大管径排水管道清淤系统的设计与开发.pdf

2 5 4 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi ne r y De s i g n&Ma n u f a c t ur e 第 l 2期 2 0 1 2年 1 2月 文章编号 ： 1 0 0 1 3 9 9 7 ( 2 0 1 2 ) 1 2 0 2 5 4 0 3 大管径排水管道清淤系统的设计与开发 珠 翟俊 1 李华飞 关 东 黄河笑 刘石虎 叶文明 ( 1 重庆大学 城市建设与环境工程学院， 重庆 4 0 0 0 4 5 ； 2 中国市政工程西南设计研究总院， 成都 6 1 0 0 8 1 ； 3 重庆水 务集团股份有限公司， 重庆 4 0 0 0 1 5 ； 4 重庆市渝水水务机械有限公司， 重庆 4 0 0 0 5 1 ) Th e De s i g n a n d De v e l o p me n t o f a L a r g e Di a me t e r Se we r Cl e an i n g Sy s t e m Z HAI J u n ， L I Hu a f e i ， GUAN Do n g ， HUANG He - x i a o ， L I U S h i - h u 3 , YE W e n - mi n g 4 ( 1 C o l l e g e o f U r b a n C o n s t r u c t i o n a n d E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g ， C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 5 ， C h i n a ； 2 S o u t h we s t Mu n i c i p a l E n g i n e e r i n g De s i g n& Re s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a ， C h e n g d u 6 1 0 0 8 1 ， C h i n a ； 3 C h o n g q i n g W a t e r G r o u p C o ， L t d ， Ch o n g q i n g 4 0 0 0 1 5 ， Ch i n a ； 4 C h o n g q i n g Yu s h u i S h u i w u Ma c h i n e r y C o ， L t d ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 51 ， C h i n a ) ； 【 摘 要】 针对目 前大管径排水管 道缺乏适宜 清淤 技术的问 题，自 主设计开发了 一套大管径排水 ； 管道清淤系统， 该系统的设备样机已制作完成并在不同条件的实际管道中进行了应用。论述了该系统 l的总体结构和工作原理以及各组成部分的构造和功能， 介绍了应用实例并给出了应用效果数据。实践 i 证明， 该系 统设备操作简 便灵活， 适应性强， 清淤效果好， 且成本与运行费用低， 对环境影响小， 具有较 l高的应用和推广价值。 j i 关键词： 管道清淤； 清淤系统； 排水管道 l 【 A b s t r a c t 】 n o r d e r to a d d r e s s t h e p r o b l e m t h a t n o s u i t a b le te c h n o l o g y a r e a v a il abl e f o r t h e c l e a n in g 2 o f l a r g e - d i a m e t e r s e w e r s ， 口 n o v e l s e t of l ar g e - d i a m e te r s e w e r h y d r a u l i c c l e ani n g s y s t e m h a s b e e n d e s ig n e d l and d e v e lo p e d T h e p r o t o - m a c h i n e h as b e e n s u c c e s sf u l l y m a n u f ac t u r e d and a p p l ie d i n m u n ic ip a l s e w e r s i u n d e r d if f e r e n t c o n d i ti o n s in c h o n g q in g ， C h i n ca h s p e c ifi e s t h e s t r u c t u r e s ， o p e r at i o n p r i n c ip a l ， c o m p o n e n t s of e s 据 m 帆 d r f n c t e e ca ti。