大型輸水明渠清淤系統抗浮穩定性分析

陳 建，劉琴琴，張會杰

（華北水利水電大學，鄭州450046）

大型長距離輸水明渠在長期運行中不可避免會在渠道邊壁上沉積大量塵埃并有微生物滋生，影響輸水水質及輸水能力。如南水北調中線總干渠1 432 km 長的輸水明渠［1］，在底泥不能被水流自然沖刷的情況下，必須及時清理渠道及邊壁上的淤積物［2，3］。同時，南水北調輸水總干渠由于其特殊性與重要性，既不能停水清淤也不能在清淤過程中影響輸水水質?，F今，國內外對輸水明渠的清淤方式主要有水力清淤［4］（虹吸式和吸揚式等）、機械清淤［5］（絞吸式挖泥船、耙吸式挖泥船和斗式挖泥船等）和擾動清淤［6］（氣流擾動和水流擾動）。另外，隨著科技的蓬勃發展，也出現了較為先進的水下機器人管道清淤［7］方式。除此之外，精準環保清淤技術倍受環保、管理等部門和其他科研工作者的重視，特別是像南水北調大型輸水明渠與城市景觀河道中的清淤工作［8-10］。如黃河水利科學研究院推出的吸盤式管道排沙環保清淤技術［11］和盧德明等［12］提出對絞吸式挖泥船進行改裝實現密閉環保清淤。課題組以南水北調中線總干渠為例，在已有的研究基礎上創新性的利用氣動沖淤法［13］，提出了一套在清淤過程中既不影響輸水水質也不停水清淤的新方案。

本文主要對整體清淤系統在動水作業中的穩定性進行受力分析與計算，并通過模型試驗按南水北調中線總干渠幾何比尺，模擬動水環境下整體清淤系統在明渠中的水流特性，驗證整體清淤系統的穩定性與可行性，并為不停水清淤、穿河、渠等擋水建筑物的穩定性研究提供參考。

1 清淤系統概況

課題組針對南水北調大型輸水明渠不能停水清淤，且在清淤程中也不能影響其輸水水質的特殊要求，專門為此類大型輸水渠道設計了一套精準、高效、環保、密閉的清淤系統。即在不停水情況下對大型深水渠道邊坡、渠底進行清淤，目的是解決大型、長距離輸水明渠的淤積問題。系統整體結構示意圖，見圖1，主要由水下和岸上兩部分系統組成，其中水下部分由6 個清淤倉組成，單個清淤倉尺寸長寬高分別為3.5 m×1.8 m×0.1 m，圖中渠道為南水北調中線總干渠橫斷面的1/2。因此，整體清淤在動水環境下的工作穩定性就是本文解決的主要問題。

圖1 射流清淤系統整體結構圖Fig.1 Overall structure of jet dredging system

理論計算主要參考《結構力學》［14］和《材料力學》［15］等相關知識進行受力分析，并通過水槽模型試驗驗證了不停水狀態下設計流量25.69 L/s（260 m3/s）對應的水位，以及對清淤系統整體的水動力特性的影響。以清淤系統整體的穩定性、可行性為目的，進一步明確動水環境中的擾流物對水流流態的影響特征。

2 清淤系統整體穩定性計算

2.1 水下系統清淤倉的受力計算

2.1.1 系統整體自重計算

經概算比較選用H 型鋼作為水下系統連接各清淤倉單元的連接桁架，依據水下系統所受荷載分析，主要考慮按強度與剛度計算［16］。最終，通過結構計算選取材料尺寸為200 mm×200 mm×8 mm×12 mm的H型鋼為整體清淤系統連接桁架，其他主要部件自重計算見表1。

表1 系統主要部件自重 NTab.1 Self-weight unit of main components of the system

南水北調中線總干渠（鄭州段）渠道水力邊界條件：渠道邊坡比為1∶2.25，渠底寬L=14 m，設計流量Q=260 m3/s，對應水深7 m，清淤系統整體單元主要受力情況見圖2。

圖2 清淤系統整體受力示意圖Fig.2 Overall force diagram of desilting system

2.1.2 清淤系統作用力計算

根據不同的工作單元體型設計，按最不利條件計算水流對清淤系統的作用力與岸上動力車處的連接支點。

根據水流對清淤系統的作用力公式：

式中：ρ為流體水的密度，取ρ=1 000 kg/m3；v為來流流速1.1 m/s，C0為單元體的水流對清淤系統的作用力系數，根據Stoke 定理，C0=24/Re通常C0=0.5～1.0，取C0=1；A為物體迎水面面積，此處即清淤倉的迎水面面積A=0.35 m2。

