专利名称：高效水库泥沙自动清淤机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于水库、大坝内泥沙的清淤装置，特别涉及一种可以自动快速清除水库内泥沙，增加有效库容，确保水库正常运行，延长水库使用寿命的高效水库泥沙自动清淤机。
背景技术：
水库泥沙问题直接影响到水库的使用寿命及综合效益，甚至会危及大坝安全，尤其是多泥沙河流上修建的水库泥沙问题更为突出；清除水库中的淤积泥沙是养护水库及大坝的重要途径。水库泥沙清淤是一个遍及全球的难题，世界上诸多的大、中型水库由于泥沙问题得不到有效解决而造成最终报废或即将报废；我国目前最大的三峡大坝与小浪底工程，也同样面临着泥沙浚淤问题。目前，清除库区淤积的泥沙主要有以下几种技术方案(1)、排沙孔排沙技术这是目前许多大中型水库共同使用的一种排沙清淤方案， 当大坝建设时，在大坝底部，预留出一些大尺寸的孔洞，是作为汛期排洪和清除水库内泥沙的重要措述，其特点是流速快，排沙量大，可利用大坝水位高差所产生的巨大压力，只要打开排沙孔，不需要任何动力，就能快速清除泥沙，经济实用，效果明显。但是，存在的缺陷是只能排出坝前距离排沙孔较近的泥沙，却无法排出远离坝体的泥沙，尤其是对那些沉积在大坝纵深水域的泥沙难以真正起到清淤的作用，而且还制约了排沙孔的排沙作用。(2)、蓄清排浑技术是指“汛期泄洪排沙，保持低水位运行；非汛期蓄清水运用， 保持高水位运行”；这样可以大量减少库内泥沙的淤积量。目前三峡大坝上就应用了这一技术方案，蓄清排浑就是利用了三峡水库中巨大的入库水量，通过大坝原有的23个低高程， 大尺寸泄洪深孔，在每年汛期水库水位维持在145米时，将大量泥沙由深孔泄洪排出库外， 实现排浑；汛末，来水中含沙量降低，水库蓄水至175米的正常蓄水位，实现蓄清。这一设计从表面看来，三峡大坝泥沙似乎并不成为问题，据有关方面的报道，24年前对三峡大坝的论证中，泥沙组最后给出的结论是，水库运行100年后，防洪库容可保留85 %。三峡工程蓄水以来，水库排沙比达到40%，超出工程设计预计一成。也就在这一资料公开发表的同时，另一数据也让人感到不容乐观，在三峡大坝修建之前，宜昌站多年平均输沙量为5. 21亿吨， 但在三峡工程蓄水后，由于上游寸滩站来沙量大幅减少，加上三峡水库拦蓄，宜昌站多年平均输沙量下降至0. 67亿吨，上游来沙量的悄然变小，让三峡工程的泥沙问题逐渐被淡化。 但是，从坝前到坝尾，上百公里的距离，江水一旦进入库区，流速会迅速减小，随着流速的减小，水中所含的大量泥沙会快速下沉；据统计，有80%以上大颗粒的泥沙会沉积在大坝尾部，而颗粒较小的沙子也会在缓慢流速下，逐渐下沉，因此，真正能流到坝前并从排沙孔流出的，其实是泥多而沙少，值得人们思考的是，单靠蓄清排浑，是很难解决大坝泥沙清淤问题的，因此，这一技术方案，还存在诸多问题，未知的领域和因素还很多。而且，在汛期为了达到蓄清排浑的目的，大坝不得不降低水位，虽然有利于蓄清排浑，却使得大坝的防洪能力大打折扣，当低水位运行时，也不利于大坝全负荷发电，直接影响到大坝的综合经济效益。(3)、泥沙扰动技术一是利用水下高压射流或脉冲射流扰沙，二是利用机械设备搅动床沙并抽取泥浆喷洒回水中，进行双重扰沙。此技术是与排沙孔排沙和蓄清排浑配合使用的新技术，就是利用机械装置，扰动库底泥沙，在动力作用下，增大水库浑浊层厚度，泥沙含量以及加大坝前淤积河床纵比降，使细泥沙排泄出库，排沙效果比较明显；但存在水下作业难度大，设备复杂，动力需求大，排沙成本高等缺陷。