水力驅動測壓管自動清洗裝置原理與結構分析

孟慶華，王傳堯，林松洋

（1.德州黃河河務局供水局，山東 德州 251100；2.德州黃河建業工程有限公司，山東 德州 251100）

測壓管水位觀測對了解水工建筑物防滲設施的工作效能、判斷水工建筑物在各種運行條件下的穩定性、監視工程安全狀態有著十分重要的作用，是水庫、閘壩等工程管理工作中必須開展的觀測項目。在日常使用和管理維護過程中，容易有小石子、泥沙等雜物落入，加之管內銹蝕沉積，經常造成測壓管淤堵失靈或靈敏度降低，給工程安全帶來巨大隱患。因此需要及時對管內淤積進行清理，消除安全隱患，保證工程安全。測壓管管徑較細（一般為50～100 mm），埋設較深（一般在20 m 以上），現場施工條件復雜多變，所以測壓管清洗困難。

為解決這一難題，筆者結合現場條件，利用水輪機的水動力學原理，研制水力驅動測壓管自動清淤裝置，利用此裝置清洗測壓管效果良好。

1 工作原理與設計結構

1.1 裝置結構組成及工作原理

水力驅動測壓管自動清淤裝置由軸承、射水驅動部件、鉆頭配件、噴嘴配件組成。清洗裝置通過夾布軟管與壓力泵相連，壓力泵把壓力水經夾布軟管泵送入本裝置空腔內，然后水流的流動狀態在設備內發生一系列改變，從裝置的四支彎管出口處沿彎管的切線方向射出，如圖1 所示。

圖1 工作示意圖

根據動量守恒定律，水流狀態由豎向流動轉變為沿彎管出口處切線方向噴出，除了受豎向作用力外，在垂直設備軸心線的平面上水流還受到彎管管壁對其施加的水平作用力，根據作用力與反作用力原理，水流對管壁也有反作用力。四支彎管的彎曲方向、傾斜角度、彎曲弧度及彎曲半徑均相同，繞設備軸心線對稱、均勻分布于裝置的側壁上，并且處在設備軸心線的同一斷面上。所以四支彎管受水流的力大小相等，方向和作用點關于設備軸心線對稱且均勻分布。在垂直于軸心線的平面上的合力為零，力矩同向且相等。這樣四支彎管受扭矩作用共同推動裝置旋轉。水流的速度越大獲得推動力越大，設備的旋轉速度也越大。當壓力泵泵送的壓力足夠大，水流速度達到足夠大時，就可以推動旋轉部分連帶工作件一起旋轉工作。

工作件為鉆頭時，鉆頭旋轉會把測壓管內的淤堵雜物攪動松散或攪碎，然后在彎管噴出水流沖擊和管內積水形成的渦流共同作用下，淤堵雜物被向上返回地面的水流攜帶至地面。

工作件為噴嘴時，噴嘴噴出的高壓水流直接沖散、沖碎淤堵雜物，然后在彎管噴出水流和管內渦流共同作用下被返回水流攜帶至地面。

與此同時，彎管出出水口噴出的水流沖擊測壓管內積水，使其在管內做旋轉運動，進而形成渦流。渦流可以對管壁和管底進行清洗，并且提高上升返回水流的攜沙能力，使清洗的效果和效率好于沒有渦流的清洗方法。

1.2 結構設計

1）清洗設備組成。進行測壓管清洗作業所需設備有地面抽水加壓泵（或由壓力管道輸送壓力水）、夾布軟管和水力驅動測壓管自動清淤裝置。壓力泵出口壓力一般根據測壓管清淤深度選擇，對于清洗深度小于20 m 的測壓管，壓力泵工作壓力為2～5 個大氣壓。夾布軟管可根據工作壓力進行選擇。清洗裝置由旋轉軸承、射水驅動裝置和螺旋鉆頭或噴嘴組成。

2）整體尺寸參數的選定。清淤裝置的整體尺寸是根據測壓管孔徑來進行設定，須滿足：（1）清淤裝置能夠順暢地伸入和拔出測壓管，不會發生卡阻；（2）在深入測壓管內后工作件能夠進行清淤作業，彎管部位的外端與測壓管內壁須保有一定的間距；（3）返回地面的回水流能夠攜帶雜物順利通過裝置與測壓管管壁之間的空隙。針對筆者實際中清洗的測壓管內徑在50～70 mm 之間，設定的清淤裝置彎管部位的大外徑為44 mm,其他輸水管件的外徑均小于35 mm。

3）射水彎管設計參數的設定。彎管參數的設計目的是在水壓一定的條件下，獲得鉆頭扭矩、彎管噴出水流沖擊力及形成渦流之間最優平衡點。通過CFD 軟件模擬并對比分析不同形狀、傾斜角度、彎曲弧度參數值對模擬結果，結合外部整體尺寸和制作加工的要求，擬定了一組設計參數值，如圖2 所示。

1.3 清洗作業流程

圖2 彎管參數設置圖

1）準備工作。將清洗裝置經夾布軟管與壓力泵連接，并確保管路通暢。調試壓力泵，確保管路不漏水，設備可以正常工作。2）啟動壓力泵，泵送壓力水，觀察到清洗設備開始旋轉并轉速穩定后，將設備通過夾布軟管慢慢下放到測壓管內，直到不能繼續下放為止。3）調整壓力泵壓力，使其控制在20～50 kPa 范圍。清洗過程中會看到有渾濁的水從測壓管下部返上來，每隔1～2 min 上下提動幾次夾布軟管，直至返水清澈，不再出現渾濁為止。4）觀測測壓管可量測的底部高程是否與設計高程相對應。如果底部高程滿足要求可以進行注水試驗，測試測壓管的靈敏度。如果不滿足要求，則需要繼續進行清洗作業。

2 清洗效果

水力驅動測壓管自動清淤裝置利用野外工程現場的條件，用水作為傳介質，就地取材，經濟環保，需要的操作空間小，能更好地適應各種復雜的野外環境。相比傳統的水沖法，水力驅動測壓管自動清淤裝置清洗測壓管操作更加簡單；對加壓設備的要求更低，能耗更少；能對測壓管壁進行有效的清洗，能快速破碎并清洗出測壓管內板結淤積物，清洗效率更高；裝置采用了壓力軟管進行壓力水輸送，相比于水沖法的硬管能防止硬管在測壓管內彎曲而發生卡阻現象。2018 年10 月在對李家岸引黃閘和豆腐窩引黃閘的四支測壓管清淤修復工作中，使用了該套清洗設備進行清洗，四支測壓管清洗全部清洗到設計深度，并全部恢復了滿足工程要求的靈敏度。