n re s 拈 of th e 凡 e sy ste m s 。 ed h at h e sy ste m c 吼 l ； b e h and l e d e as i l y an d fl e x i b l y ， a n d ap p l ie d in m a n y d if f e r e n t o c c as i o n s e d r e d g i n g s y s t e m a l s o h as t h e ；ad v ant a g e s ofg o o d d r e d gi n g e f f e c t ， fo m a n u f a c t u r e a n d o p e r at i o n c o s t ， a n d b e in g e n v ir o n m e n t - f r i e n d ly S o； 删 z h a y e p r o m is in g m a rk e t p r o sP e c ts h e re K e y Wo r d s ： S e w e r C l e a n i n g ； C le a n i n g S y s t e m； S e w e r ； 中图分类号： T H1 6 文献标识码 ： A 1引言 随着城市规模的不断扩大，城市排水管网的规模也越来越 大。 目前我国重庆、 北京、 上海、 广州、 天津等特大城市的排水管网 总长度都已超过 1 0 0 0 k m， 部分排水干管的管径已超过 3 0 m ” 。以 位于长江上游的山地城市一重庆为例， 截止 2 0 1 0年排水管网总 长度已达 2 1 4 9 k m，其中管径介于 ( 1 5 3 5 ) m，坡度介于 ( 0 3 0 5 ) 的大管径排水干管的长度达到 7 3 9 k m 2 。 污水从坡度大的排水支管流入坡度小的排水干管后流速减 小， 污水中携带的泥沙和悬浮固体物极易在坡度小 、 管径大的干 管中沉积下来。对于合流制管道， 设计流量是按照雨季雨污合流 的流量设计。 管道在旱季接纳的污水流量和管内污水流速均远小 于雨季值， 使得雨季可被污水带走的大颗粒悬浮物在旱季时沉积 下来 ， 容易引起管道淤积。目前国内外众多城市的大管径排水管 道都出现了不同程度的淤积问题， 淤积管道若不及时清理将会影 响居民健康和城市的正常运转。 目前国内外应用于排水管道的清淤方法主要有高压水射流 清淤法、 绞车清淤法、 水冲刷清淤法 ， 以及拦蓄冲洗门清淤目 等 方法。这些方法基本都是为小管径管道清淤而设计 ， 有些技术不 适合在大管径管道中应用， 有些技术在大管径排水管道运行时存 在运行成本过高、 清淤能力不足、 存在二次污染和不能适应复杂 地形条件等局限性。 以当前比较盛行的车载式高压水射流清淤法 为例， 由于其所配备的高压水射头相对于大管径排水管道断面来 说尺寸偏小， 所产生的高压水射流不能搅动整个管道断面内的沉 积物； 其造价和运行成本很高， 难于在普通的排水管道维护企业 中应用； 在清淤过程中需要消耗大量清洁水， 本身并不符合可持 续发展的理念， 而且冲击产生废水可能从检查井中溢出或倒灌人 排水支管， 容易造成二次污染； 由于需要配备一个大型储水箱， 该 车载系统庞大且沉重， 难于在交通不便的地区应用。目前我国部 分城市的大管径排水管道的清淤主要还是依靠工人进入管中进 行手动清除，清淤任务繁重且工人的人身安全受到很大威胁， 如 重庆就是靠工人进入管道通过铁锹和橡皮筏等工具来人工清除。 结合大管径排水管道的特点， 根据机械刮除和水力清淤原理， 开 发出一套适用于大管径( 管径I0 8 m) 排水管道的清淤技术和机 械设备， 并在不同条件排水管道中进行了清淤应用。 来稿 日 期： 2 0 1 2 0 2 0 3 基金项目： 国家科技重大专项“ 水体污染控制与治理” ( 2 0 0 8 Z X 0 7 3 1 5 0 0 1 0 3 ) 第 1 2期 翟俊等： 大管径排水管道清淤系统的设计与开发 2 5 5 2清淤系统的设计 2 1系统总体结构及工作原理 清淤系统主要由清淤小船、地上操作系统以及充气橡胶闸 门三部分组成。 清淤系统工作原理图， 如图 1 所示。 地面人员通过 地上操作系统控制管道中小船的清淤作业， 整个清淤过程可分为 四步： ( 1 ) 将充气橡胶球下放到工作管道下游管道进I= 1 中， 充气 ， 将工作管道内水位抬高至合适工作高度 ； ( 2 ) 将清淤小船从上游 检查井放入到工作管道中， 启动小船上的潜水搅拌机 ， 工作人员 在地上通过绞车来操控小船 ， 使小船在管中前后左右走动进行搅 动作业把管底的淤泥搅起， 并利用刮泥耙齿在小船往回拉的过程 中将板结淤泥和大块淤积物刮出管道。