0)、大型潜吸式扰沙船扰沙排沙是在调水调沙期，将潜吸式扰沙船自库区溯源冲刷可能波及的边缘地带开始，利用扰沙船将电动抽沙泵沉入库底绞动淤沙，被扰动的一部分泥沙借助高速脉冲射流的驱动形成人工异重流(含沙量600-800kg/m;3)随库区水流被带向坝前漏斗区，产生溯源和沿程冲刷，并经大坝排沙底孔出库，一部分泥沙则借助潜水抽沙泵以高浓度泥浆形式抽吸经管道输送至坝前，借助虹吸原理翻越大坝，排出库外，与水库泄水混合向下游输送。其技术排沙效果明显，但投入很高，作业难度大，消耗功率巨大，成本高；据有关资料报道，根据小浪底水库淤积特点，如果采用这一技术排沙，据权威专家测算， 每年用于排沙方面的电费为5346万元，还有综合成本2000万元，机械使用等费用最终年清淤费用为7346万元，单位泥沙清淤成本费为1.063元/m3，这是一笔巨大的开支，直接影响到水库的经济效益。综上所述，原有技术中的排沙孔都是固定在坝体底部，当打开排沙孔时，只能在排沙孔附近产生巨大的压力，将排沙孔附近的泥沙快速排出坝外；但是，将排沙孔固定不动的设计，对于远离排沙孔的泥沙，根本无法排出；人们为了排沙出库，不得不花大量的资金，采用各种办法把远离排沙孔的泥沙先输送到排沙孔跟前，想方设法的驱动泥沙向大坝排沙孔跟前流动，最后从排沙孔排出，这样不但大大增加了排沙难度，也使排沙成本成倍的增加， 因为现有的所有设备，在清淤泥沙时都需要消耗巨大的电能，即用来扰沙，又要用来冲沙， 费用非常巨大，在这一思路指导下的排沙，不但成本高，而且效率也低。
发明内容本实用新型的目的是针对上述技术存在的问题，经过长期反复试验比较，改变了原有技术“驱沙到坝前，然后排沙出库”的老思路，设计改进提供一种让“排沙孔移动而泥沙不动”新的排沙技术的高效水库泥沙自动清淤机；该装置是在不需要动力的情况下，利用大口径的排沙管向水库纵深延伸，让排沙孔直接上移到需要排沙的工作面上，与库区纵深泥沙零距离接触，不但可以清除坝前排沙孔附近的泥沙，而且还可以清除远离排沙孔的泥沙， 具有非常明显的排沙效果。本实用新型的技术方案是这样实现的一种高效水库泥沙自动清淤机，主要由泥沙清淤机部分和水下排沙管道部分所构成；泥沙清淤机部分由大坝坝体，拖船，浮箱，钢缆，水下探测器，排沙管总管，防堵器， 清淤机本体，沉沙池，吸沙管，清淤机钻头，排沙管出口总间构成；其拖船与浮箱连接并通过钢缆与清淤机本体相连接，拖船的下端装有吸沙管，吸沙管的下端安装有清淤机钻头；排沙管总管的一端连接清淤机本体，另一端直接与水库坝体外所设置的沉沙池连通，清淤机本体的前部安装有防堵器，其后部连接水下探测器；在排沙管总管靠近坝体外的出口处设置有排沙管出口总闸；水下排沙管道部分由排沙管总管，排沙管分管浮箱，排沙管分管，水库泥沙，水库清水区，排沙管分管间门，水库排沙孔构成；排沙管总管设置在坝体底部，并直接穿过水库原有的排沙孔，延伸至大坝坝体外，在排沙管总管的管道上设置有数根距离相等的排沙管分管，并与排沙管总管相连通，在排沙管分管的每个入口处均设置有排沙管分管浮箱，在排沙管分管浮箱的下面均设置有排沙管分管闸门。所述在钢缆内设置有通讯导线。本实用新型与现有技术相比其显著特点是1、该装置采用了 “沙不动而让排沙孔移动”的全新设计理念，即把排沙孔从原来固定在坝底的方案，改进设计为利用大口径的排沙管根据排沙需要任意向库内纵深延伸加长，使排沙管直接穿通的排沙孔与库区纵深泥沙零距离接触的新方案，以动态的形式，让排沙孔可根据库内泥沙的需要直接上移到需要排沙的工作面上，排沙时，打开排沙管出口总闸，在高水压作用下，泥沙就会从清淤机入口处快速进入排沙管，并在强大压力下将泥沙快速排除，从而解决了排沙孔上移的难题。