經公式（1）計算單個清淤倉所受的作用力為211.75 N，同理計算出6個清淤倉所受的作用力為1 270.5 N。

2.1.3 水下清淤倉的推移力、沖擊力和上舉力計算

根據受力分析見圖2（b），分別對水下清淤倉的推移力、沖擊力和上舉力計算：

（1）推移力。南水北調中線總干渠為明渠均勻流，水深7 m，鄭州段水力比降約為1/280 000，水流對清淤倉（擋水物）推移力見圖3，由水流推移力公式：

圖3 水流推移力示意圖Fig.3 Diagram of flow passage force

式中：P推移力為水流推移力，kN/m2；γω為水的容重，kN/m3，取9.8 kN/m3；H為水深，m，取7 m；J為水力比降，取1/280 000。

由公式2 計算水流對單個清淤倉的推移力（2.45×10-4kN/m2）乘以清淤倉迎水面面積（0.35 m2）為8.575×10-2N，對整體清淤系統的推移力P推移力為0.515 N。

（2）沖擊力。水流對阻流面的沖擊力見圖4，由公式：

圖4 水流沖擊力示意圖Fig.4 Chart of water impact force

式中：P沖擊力為水流的沖擊力，kN/m2；κ為繞流系數，對實體壩而言，壩身寬度與長度相比小得多時，取1.0，寬度與長度大致相等時取0.7，根據清淤倉體積長寬高，此計算取1；γω為水的容重，kN/m3，取9.8 kN/m3；h為阻流面高度，m，不漫水時為阻流面前的水深，漫水時為阻流物的高度，此計算為漫水情況，取清淤倉高度h為0.1 m；g為重力加速度，取9.8 m/s2；α為水流沖擊方向與阻流面的夾角，°，取90°；v為靠近阻流面處的水流斷面平均流速，m/s，取1.1 m/s。

由公式（3）計算水流對單個清淤倉阻流面的沖擊力P沖擊力（0.121 kN/m2）乘以面積0.35 m2為42 N，則清淤系統整體在半渠底與邊坡水流對阻流面的沖擊力為252 N。

（3）上舉力。水流對清淤倉防護面的上舉力，由公式：

式中：η為與護面結構有關的試驗系數，光滑連續護面時取1.1～1.2；單個構件組成護面取1.5～1.6，此處η取1.2；μ為與護面透水性有關的試驗系數，滲水時取0.1，不透水時取0.3，此處μ取0.3；其他符號含義與公式（3）同。

由公式（4）計算水流對單個清淤倉的上舉力P上舉力為0.218 kN/m2乘以阻流面面積7.02 m2為1 530 N，則對整體清淤系統在半渠底與邊坡水流對清淤倉面的上舉力9 180 N。

2.1.4 浮力計算

（1）清淤倉的浮力計算。當整體系統工作時，6個清淤倉全都在水面下，根據阿基米德原理公式（5），計算出水下清淤倉所受浮力F清淤倉= 37 044N。

式中：ρ為流體水的密度，取ρ=1 000 kg/m3；g 為重力加速度，取9.8 N/kg；V為排開水的體積。

（2）系統的其他部件浮力計算。清淤系統主要部件見表1，同理按公式（3）、（5）計算成果如下：①H 型鋼桁架截面面積0.006 4 m2，長度需145 m，體積0.928 m3，所受浮力F桁架=9 094.4 N；②自走輪所受浮力F自走輪=1 500 N；③電機所受浮力F電機=1 020 N；④系統單元工作時風刀對清淤倉的上沖力：F風刀對清淤倉=1 900 N。

天脊集團明確規定：對于各種不可預測的重大變化或各類突發事故和事件，一旦發生，責任單位必須第一時間匯報調度指揮中心，啟動相應的應急響應程序，及時制定有效措施，加快對重大變化的跟蹤落實與處理，實現變化的有效控制，并及時匯報進展情況，以便科學決策與精準指揮。