( 3 ) 小船搅动清淤和刮泥 作业完成后，迅速放掉充气橡胶球内的空气并将其拉出管道， 之 前在管道内蓄积的污水便快速流走，同时将搅起的泥沙冲出管 道。泥沙冲走后， 将耙齿刮至上游检查井的大块淤积物清掏出地 面。 第四步： 将充气橡胶球放到工作管道上游进E l 处， 充气将管道 进口堵住。 待工作管道上游管道内的污水蓄满后迅速放掉橡胶球 内的空气， 利用蓄积的污水形成的席卷流将工作管道内残留的大 颗粒石子等淤积物冲至下游检查井内。 冲刷完成后将下游检查井 内的淤积物清掏出地面， 一个管段的清淤作业完成。 图 1清淤系统工作原理图 F i g 1 F u n c t i o n Di a g r a m o f t he Cl e a n i n g S y s t e m 1 清淤小船 2 发 电机 3 电控柜 4 摄像机显示控制屏 5 绞车 6 绞车底座7 牵引缆绳 8 起吊架 9 导杆 1 O 滑轮 1 1 电缆线 l 2 空压机 1 3 放气阀 1 4 空气软管 l 5 充气橡胶球 l 6 橡胶球提绳 1 7 地面 1 8 工作管道 1 9 上游检查井 2 0 下游检查井 大管径排水管道清淤系统基于以下思路进行设计，并且已 经获得了 “ 大管径污水管道清淤系统” ( 专利号 ： Z L 2 0 0 9 1 0 1 9 1 0 4 1 - 2 ) 等4项发明专利授权 ： ( 1 ) 为了适应地形复杂、 车辆无法到达的工作地点， 清淤系 统采用化整为零的设计思路， 系统由多个结构紧凑、 重量轻、 便于 拆装搬运的部件组成， 如图 1 所示。 ( 2 ) 为了保护工作人员的人身安全 ， 避免人员进入管道中作 业， 系统采用清淤小船作为工作主体进入管中清淤， 工作人员地 上操控的工作方式， 操作简便安全。 ( 3 ) 为了清除排水管道中的泥沙类淤积物、 板结淤泥和大块 淤积物， 小船设计了刮泥耙齿将板结淤泥耙松并将大块淤积物刮 出管道， 采用高速潜水搅拌机将泥沙类淤积物搅起并利用水流冲 出管道。 ( 4 ) 清淤小船工作时需要合适的工作水深 ， 所以需要有水位 调节装置对管中水位进行调节， 此系统采用充气橡胶球堵在下游 管道进口，通过调节橡胶球的充气程度来调节管道的过水量， 从 而调节管道内的水深。 ( 5 ) 小船清淤作业完成并放水将搅起的悬浮泥沙冲走后， 管 道底部可能还会剩余耙齿未能刮除的大颗粒石子等淤积物， 需进 一 步清除。系统采用水力冲刷的方式， 利用充气橡胶球作为蓄水 放水装置， 将其放到工作管道进 口充满气以堵住来水， 待上游管 道蓄满水后迅速放掉橡胶球内的空气， 利用产生的席卷流将淤积 物冲出管道。 ( 6 ) s b 船在管道中清淤作业需要工作人员在地面上对其进 行操作控制， 为此在地上操作系统中设计了两个绞车和两根牵引 缆绳 ， 通过操作绞车收放缆绳来控制调节小船在管中清淤作业的 位置和方向。 同时放长或收回两根缆绳可控制小船在管中前进或 后退， 一松一紧可使小船在管中左右移动。 2 _ 2系统各组成部分构造及功能 2 2 1清淤 小船 清淤小船是系统清淤工作的主体， 构造及设备实物， 如图2 所示。小船由 一体式浮筒、 潜水搅拌机、 刮泥耙齿、 水下摄像机等 组成。 一22 21 图 2清淤小船构造及实物图 Fi g 2 S t r u c t u r e a n d P i c t o r i a l Di a g r a m o f t h e Dr e d g i n g Bo a t 2 1 浮筒 2 2 缆绳接头 2 3 浮筒内部传力钢筋 2 4 潜水搅拌机 2 5 刮泥耙齿 2 6 耙齿拉簧 2 7 冰 下摄像机 一 体式浮筒采用耐磨耐撞击的P E材质， 下腹部内凹， 浮筒 提供浮力使整个清淤小船悬浮于污水中工作， 浮筒体设计最大可 提供浮力为 7 4 5 N 。 潜水搅拌机安装于浮简下腹部内凹空间内， 用 于搅动产生冲刷水流将管道底部淤泥搅起， 并给小船提供前行的动 力， 其转速9 8 0 r m i n ， 额定功率 l | l k W。刮泥耙齿安装于浮筒的前下 方，在小船受牵引缆绳拉力作用下向后行驶的过程中耙齿张开， 将 管底的板结淤泥耙松并将大块淤积物刮至上游检查井内。 为了提高 刮泥效果， 耙齿耙身设计为弧形， 采用不锈钢材质。 水下摄像机安装 于浮筒的正前方， 自带强光源， 随着小船的行进实时检测管道内淤 积隋况和小船清淤隋况， 为工作人员地上操控提供参考。清淤小船 主要设计参数： ( 1 ) 整体外形尺寸( 长 宽 高) ： 0 9 m x 0 4 5 m x 0 6 m( 含 耙齿高度 0 3 m) ； ( 2 ) 总体重量： 5 7 0 N； ( 3 ) 额定功率： 1 1 k W。 2 - 2 2地上操 作 系统 地上操作系统主要用来操控清淤小船在管中进行清淤作 业 ， 由绞车及底座、 导杆、 牵引缆绳、 摄像机显示控制屏、 发电机、 电控柜及起吊架等组成， 如图 1 所示。 绞车及底座设计为一体式，