2、该装置克服了原有技术中先用高压设备，扰沙，形成异重流，输送到坝前漏斗区后，再将泥沙排出库外的缺陷，采用了在库底安装好排沙管，再连接清淤机，打开排沙管出口总闸，在水库高水位的巨大压差作用下，不需要其他动力，就能快速而高效的清除大坝内的泥沙，与现有泥沙清理设备相比，清沙效率高，清淤泥沙的效果明显。3、该装置采用了沉沙池的设计，将沉沙池设计在大坝的下游，排沙总管直接通向沉沙池中，为排沙取沙方便，也可设计多个沉沙池，通过排沙管把从大坝中排出的含沙量 60%以上的水泥沙混合物直接输向沉沙池，在水流的冲击下，沙子自动沉积在沉沙池中，当装满一个沉沙池后，排沙管可向另一个沉沙池中装沙；在对水库泥沙进行综合治理的同时水泥沙混合物也得到了充分开发和利用，这些上好的水洗沙不但可以化害为利，变废为宝， 而且可以产生巨大的经济效益。4、该装置通过大口径排沙管，把排沙孔向库区纵深上移的设计，当遇到巨大洪峰来临时，利用拖船把清淤机从除沙工作面移开，此时浮箱就会把清淤机悬浮于水中，只要最大限度的打开排沙管出口总闸，由于排沙管进水口处于远离大坝的库内纵深区，江水会从库区深处直接进入排沙管排出库外，使汛期增加了泄洪量，即使泄洪时，巨大的水流所产生的冲击力，都不会对大坝坝体造成直接冲击，能确保快速泄洪降低水位，有利于保护大坝的安全。5、该装置构造简单，可操作性强，降低了排沙费用，减少了除沙成本，也减少了人力物力的投入，提高了可观的经济效益和显著的社会效益。
图1是本实用新型整体结构连接示意图图2是清淤机与排沙管总管道及分管道的连接示意图图3是清淤机结构连接示意图图4是排沙管主管道和分管道的结构示意图图中，1-大坝坝体、2-拖船、3-浮箱、4-钢缆、5-发电装置、6-水下探测器、7-排沙管总管、8-防堵器、9-清淤机本体、10-沉沙池、11-排沙管分管浮箱、12-拖船钢架、13-吸沙管、14-清淤机钻头、15-排沙管分管、16-水库泥沙、18-水库清水区、19-排沙管分管闸门、20-水库排沙孔、22-排沙管出口总闸；
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型作详细说明实施例1高效水库泥沙自动清淤机，它由泥沙清淤机部分和水下排沙管道部分所构成；泥沙清淤机部分由大坝坝体1、拖船2、浮箱3、钢缆4、水下探测器6、排沙管总管 7、防堵器8、清淤机本体9、沉沙池10、吸沙管13、清淤机钻头14、排沙管出口总闸22等构成。拖船2与浮箱3连接并通过钢缆4与清淤机本体9相连接；排沙管总管7的一端连接清淤机本体9，另一端直接与水库坝体外所设置的沉沙池10连通；拖船2的下端装有吸沙管13，吸沙管13的下端安装有清淤机钻头14 ；清淤机本体9的前部安装有防堵器8，其后部与水下探测器6连接，在排沙管总管7靠近坝体外的出口处设置有排沙管出口总闸22(参见图1、图2、图3所示)。上所述的拖船2是用于运送清淤设备和作业人员到清淤泥沙现场；所述浮箱3可使设备不沉入水中，再次作业时，能快速的把钢缆与拖船相连接；另外，当清淤机本体9吊离水下泥沙区后，可以利用浮箱的浮力，让水下清淤设备悬浮于水中，防止被泥沙埋没，同时，漂浮在水面上的浮箱还起到作业面标记的作用，通过浮箱，能很快找到水下清淤机所处的位置，有利于清淤工作的正常进行。