2.2 附加力穩定性計算

為了增加清淤倉單元的抗浮穩定安全度，提高與壁面的吸附性和密封性，在每一個清淤倉單元兩側設計工業真空吸盤，單個清淤倉模型（1∶10）安裝的工業真空吸盤布置見圖5～6。利用工業設計使用的n個工業真空吸盤群的吸附力的計算公式：

圖5 單個清淤倉布置工藝吸盤剖面圖Fig.5 Profile of suction plate for single dredging bin layout

式中：W為吸盤吸力，kg；S為吸盤面積，cm2；P為氣壓，kg/cm2，真空度取-60 kPa（0.6 kg/cm2）；μ為安全系數，實際工程應用中安全系數一般≥2，取2.5。

設清淤系統整體自重為F1，整體所受浮力為F2，可得浮力50 558.4 N小于自重67 557.8 N即：

清淤系統不會上浮，抗浮穩定安全系數表達為：

根據相關資料［16］水下抗浮穩定安全系數一般取Kf≥1.10，本清淤系統的抗浮穩定安全系數為1.34，因此，清淤系統滿足抗浮穩定安全要求。

此外，通過計算4 個直徑為0.6 m 的吸盤吸附力為0.31，可使單元系統的抗浮穩定安全系數由1.34 提高到1.48。因此，安裝工業吸盤可以提高清淤單元系統的抗浮穩定性，使清淤工作更加安全與穩定。

圖6 清淤倉兩側分別安裝2個工業真空吸盤Fig.6 Two industrial vacuum suckers installed on both sides of the dredging bin

2.3 岸上系統自重概算

馬道上集成控制系統總的重力由牛頓定律：

式中：m為物體質量，kg；g為重力加速度，取9.8 N/kg。

3 水動力模型試驗

清淤系統在滿足理論受力分析時，為進一步驗證模型在渠道內的可行性，進行了水動力模型試驗，來驗證清淤系統在渠道中的穩定性，同時分析清淤系統對渠道過水斷面處水力要素的變化特征及流場影響。

3.1 模型設計

3.1.1 模擬范圍

任意截取南水北調中線總干渠（鄭州段）順水流方向的長度56 m，且由渠道為左右對稱的規則梯形渠道，所以渠道水力特性參數在左右兩側基本一致。

3.1.2 模型渠道設計

按照《水工（常規）模型試驗規程》［18］設計的要求，模型設計為定床、正態水力模型，滿足重力相似準則，并根據紊動阻力相似的要求。根據模擬研究任務，清淤系統模型幾何比尺為λL=40，模型主要幾何比尺見表2。

表2 模型主要幾何比尺Tab.2 Model main geometric scales

水力模型試驗［19］的渠道在某驗室借用南水北調中線一期某工程出水口段水工模型水槽，梯形渠道長500 m，底寬0.34 m，邊坡比1∶2.25（比尺1∶23）?？紤]清淤模型（1∶40）與渠道模型比尺不同步，經計算渠道比尺僅與模型比尺底寬相差1 cm，且坡比不變。因此，本次試驗按照清淤模型比尺換算的實際工況流量與控制尾門水位與原型流量與和水位相符，制作的渠道模型俯視圖見圖7，邊坡比為1∶2.25，底寬0.34 m（原型14 m），渠段采用PVC 高密度板預制，糙率可以達到0.018，能夠滿足模型阻力相似要求。整體水力模型試驗采用循環式供水結構，見圖8。

圖7 模型渠道Fig.7 Model channel

圖8 水循環系統結構示意圖Fig.8 Schematic diagram of circulating system structure of water tank

3.1.3 主要測試斷面與測試點布設

模型試驗采集水位、流速、流態等水力要素，測量點分別為清淤系統所在位置的上、中、下游橫斷面編號為1～3，依次間隔一個清淤倉布設作為流速測點，在清淤倉兩側邊緣處依次布設水位測點，見圖9。

圖9 測量區域測點斷面布置圖Fig.9 Section layout of measuring points in measuring area

經多次調試，水流流速在清淤裝置上游斷面11.5 cm 處開始有明顯變化，在縱向渠道中線間隔10 cm 處右岸水流流速無明顯變化，模型水流系統可正常運行，滿足試驗要求。

3.2 試驗與結果分析

水力模型試驗采用動水環境，完全按照南水北調中線總干渠設計流量25.69 L/s（原型260 m3/s）對應下游控制的尾水位為26.5 cm（原型7 m），水位、流速、流態等水力要素，見表3。

