，為解決江河治理問題提供了新思路。

1沉沙排沙設(shè)計(jì)思路

為了能讓水流順著設(shè)備要求流動(dòng)，首先設(shè)計(jì)一個(gè)主要依靠水流驅(qū)動(dòng)的能量提供單元，可大幅度的減少能源的消耗。其次，設(shè)計(jì)一個(gè)帶多層不同孔徑濾網(wǎng)、可根據(jù)泥沙淤積重量來達(dá)到自動(dòng)除沙目的的自反饋裝置（濾網(wǎng)可以大幅降低泥沙流速）。濾網(wǎng)在靜止?fàn)顟B(tài)下易被泥沙堵塞，為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)在濾網(wǎng)上有了突破性的創(chuàng)新，在裝置中濾網(wǎng)可通過持續(xù)抖動(dòng)的方式打破常規(guī)狀態(tài)下的靜止濾沙。最后，剩余細(xì)沙通過利用上挑丁壩壩田淤積原理的沉沙裝置得以濾除。各個(gè)取水工程可根據(jù)用水途徑的不同來選擇是否進(jìn)行細(xì)沙水分離。

2沉沙裝置位置的選擇

若裝置設(shè)置地點(diǎn)越接近管道首部或取水口位置，則泥沙對(duì)輸水管道的磨損長度就越小，水利工程使用壽命就越長，工程經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益就更加明顯。但是，它往往會(huì)受地理位置和水力條件的限制，不能就近安置，因此，必須綜合考慮，在發(fā)揮裝置最大的效益的同時(shí)，選擇最合適的位置。

a.地質(zhì)條件滿足土質(zhì)堅(jiān)硬平坦，沉降量比較小，方便裝置的擺放，避開地質(zhì)條件惡劣的地區(qū)和地段，不能出現(xiàn)滑坡，洪水等自然危害。

b.為了便于引水，河岸與河水水面高度不能距離過大，根據(jù)水流的速度變化來確定高差的最大值，判斷河岸的高程是否符合要求。

選好合適的地質(zhì)條件后，將裝置放到水流不湍急，沒有較大斷崖式河床的水流條件的的河岸處，為了保證裝置的正常運(yùn)行，當(dāng)水深較大時(shí)，取上層較清的水，可以不使用自動(dòng)式水力沉沙裝置的初級(jí)沉沙裝置，當(dāng)水底流速較快或水深較小，有大量泥沙在運(yùn)動(dòng)時(shí)，可配備不同大小的初級(jí)沉沙裝置。

3自動(dòng)式水力沉沙裝置的系統(tǒng)構(gòu)造及運(yùn)行

3.1整體構(gòu)造

自動(dòng)式水力沉沙裝置設(shè)置在合適水流條件的河岸處，河流中的水進(jìn)入進(jìn)水口時(shí)，該裝置可自動(dòng)對(duì)泥沙進(jìn)行排除和清理，讓水流能夠快速高效地進(jìn)行下一步的泥沙處理。整個(gè)裝置利用天然河流水動(dòng)能、重力作用和水壩的原理，對(duì)水進(jìn)行分層處理，沉沙裝置中，濾網(wǎng)層的孔徑大小不同，可過濾不同粒徑的沙顆粒。再通過水循環(huán)，還原出干凈的水。自動(dòng)式水力沉沙裝置大部分以聚乙烯材料為主，按照其裝置功能可分為機(jī)械取水單元、圓柱沉沙單元和水箱沉沙單元三個(gè)部分。

機(jī)械取水單元將天然河流的水動(dòng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)化，帶動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)以及進(jìn)水口的進(jìn)水和出水口的出水，把水帶入沉沙單元中，取水單元中緩速圓臺(tái)可將大顆卵石過濾。齒輪帶動(dòng)的攪拌裝置讓取水單元中的水處于比較均勻的狀態(tài)，防止進(jìn)水口和出水口的堵塞。水進(jìn)入圓柱沉沙單元后，通過幾層不同孔徑的濾網(wǎng)將泥沙攔截，錐形裝置讓泥沙沉積在錐形的底部?jī)蓚?cè)，待泥沙淤積到一定時(shí)間之后，利用泥沙和水的重力讓彈簧壓縮，隨后沉于底部的泥沙就會(huì)比水早一步沿錐形邊緣下落進(jìn)入到沉沙池。錐體上下移動(dòng)帶動(dòng)濾網(wǎng)不斷振動(dòng)，使不易產(chǎn)生濾孔堵塞。水經(jīng)過濾網(wǎng)之后，剩下一些極細(xì)的與水混合的顆粒，待水進(jìn)入右側(cè)的小型丁壩結(jié)構(gòu)后，細(xì)顆粒會(huì)淤積在上挑丁壩與板壁之間，再通過設(shè)置的小篩孔，細(xì)沙水進(jìn)入到小三角漏斗中，細(xì)沙從篩孔中掉落，清水從斜板底部濾出。