所述钢缆4的作用就是连接拖船2与水下清淤设备， 承担着把清淤机从拖船送到水下工作面的重要任务，同时，可通过钢缆中的通讯导线，把水下作业面的信息通过通讯导线传递到拖船上作业控制室的电脑显示屏，以便看清楚水下作业面的情况，为水面操作人员正确操作提供重要数据；另外，当清淤机需要移动工作面时， 水面拖船可以在这根钢缆4的作用下，拉动水下清淤机到新的工作面。所述水下探测器6 具备摄像、照明、信息传递等功能，可探测水下作业面的情况，随时反馈水下作业面的操作信息。所述排沙管总管7是实现让排沙孔移动而泥沙不动原理的重要设备，其作用就是把进入清淤机的泥沙直接排出坝外。所述防堵器8作用是防止进入清淤机的泥沙含量太高， 造成排沙管堵塞，可有效的让泥沙和水按一定的比例进入清淤机内，增大排沙量，保证泥沙在排沙管内的流速。所述沉沙池10用于收集从排沙管中排出的沙子。所述排沙管总闸22 作用就是切断和打开排沙管总管。具体实施方案是，在改进已修建成的大坝上，安装新型清淤机，利用现有的大坝排沙孔20 (参见图2所示)，使清淤机的排沙管总管7直接从大坝排沙孔20穿过，延伸至大坝坝体1外，然后封闭大坝排沙孔的四周缝隙，保证排沙和排洪时，水流都能从排沙管中直接流向坝体外，然后根据排沙的需要，在坝体底部辅设大口径排沙管总管7和排沙管分管 15(参见图4所示)，直到排沙管总管7与清淤机到达除沙工作面的长度，当需要清理泥沙时，先用拖船2把清淤机轻轻提起，脱离工作面2-3米，是为了防止大量泥沙突然进入清淤机造成堵塞，然后再通知排沙管出口总闸操做人员打开排沙管出口总闸22，这时，在巨大水压作用下，大坝内的清水会从距作业面2-3米的清水区进入排沙管总管7中，在强大压力下，快速通过排沙管总管7流向坝外，当排沙管出口总闸操做人员看到从排沙管总管7喷出
6的水流平稳，压力稳定后，通知拖船上的工作人员，再操做设备，慢慢的把清淤机下放到具有大量泥沙的坝底工作面，这时，清淤机入口处会产生两种巨大的力，一是由于一百多米高的大坝水压所产生的压力，二是来自排沙管总管7内快速流动而产生的巨大吸力，这两种力同时作用于清淤机入口处，清淤机入口附近的泥沙，就会在两种力的作用下，自动而快速的被压入排沙管总管7中，并在水流的带动下，通过排沙管总管7冲出坝外，从而完成清理泥沙的目的。当这一区域的泥沙清理完成后，远处的泥沙不能被清淤机自动吸入排沙管总管7排出坝外时，开动拖船2，让拖船2拖动清淤机在坝底沿大坝横向扇形移动，当清理完所有清淤机能到达区域的泥沙后，为了清理库区纵深地带的泥沙，就要把清淤机从水下吊出水面，然后连接更长的排沙管，这样，就可以清理水库纵深的泥沙了，当一天工作完成时， 由拖船2上的操作人员首先把清淤机吊离工作面2-3米，让不含泥沙的清水直接进入排沙管总管7中，这时，在巨大压力下，水流会把排沙管总管7中的泥沙全部冲刷干净，以防止管内未排干净的泥沙对排沙管总管7造成堵塞，当排沙管出口总闸工作人员确认排沙管总管 7中排出的全是清水后，再关闭排沙管出口总闸22，则完成了一天的工作量。经过多次实验证明，清沙效果非常明显；而且，由于坝底泥沙通过清淤机进入排沙管总管7后以水平运动的方式直接排出库外，所以，泥沙在排沙管总管7内运动时，所造成的动能损失非常小，只要操做合理，保证进入排沙管总管7中最合适的水沙比例，就不会造成对排沙管总管7的堵塞，就能在不需消耗其它动能的情况下，达到快速高效清除水库泥沙的目的。