一种大坝淤积三角洲水下选砂装置及选砂工艺 |
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申请号 | CN202310796835.1 | 申请日 | 2023-06-30 | 公开(公告)号 | CN116689135A | 公开(公告)日 | 2023-09-05 |
申请人 | 河海大学; 清华大学; | 发明人 | 朱伟; 周建军; 张曼; 钱勇进; 侯豪; 林小蔚; 刘环; | ||||
摘要 | 本 发明 涉及库区泥沙淤积清理领域,公开了一种大坝淤积三 角 洲 水 下选砂装置及选砂工艺,工艺包含三个步骤:步骤一,取样分析入库颗粒组成,确定特征颗粒;步骤二,通过勘探设备确定库尾淤积三角洲的范围以及决定坡降的关键部位;步骤三,利用选砂装置对关键部位的特征颗粒进行筛选并清除。本发明能够以较低的成本和较小的工程量解决库尾淤积问题,能够极大的提高水库库尾淤积问题的治理能 力 和治理效率,对水库长期安全运行有重要意义。 | ||||||
权利要求 | 1.一种大坝淤积三角洲水下选砂装置,其特征在于:包括作业船体、悬砂选砂机构、采砂机构和砂土容器,砂土容器固定设置于船体上; |
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说明书全文 | 一种大坝淤积三角洲水下选砂装置及选砂工艺技术领域[0001] 本发明涉及库区泥沙淤积清理领域,具体涉及一种大坝淤积三角洲水下选砂装置及选砂工艺。 背景技术[0002] 库区泥沙淤积是一个长期的堆积过程,每年泥沙淤积所引起的水库库容损失率接近1%。我国的大坝数量和质量都达到世界领先水平,仅黄河和长江干流上建成的大坝就达到了29座,随着大坝运行产生的库区淤积问题,使水库的各方效益下降,也带来了一系列的生态问题。 [0003] 淤积快慢决定于水沙条件和水库运行方式。在运行方式确定后,河道型水库最终都会建立类似冲积河流的平衡状态。水库淤积后导致回水上延,形成上延回水区,不仅会增加淹没范围,影响库尾通航,其对防洪库容的影响尤其严重。为了河流健康和大坝的永续利用,解决淤积问题十分必要。淤积三角洲顶坡或冲淤平衡坡降是决定水库淤积三角洲形态最重要的参数,决定这一坡降的重要因素就是淤积泥沙的水下休止角,泥沙休止角是泥沙堆积成丘时斜坡上泥沙颗粒不再滑动情况下坡面与水平面的交角,与泥沙颗粒大小、形状、密度及颗粒组成等因素有关,其中自然状态下泥沙颗粒的大小是主要的影响因素。 发明内容[0005] 本发明意在提供一种大坝淤积三角洲水下选砂装置,以解决现有库区清淤装置清淤工程量大,对库尾清淤效果有限等技术问题。 [0006] 为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:一种大坝淤积三角洲水下选砂装置,包括作业船体、悬砂选砂机构、采砂机构和砂土容器,砂土容器固定设置于船体上; [0007] 悬砂选砂机构包括第一牵引件和射流器,第一牵引件的一端固定设置于船体上,第一牵引件的另一端与射流器固定连接; [0008] 射流器包括多组射流组件,每组射流组件均包括射流器本体、高压水泵、振动器和若干个阀门,射流器本体为双圆锥体,射流器本体内开有多个通口和射流通道,一侧的通口为进水口,进水口处设置有高压水泵,其余通口为出水口,阀门设置在连接出水口的射流通道内,振动器固定设置在射流器本体内部; [0009] 采砂机构包括第二牵引件和抓斗,第二牵引件的一端固定设置于船体上,抓斗与第二牵引件的另一端固定连接。 [0010] 本方案的有益效果为: [0011] 1.采用射流器对砂粒进行筛选,通过振动作用使射流器进入砂层内部,再通过射流作用使砂层中粒径较小但占比较大的细小沙粒悬浮并随自然水流移动至下游地区,而后集中清除占比较小但粒径较大的大砂粒,总体清淤工作的工程量较小,操作时间短; [0012] 2.采用本方案清除并打捞上岸的大砂粒,总体粒径符合建筑行业用砂需求,可直接使用,节约了砂粒筛选的成本。 [0013] 进一步的,悬砂选砂机构还包括主进水钢管、两个附进水钢管和两个连接钢管,所述射流组件为四组,其中两组射流组件的进水口间通过附进水钢管连接,另外两组射流组件的进水口间通过另一附进水钢管连接,两条附进水钢管间通过主进水钢管连通,未通过附进水钢管连通的两组射流组件的出水口通过连接钢管连通。 [0014] 有益效果:能够提高悬砂选砂的工作效率,相同时间内更快的完成目标区域砂层的悬砂选砂工作,且能达到预期效果。 [0015] 进一步的,所述采砂机构还包括第一定位件,第一定位件固定设置在抓斗上。 [0016] 有益效果:由于第一牵引件在水中可能会由于水流作用在下降过程中偏离预定垂直目标,第一定位件可帮助抓斗精确定位,减少重复工作,提高采砂效率。 [0017] 进一步的,所述悬砂选砂机构还包括第二定位件,第二定位件固定设置在射流器本体内部。 [0018] 有益效果:可精准控制射流器着陆在沙层表面的具体位置,按照预期规划的选砂路径进行悬砂选砂操作,进一步提高选砂装置的工作效率。 [0019] 进一步的,所述悬砂选砂机构还包括高压电源,高压电源固定设置于作业船体上并与射流组件的高压水泵连接。 [0020] 有益效果:可以为射流组件的高压水泵提供持续稳定的高压稳定电流,使射流组件的工作效率大大提高。 [0021] 本发明的另一目的在于提供一种大坝淤积三角洲水下选砂工艺,其特征在于:包括以下三个步骤: [0022] 步骤一、确定特征颗粒:在库区范围内通过取样调查方式,分析该水库流域内入库颗粒的组成,基于悬沙沉降不同颗粒大小休止角不同的原理,确定决定该水库淤积三角洲坡降的特征粒径; [0023] 步骤二、确定关键部位:通过现场调查确定符合该特征粒径的泥沙在库尾淤积三角洲所分布的范围以及决定坡降的关键部位; [0025] 本方案的有益效果为: [0026] 通过广泛取样精准判定决定该库区库尾淤积三角洲坡降的特征颗粒,在通过人工和机械探测的方式确定淤积三角洲的范围和决定坡降的关键部位,最后针对粒径大于等于特征颗粒粒径的砂粒进行针对性清除,总体工作量小,可广泛长期推广实施,且取得的清淤效果能够达到预期,达到保护库区安全,保证库容和生态环境正常发展的要求。 [0027] 进一步的,所述步骤三机械筛选并清除包括以下步骤: [0028] S1:选定淤积三角洲坡降最陡处,将射流器通过第一牵引件放入砂层表面,启动振动器,开启射流器本体底部的射流通道的阀门,调节高压水泵以压力P1向下射流,使射流器垂直进入砂层内部一段距离L1后,停止振动及射流; [0029] S2:开启射流器本体顶部的射流通道的阀门,调节高压水泵以压力P2向上射流,使砂层里小于特征颗粒粒径的细颗粒排出到砂层上表面之上,在水底形成细颗粒浑浊层,颗粒粒径大于等于特征颗粒粒径的粗砂粒留在砂层中; [0030] S3:当砂层中细颗粒大部分被排出,关闭射流器本体顶部的射流通道的阀门,开启振动器,打开射流器本体侧部的射流通道的阀门,调节高压水泵以压力P1射流,使射流器在砂层内部水平移动一段距离L2后,关闭振动器,关闭射流器本体侧部地射流通道的阀门,重复S2操作,使射流器进行“弓”字型移动,直至选砂范围完全覆盖关键部位; [0031] S4:当细颗粒浑浊层大部分消散后,驱动第二牵引件释放抓斗,对处理后粒径大于等于特征颗粒粒径的砂粒进行精确抓取,并存放于砂土容器,每次抓取深度为L1。 [0032] 有益效果:使用本发明所给出的选砂装置,按照如上操作步骤进行悬砂‑选砂‑除砂操作,可最大效率的完成预定区域的除砂,并取得较好的效果,保证库尾的淤积三角洲不再发展并不再向坝前推进,保护库区安全和上游的生态环境正常发展。 [0033] 进一步的,所述特征颗粒的粒径范围为0.06‑2mm。 [0034] 有益效果:根据过往经验,我们大多数库区的主要沙砾组成中,决定三角洲坡降关键部位的水下休止角的沙粒粒径均在0.06‑2mm范围内,可有效减小前期确定特征颗粒时的工作量,同时避免异常出现的大粒径砂粒对工作的干扰。 [0036] 有益效果:振动频率保持在80‑100Hz,向下射流压力控制在10‑30kPa可有效将射流器下方的砂层向周围排开,是射流器进入砂层内部进行后续的悬砂选砂操作,同时不至于在“关键部位”的砂层造成过大的扰动,使原有的“关键部位”形态遭到破坏,影响后续选砂及除砂操作高效推进,同时在后续选砂时,10‑30kPa的压力足以使“特征颗粒”粒径以下的砂粒在水流作用下排至砂层以上悬浮或随自然水流冲至下游地区。 [0037] 进一步的,所述L1为1‑1.5m,当前砂层所处水深为H,P2的压力范围为[10*(H+L1)+40]kPa‑[10*(H+L1)+60]kPa。 [0039] 图1为本发明实施例中选砂装置的工作示意图; [0040] 图2为本发明实施例中选砂装置中射流组件的剖面图; [0041] 图3为本发明实施例中悬砂选砂机构中四组射流组件的组合结构示意图。 