3.2機(jī)械取水單元

取水單元中水車能夠減小流速，取水裝置放在水車右邊方便取水，緩速圓臺(tái)不僅可以減緩進(jìn)水管處的水流，還能沉淀顆粒較大的沙粒。傳動(dòng)軸左端與水車1/3半徑連接，右端與推拉活塞相連接。導(dǎo)管在圓臺(tái)高度大概2/3處，這樣可以讓導(dǎo)管處水流盡可能小。取水管與緩速圓臺(tái)固定，防止取水管被水流沖刷導(dǎo)致?lián)p壞。由于流速的減小，當(dāng)小于粒徑較大沙顆粒的止動(dòng)流速時(shí)，緩速圓臺(tái)下面的倒立圓臺(tái)就能夠讓一些粒徑較大的沙顆粒下沉并重新回到河流中。機(jī)械取水單元運(yùn)轉(zhuǎn)后，水車帶動(dòng)傳動(dòng)軸并推動(dòng)或者拉回推拉活塞。當(dāng)拉回推拉活塞時(shí)，取水腔體體積增大，由于大氣壓的作用，閉氣隔板閉合，防倒吸隔板開啟，緩速圓臺(tái)上的水體經(jīng)進(jìn)水管被吸入取水管道中;當(dāng)推動(dòng)推拉塞時(shí)，取水腔體體積減小，由于大氣壓的作用，閉氣隔板開啟，防倒吸隔板關(guān)閉，推拉塞將推擠取水腔體中的水使之由出水管道流入圓柱沉沙單元中。

3.3圓柱沉沙單元

該沉沙單元中濾網(wǎng)的濾孔大小從上往下依次減小且間距幾乎一樣，沉沙圓柱由兩個(gè)半徑大小不一的圓柱連接而成，彈簧連接在圓錐的底座。各層濾網(wǎng)與導(dǎo)沙圓錐相連，當(dāng)圓錐底部泥沙淤積達(dá)到一定重量時(shí)，彈簧壓縮，帶動(dòng)導(dǎo)沙圓錐一起向下移動(dòng)，泥沙被沖刷下落至下部圓柱中，當(dāng)淤積的泥沙重量減少后，彈簧回彈，濾網(wǎng)可在一定小范圍內(nèi)發(fā)生振動(dòng)，泥沙不易發(fā)生堵塞。

3.4水箱沉沙單元

水箱傾斜放置，隔板與水箱壁成一定夾角且在隔板和水箱底部夾角，由極細(xì)的篩孔，在底板以下是泄沙通道。泄沙通道下是四個(gè)承壓支架，皆與地板相連。該沉沙裝置利用上挑丁壩的壩田淤積原理在隔板及水箱夾角的篩孔處濾除大部分細(xì)沙。水流經(jīng)過層層濾網(wǎng)，水體已經(jīng)不含或者只含微量的泥沙，后水流通過進(jìn)水管流入一個(gè)有擋水隔板的水箱，擋板垂直于通道并且各個(gè)擋板之間有30°的夾角（類似于上挑丁壩），水流在擋板處減速并產(chǎn)生一個(gè)個(gè)旋渦，泥沙在回流作用下沉積于篩孔處，泥沙通過篩孔孔流入泄沙通道并流走，最后干凈水流沿水箱從底部流出。

4自動(dòng)式水力沉沙裝置創(chuàng)新分析

當(dāng)前取水工程普遍采用天然沉沙池進(jìn)行水沙分離，而天然沉沙池的修筑成本以及所消耗的人力資源較高，位置固定且不可拆卸、不可挪動(dòng)，易受環(huán)境因素的制約，同時(shí)還需抽水機(jī)將河流引入沉沙池中，造成多余的能源浪費(fèi)。為了響應(yīng)當(dāng)今時(shí)代建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)，自動(dòng)式水力沉沙裝置有了以下創(chuàng)新：

a. 大幅度節(jié)約成本，經(jīng)濟(jì)效益突出。裝置材料大部分以聚乙烯為主，節(jié)約了大量的制作成本。

b. 各部分獨(dú)立工作，裝置靈活性強(qiáng)。裝置共分為三個(gè)部分，每個(gè)部分都可進(jìn)行獨(dú)立作用，取水工程根據(jù)對(duì)水中含沙量的要求高低對(duì)裝置進(jìn)行相應(yīng)的拆分，因地制宜，不易受環(huán)境因素影響。

c. 利用動(dòng)能提供裝置能源，能耗低。裝置中能量提供單元將天然河流的水動(dòng)能轉(zhuǎn)換為整個(gè)裝置所需的能量，不需消耗過多的能源，還能通過調(diào)整能量提供單元上的葉片大小來適應(yīng)不同的水流條件，使枯水期也能得到充足的水。

5結(jié)語

自動(dòng)式水力沉沙裝置較天然沉沙池而言更為靈活，可拆卸，減少在自然災(zāi)害下的經(jīng)濟(jì)損失。在不同的水流條件下，以不同的大小的能量調(diào)整進(jìn)入裝置不同量級(jí)的水量。成本、人力資源與天然沉沙池相比也更為節(jié)約。既符合生產(chǎn)者降低生產(chǎn)成本，提高其實(shí)用性的要求，又符合使用者減少人力資源與提高效率的需求，有極廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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