由表3，圖10，上游水位相對于下游水位變化平緩，主要原因是清淤系統阻擋了渠道內相對平行的水流形態，使上下游產生壅水，導致清淤系統下游處流速增大。主要在測量點3～5 看出清淤倉渠底與邊坡這3 個清淤倉之間形成的水位差較為明顯，其中最大水位差為0.41 cm，產生的壅水在82 cm 處以后可以恢復自然擾流狀態。

圖10 25.69 L/s時上下游水位變化圖Fig.10 25.69 L/s upstream and downstream water level change

表3 25.69 L/s試驗工況下的水力要素測量值（模型）Tab.3 25.69 L/s hydraulic factor measurement valuesunder test conditions（model）

圖11 25.69 L/s時上下游流速變化圖Fig.11 25.69 L/s upstream and downstream velocity variation

由表3，圖10～11，上游表面流速和下游渠底流速變化平穩；由于水下系統清淤倉在渠道的橫截面上的阻水影響，在設計流速對應的下游水位26.5 cm 下，使測量點1上、下游無流速變化，只有水位變化以及測量點2 表現出上游流速變化，清淤倉背水側水位無變化；表3、圖10 看出，清淤倉上游水位平緩為17.5～17.49 cm，下游水位在測量點3 處，水位為17.31 cm 高于測量點2 和4 處水位17.28 cm，產生此現象的主要原因，清淤倉的擾流作用以及水位未能完全淹沒邊坡上的清淤倉，使水流流態斜向渠道一側；在清淤系統上游，由于清淤系統的阻水作用，上游出現兩個回流區，下游出現一個回流區，當經過清淤系統測量點斷面3后，流態與渠底平行，見圖12。

圖12 流場-流態特征Fig.12 Flow-flow pattern characteristics

3.3 水流對清淤系統的作用力測量

通過彈簧拉力計，渠道中所受的作用力之和約為7.65 N（原型306 N）（忽略渠道與清淤倉之間的摩擦力）見圖13。此時，馬道上集成控制系統提供的扭矩支點足夠提供清淤系統在渠道內遇到最不利情況下的受力變化。在測力試驗過程中，發現該流量對應水位下清淤系統不穩定性變化主要集中在渠底。由第2.1 節穩定性計算結果可知，通過在渠底增加工業真空吸盤固定于渠底，使抗浮穩定安全系數提高到1.80，由公式（8）計算，得清淤系統重力與吸盤吸力之和為107 438.31 N，大于水流對清淤系統的作用力之和60 296.9 N［其中水下清淤倉的推移力+沖擊力+上舉力和為（9 432.5 N）、清淤系統浮力50 558.4 N、水流對清淤系統的作用力306 N］。因此，由水流對清淤系統的作用力測量驗證，滿足清淤系統在動水環境下穩定性作業的要求。

圖13 動水環境下彈簧測力計Fig.13 Spring dynamometer under hydrodynamic condition

4 結 論

本文通過對清淤系統整體進行受力分析、計算與模型試驗，驗證了清淤系統在動水環境下的水力要素及穩定性，主要得出：

（1）清淤系統穩定性計算：①選用200 mm×200 mm×8 mm×12 mm 的H 型鋼作為水下系統連接各清淤倉單元的連接桁架；②系統主要部件自重67 557.8 N，大于水下系統清淤整體所受浮力50 558.4 N；③通過計算附加應力，結果表明增加4 個直徑為0.6 m的吸盤，其吸附力為39 880.5N，可使整體系統的抗浮穩定安全系數由1.13 提高到1.80，以提高清淤單元系統的抗浮穩定性，使清淤工作更加安全穩定。

（2）清淤系統水動力模型試驗：①當設計流量為25.69 L/s時，產生的壅水變化主要表現在邊坡第二、三個清淤倉處，最大水位差為0.41 cm，下游水位較上游水位變化大，主要在下游測量點3 處，水位為17.31 cm 高于下游測量點2 和4 處水位17.28 cm，但在82 cm 處以后，流態恢復自然；②通過計算和水力模型試驗驗證，在清淤倉兩側安裝工業真空吸盤后，吸盤力為107438.31 N，大于水流對清淤系統的作用力，滿足清淤倉在動水環境下穩定性作業的要求。 □