斜拉式漂浮物攔撈裝置的設計與應用

楊小東，尚力陽，范素香，于鵬輝

(1.黃河水利委員會黃河機械廠，鄭州 450006；2.華北水利水電大學 機械學院，鄭州 450045)

0 引言

保持良好達標的水質輸送,是南水北調工作的重中之重。南水北調中線工程輸水總干渠明渠段全長1 432 km(包括北京段和天津段)，共有64座節制閘、53座退水閘和88座分水閘[1]，流經豫、冀、京、津等地。工程通水運行后，渠水中會攜帶各種漂浮雜物，以水草、枯枝、樹葉、浮生藻類為主，秋冬季時最為嚴重。渠水由分水口進入當地自來水廠時，漂浮雜物易堵塞進水口處的相關設備，造成輸水不暢，影響正常生產。分水口是明渠主干渠向分支分流的關鍵點，因此從分水口攔撈漂浮物是最佳解決方式。吳怡等[2]構建了南水北調中線干線工程一維非恒定流水力學仿真模型，研究了節制閘閘前水位變化對分水口(退水閘)流量變化的敏感性，為工程實際運行調度管理提供了技術支持。吳時強等[3]針對漂浮物運動特性與堆積形態模擬存在無法同時滿足的問題,在分析漂浮物隨水流運動特性的基礎上,提出了漂浮物模擬的相似條件，采用正態模型或小變率的變態模型來模擬漂浮物堆積形態，為漂浮物治理奠定了基礎。蔡瑩等[4-5]研究了三峽工程漂浮物的危害及治理現狀，分析了目前采取攔漂、排漂、清漂3種主要治漂措施存在的優勢和不足，提出了在壩前建設聚漂區，采用“以撈為主，以排為輔”的治理方式，為解決漂浮物問題提供了工程參考。景洪水電站在進水口前設置了垂直升降式攔污漂，對污物進行攔截清除,大大減少了電站進水口攔污柵處漂污物的堵塞[6]。鄭江等[7]結合錦屏一級水電站工程現場實際情況，開展了斜坡固定導槽水力自升降攔漂技術的研究，設計了適應超大水位變幅水力的斜坡式水力自升降攔漂設施，有效保障了攔漂系統運行的穩定性和安全性。以上研究對河道、水電站漂浮物治理進行了深入探索，并將研究成果應用于工程實踐。本文針對南水北調中線工程分水口處的漂浮物問題，探索一種斜拉式漂浮物攔撈裝置。

1 斜拉式漂浮物攔撈裝置

攔撈裝置為斜拉式框架結構，安裝在分水口地面建筑物上，依附在分水口坡面處。如圖1所示，攔撈裝置由安裝座、攔撈框架、濾網、卷揚起吊裝置、鉸支座組成，沿分水口到干渠由上向下傾斜，逐漸由水上過渡到水下，攔撈框架寬度從分水口到干渠逐漸變大，呈等腰梯形結構。為了保證結構牢固，攔撈框架設置有縱橫交錯的支桿。攔撈裝置主體覆有濾網，阻攔漂浮物進入取水管道。攜有漂浮物的渠水經過分水口附近時，漂浮物會在濾網上聚集或隨水流向下游流走。當濾網上的漂浮物聚集到一定量時，卷揚機可將攔撈主體拉出水面。攔撈主體兩側安裝有護欄，維護人員可登上攔撈主體清理雜物。

圖1 斜拉式漂浮物攔撈裝置結構Fig.1 Cable-stayed device for trapping and raising floating trash

如圖2所示，鉸支座固定在建筑物的承重結構上，攔撈框架一端通過鉸支座轉動連接，框架上設置有不銹鋼濾網。

圖2 攔撈裝置鉸接形式Fig.2 Articulated structure of the trapping and raising device

如圖3所示，卷揚起吊裝置由卷揚機、鋼絲繩、滑輪組組成，卷揚機固定在安裝座上。卷揚起吊裝置設置2套，別位于攔撈框架兩側，通過鋼絲繩和滑輪與框架前端連接。通過卷揚機的正反轉收放鋼絲繩，使攔撈框架繞鉸支座轉動，實現框架的升降。

圖3 卷揚起吊裝置結構Fig.3 Structure of the winch hoist

2 攔撈框架有限元靜力學分析

攔撈框架為桁架結構，選用201不銹鋼材料，工作時受重力、浮力、鋼絲繩拉力和水流力，其結構和受載比較復雜，需要計算應力及撓度變化情況，判斷是否在允許值范圍內[8-9]。攔撈框架所受的水流力最大值為[10]

(1)

式中：Fw為水流力，kN；cw為水流阻力系數；ρ為水密度，t/m3；v為水流設計流速，m/s；A為構件在與流向垂直平面上的投影面積，m2。

根據實際情況，計算時水流阻力系數取1.99，水密度取1 t/m3，水流設計流速為1 m/s，得出構件及其濾網在與流向垂直平面上的投影面積為19.551 7 m2，因此算得水流力為19.453 9 kN。

建立攔撈框架三維模型，在鉸支座、支桿處設置約束，加載重力、慣性力、浮力及水平水流力，利用有限元分析軟件對框架進行工作時的結構靜力學分析[11]，分析結果如圖4所示。圖4中：最大變形量為1.212 9 mm，滿足剛度要求；最大應力為13.431 MPa，遠小于275 MPa，滿足強度要求，不需要做進一步的應力分析。

3 斜拉式漂浮物攔撈裝置的特點

(1)可根據分水口的形狀與大小量身定做。

(2)攔撈主體上所覆濾網可根據當地水況進行定制。單一攔撈主體可根據水層特性，覆蓋不同孔型的濾網。

(3)安裝時不需要對現有土方工程或建筑物進行大規模改造。干渠分水口處啟閉機多安裝在機房內，根據機房的結構特征，可將鉸鏈與卷揚機安裝在建筑物的承重柱上，鋼絲繩及導輪可安裝于建筑物外墻上。

圖4 攔撈框架變形云圖及應力云圖Fig.4 Deformation cloud map and stress cloud map of the trapping and raising frame

(4)攔撈主體采用分節制作、現場組拼的方式，便于運輸與吊裝。在不完全拆解的情況下，中型卡車即可運輸。

(5)主體材料為不銹鋼，可避免銹蝕或材料自身毒性對水體產生的二次污染。

4 工程應用

斜拉式漂浮物攔撈裝置安裝在南水北調中線工程長葛段洼里分水口處，根據分水口處建筑物形態特點，鉸鏈座安裝于分水口水工建筑物下部混凝土基礎位置，如圖5所示。鉸鏈座安裝完畢后，安裝攔撈裝置主體，保證攔撈梯形框架中心線與兩鉸鏈中心線重合。設備工作時，攔撈主體放入水下，依附在分水口坡面上。當過濾網上漂浮物過多可能會影響輸水量時，可將攔撈主體通過斜拉的方式拉出水面，人員可登上主體進行清理。

圖5 斜拉式漂浮物攔撈裝置現場圖Fig.5 Site scene of cable-stayed device for trapping and raising floating trash

5 結束語

斜拉式漂浮物攔撈裝置的實際應用表明，體積較大的漂浮、懸浮雜物被阻攔于濾網上，或遠離分水口隨水流流向下游，體積較小的雜物如藻類吸附在濾網上，起到了攔藻作用。供給地方的渠水中漂浮物大量減少，不但保證了輸水質量，還降低了當地水廠相關設備的故障率，保證了生產的正常運行。