水力驅(qū)動(dòng)測(cè)壓管自動(dòng)清洗裝置原理與結(jié)構(gòu)分析

孟慶華，王傳堯，林松洋

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

測(cè)壓管水位觀測(cè)對(duì)了解水工建筑物防滲設(shè)施的工作效能、判斷水工建筑物在各種運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性、監(jiān)視工程安全狀態(tài)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(cè)項(xiàng)目。在日常使用和管理維護(hù)過程中，容易有小石子、泥沙等雜物落入，加之管內(nèi)銹蝕沉積，經(jīng)常造成測(cè)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(shí)對(duì)管內(nèi)淤積進(jìn)行清理，消除安全隱患，保證工程安全。測(cè)壓管管徑較細(xì)（一般為50～100 mm），埋設(shè)較深（一般在20 m 以上），現(xiàn)場(chǎng)施工條件復(fù)雜多變，所以測(cè)壓管清洗困難。

為解決這一難題，筆者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，利用水輪機(jī)的水動(dòng)力學(xué)原理，研制水力驅(qū)動(dòng)測(cè)壓管自動(dòng)清淤裝置，利用此裝置清洗測(cè)壓管效果良好。

1 工作原理與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

1.1 裝置結(jié)構(gòu)組成及工作原理

水力驅(qū)動(dòng)測(cè)壓管自動(dòng)清淤裝置由軸承、射水驅(qū)動(dòng)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(jīng)夾布軟管泵送入本裝置空腔內(nèi)，然后水流的流動(dòng)狀態(tài)在設(shè)備內(nèi)發(fā)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(jù)動(dòng)量守恒定律，水流狀態(tài)由豎向流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檠貜澒艹隹谔幥芯€方向噴出，除了受豎向作用力外，在垂直設(shè)備軸心線的平面上水流還受到彎管管壁對(duì)其施加的水平作用力，根據(jù)作用力與反作用力原理，水流對(duì)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(shè)備軸心線對(duì)稱、均勻分布于裝置的側(cè)壁上，并且處在設(shè)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(diǎn)關(guān)于設(shè)備軸心線對(duì)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(dòng)裝置旋轉(zhuǎn)。水流的速度越大獲得推動(dòng)力越大，設(shè)備的旋轉(zhuǎn)速度也越大。當(dāng)壓力泵泵送的壓力足夠大，水流速度達(dá)到足夠大時(shí)，就可以推動(dòng)旋轉(zhuǎn)部分連帶工作件一起旋轉(zhuǎn)工作。

工作件為鉆頭時(shí)，鉆頭旋轉(zhuǎn)會(huì)把測(cè)壓管內(nèi)的淤堵雜物攪動(dòng)松散或攪碎，然后在彎管噴出水流沖擊和管內(nèi)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(shí)，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(nèi)渦流共同作用下被返回水流攜帶至地面。

與此同時(shí)，彎管出出水口噴出的水流沖擊測(cè)壓管內(nèi)積水，使其在管內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而形成渦流。渦流可以對(duì)管壁和管底進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）清洗設(shè)備組成。進(jìn)行測(cè)壓管清洗作業(yè)所需設(shè)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(qū)動(dòng)測(cè)壓管自動(dòng)清淤裝置。壓力泵出口壓力一般根據(jù)測(cè)壓管清淤深度選擇，對(duì)于清洗深度小于20 m 的測(cè)壓管，壓力泵工作壓力為2～5 個(gè)大氣壓。夾布軟管可根據(jù)工作壓力進(jìn)行選擇。清洗裝置由旋轉(zhuǎn)軸承、射水驅(qū)動(dòng)裝置和螺旋鉆頭或噴嘴組成。

2）整體尺寸參數(shù)的選定。清淤裝置的整體尺寸是根據(jù)測(cè)壓管孔徑來進(jìn)行設(shè)定，須滿足：（1）清淤裝置能夠順暢地伸入和拔出測(cè)壓管，不會(huì)發(fā)生卡阻；（2）在深入測(cè)壓管內(nèi)后工作件能夠進(jìn)行清淤作業(yè)，彎管部位的外端與測(cè)壓管內(nèi)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(cè)壓管管壁之間的空隙。針對(duì)筆者實(shí)際中清洗的測(cè)壓管內(nèi)徑在50～70 mm 之間，設(shè)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(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)定。彎管參數(shù)的設(shè)計(jì)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(yōu)平衡點(diǎn)。通過CFD 軟件模擬并對(duì)比分析不同形狀、傾斜角度、彎曲弧度參數(shù)值對(duì)模擬結(jié)果，結(jié)合外部整體尺寸和制作加工的要求，擬定了一組設(shè)計(jì)參數(shù)值，如圖2 所示。

1.3 清洗作業(yè)流程

圖2 彎管參數(shù)設(shè)置圖

1）準(zhǔn)備工作。將清洗裝置經(jīng)夾布軟管與壓力泵連接，并確保管路通暢。調(diào)試壓力泵，確保管路不漏水，設(shè)備可以正常工作。2）啟動(dòng)壓力泵，泵送壓力水，觀察到清洗設(shè)備開始旋轉(zhuǎn)并轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，將設(shè)備通過夾布軟管慢慢下放到測(cè)壓管內(nèi)，直到不能繼續(xù)下放為止。3）調(diào)整壓力泵壓力，使其控制在20～50 kPa 范圍。清洗過程中會(huì)看到有渾濁的水從測(cè)壓管下部返上來，每隔1～2 min 上下提動(dòng)幾次夾布軟管，直至返水清澈，不再出現(xiàn)渾濁為止。4）觀測(cè)測(cè)壓管可量測(cè)的底部高程是否與設(shè)計(jì)高程相對(duì)應(yīng)。如果底部高程滿足要求可以進(jìn)行注水試驗(yàn)，測(cè)試測(cè)壓管的靈敏度。如果不滿足要求，則需要繼續(xù)進(jìn)行清洗作業(yè)。

2 清洗效果

水力驅(qū)動(dòng)測(cè)壓管自動(dòng)清淤裝置利用野外工程現(xiàn)場(chǎng)的條件，用水作為傳介質(zhì)，就地取材，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，需要的操作空間小，能更好地適應(yīng)各種復(fù)雜的野外環(huán)境。相比傳統(tǒng)的水沖法，水力驅(qū)動(dòng)測(cè)壓管自動(dòng)清淤裝置清洗測(cè)壓管操作更加簡(jiǎn)單；對(duì)加壓設(shè)備的要求更低，能耗更少；能對(duì)測(cè)壓管壁進(jìn)行有效的清洗，能快速破碎并清洗出測(cè)壓管內(nèi)板結(jié)淤積物，清洗效率更高；裝置采用了壓力軟管進(jìn)行壓力水輸送，相比于水沖法的硬管能防止硬管在測(cè)壓管內(nèi)彎曲而發(fā)生卡阻現(xiàn)象。2018 年10 月在對(duì)李家岸引黃閘和豆腐窩引黃閘的四支測(cè)壓管清淤修復(fù)工作中，使用了該套清洗設(shè)備進(jìn)行清洗，四支測(cè)壓管清洗全部清洗到設(shè)計(jì)深度，并全部恢復(fù)了滿足工程要求的靈敏度。