具体实施方式[0042] 下面通过具体实施方式进一步详细说明: [0043] 说明书附图中的附图标记包括:坝体1、河床2、砂层3、作业船体4、射流器5、进水口51、顶部射流通道52、上侧壁射流通道53、侧部射流通道54、下侧壁射流口55、底部射流通道 56、阀门57、振动器58、第二定位件59、抓斗6、高压电源7、砂土容器8、总进水口91、主进水钢管92、附进水钢管93、连接钢管94。 [0044] 实施例 [0045] 本方案用于对水库库尾的淤积三角洲进行清淤,由于坝体1对原有河道的阻拦,在库内尤其是库尾位置的水流速度比较缓慢,泥沙容易在河床2之上淤积形成水下三角洲,即在河床之上形成砂层3,砂层3的前部即淤积三角洲的洲前位置会逐渐向坝体1推进,进而影响库容并危及水库安全。 [0046] 淤积三角洲的冲淤平衡坡降是决定水库淤积三角洲形态最重要的参数,而决定这一坡降的重要因素就是淤积泥沙的水下休止角,泥沙颗粒的大小是决定水下休止角大小的最重要因素,所谓特征颗粒即一定粒径范围内对应本库区占比最高的泥沙颗粒,将粒径大小大于等于特征颗粒的砂粒针对性清除即可解决泥沙在河床2堆积形成三角洲并持续向坝体1前推进的问题。 [0047] 一种大坝淤积三角洲水下选砂工艺,包括以下步骤: [0048] 步骤一:通过现场取样的方式调查目标库区内的砂粒组成,确定粒径在0.06‑2mm的范围内哪种砂粒的占比最高,即确定为特征颗粒; [0049] 步骤二:通过声呐等手段,确定库尾淤积三角洲的具体位置和决定坡降的关键部位; [0050] 步骤三:运用选砂装置对关键部位的特征颗粒进行筛选并清除。 [0051] 实施例所采用的选砂装置基本如附图1‑3所示,如图1所示的一种大坝淤积三角洲水下选砂装置,包括作业船体4、悬砂选砂机构、采砂机构和砂土容器8,砂土容器8固定设置于作业船体4上,悬砂选砂机构包括高压电源7、第一牵引件和多组悬砂选砂组件,第一牵引件固定端焊接在作业船体4上,每组悬砂选砂组件均包括射流器5,射流器5包括射流器本体、高压水泵、振动器58、第二定位件59和多个阀门57,射流器本体内开有射流通道,顶部开有顶部射流通道52,周向开有进水口51和三个侧部射流通道54,底部开有底部射流通道56,上部圆锥体侧壁开有四个上侧壁射流通道53,下部圆锥体侧壁开有四个下侧壁射流通道55,阀门57设置于各个射流通道内,各射流通道间均连通,振动器58和第二定位件59固定设置与射流器本体内部,本实施例中射流组件为4组,还包括主进水钢管92、两个附进水钢管 93和两个连接钢管94,主进水钢管92两端与两根附进水钢管93的中部连接并形成通路,主进水钢管92中部开有主进水口91,高压水泵设置于主进水口91处并由高压电源7功能,两根附进水钢管93的两端分别于四个射流器的进水口51连通,未通过附进水钢管93连接的两个射流器5分别通过连接钢管94连接各自的侧部射流通道54,第一牵引件的活动端与主进水钢管螺栓连接。 [0052] 采砂机构包括第二牵引件和抓斗6,第二牵引件的固定端焊接于作业船体4上,第二牵引件的活动端与抓斗6固定连接,抓斗6上固定设置有第一定位件。 [0053] 所述第一牵引件、第二牵引件均为电动牵引索,第一定位件和第二定位件59均为GPS定位器。 [0054] 具体实施过程如下: [0055] S1:选定淤积三角洲坡降的关键部位,即坡度最陡处,驱动第一牵引件在第二定位件56的引导下将射流器5放入水深5m的砂层3处,开启振动器58按频率90Hz进行振动,开启底部射流通道56的阀门57,打开高压水泵并以20kPa压力向下射流,使射流器5垂直进入砂层3之下1m深处,停止振动并关闭底部射流通道56的阀门57; [0056] S2:开启射流器5的顶部射流通道52的阀门57,将高压水泵压力设定在110kPa向上射流,使砂层里小于特征颗粒粒径的细颗粒排出到砂层3上表面上,本实施例中特征颗粒粒径为0.15mm,即将粒径小于0.15mm的细颗粒排出到砂层3上表面上,在水底形成细颗粒浑浊层,粗颗粒留在砂层3中; [0057] S3:当砂层中细颗粒几乎被排出,关闭顶部射流通道52的阀门57,开启振动器58、侧部射流通道54的阀门57以及高压水泵,使射流器5在砂层内部水平向移动0.6m后,关闭振动及侧部射流通道54的阀门57,重复步骤S2进行悬砂选砂操作,直至在砂层内部以每段0.6m的移动距离完成同一平面的“弓”字型移动并完全覆盖关键部位; [0058] S4:当细颗粒浑浊层几乎完全随水流移动至下流后,即此时砂层3以上为清澈状态,通过第二牵引件释放抓斗6对处理后残存的余砂进行精确抓取,通过第一定位件对抓斗6的深度进行控制,每次抓取深度为1m,采集上岸的大粒径砂粒可以直接作为建筑材料再利用。 |