实施例2水下排沙管道部分由排沙管总管7、排沙管分管浮箱11、拖船钢架12、排沙管分管 15、水库泥沙16、水库清水区18、排沙管分管闸门19、水库排沙孔20等构成；所述排沙管总管7设置在坝体底部，并直接穿过水库原有的排沙孔20，延伸至大坝坝体1外；在排沙管总管7的管道上设置有数个距离相等的排沙管分管15，并与排沙管总管7相连通，在排沙管分管15的每个入口处均设置有排沙分管浮箱11，在排沙管分管浮箱11的下面均设置有排沙管分管闸门19 (参见图2、图4所示)。上所述的排沙管分管浮箱11和排沙管分管15，是为了扩大排沙范围，而从排沙管总管7上分设的多根分管，有了这些分管，拖船2就可以在库内任何地方根据需要而清理泥沙了，若在那个区域清理泥沙时，只要把拖船2开到需要除沙的排沙管浮箱跟前，就可与那个区域的分管相连接，关闭其它排沙管分管闸门19，打开需要作业的排沙管分管进水口，然后把清淤机放入水下工作面，就可以快速清理泥沙了。此实施方案是为了解决水下作业的不便而设计，当施工时，按照清沙需要，提前在坝底铺设一条大口径的排沙管总管道7，然后沿坝底向四周扩展，铺设多根排沙管分管15， 每根间距可为5-20km，并且在每一根排沙管分管15的入口处装有浮箱11，在浮箱11的作用下，使每一根排沙管分管15能够露出水面，这样更有利于拖船2找到需要清理泥沙的分管所在位置，当一个区域的泥沙清理完成后，可以很快的找到下一个排沙管分管15所处的位置，只要在排沙管分管15入口处安装清淤机，然后放入水下清沙工作面，就可以继续清沙了，另一方面，为了使操做人员在水面也能进行泥沙清理工作，还可以在拖船2的下端安装一根吸沙管13，就象石油钻井机一样，在吸沙管13下端先装接清淤机钻头14，然后一根一根的连接多根排沙管分管(参见图2、图4所示)，直到与除沙工作面接触，关闭其它排沙管分管闸门19，然后，打开排沙管总管出口总闸22，让清水先进入泥沙清淤机，在强大压力作用下，在管内形成高速流动的水流，由拖船2上的工作人员利用拖船钢架12在钢丝绳的作用下，把清淤机缓慢放到需要清沙的工作面；此时，泥沙的运动方向与实施例1水平运动的方式有所不同，淤积泥沙首先通过清淤机入口，上行进入吸沙管13，然后下行进入排沙管分管15，再下行进入排沙管总管7，最后经过大坝排沙孔20排出大坝(参见图2所示)，从而完成泥沙清淤工作。 此实施例最大的优点是人们可以在水面直接操作，对排沙管总管7可进行加长作业，而且利用拖船2上的动力，可以对那些沉积很久，比较坚硬的，不易被清淤机自动清理的泥沙，可先用钻头钻开松动后，再进行清理，同时，当排沙管总管7不够长时，可以利用拖船2上的起重装置，提起拖船2下面连接的排沙管13，然后象石油钻井的钻杆一样，一根一根的连接，操作非常方便，使清沙作业简单易行。但是，因为这种操作中，泥沙在吸沙管13 中有一段上行的过程，这会造成一定的动能损耗，因而从排沙管总管7出口排出泥沙时的压力会比实施例1中的压力有所减小；但通过实验证明，排沙效果还是很明显，而且在水的压力作用下，不需要消耗太多的动能，仍然能够实现清理大坝泥沙的目的，同时还可以专门用于清理那些颗粒较小，沉积时间长久，结块难以被清淤机直接排出的泥沙。
权利要求1.一种高效水库泥沙自动清淤机，其特征在于它由泥沙清淤机部分和水下排沙管道部分所构成；A、泥沙清淤机部分由大坝坝体(1)，拖船O)，浮箱(3)，钢缆，水下探测器(6)，排沙管总管(7)，防堵器(8)，清淤机本体(9)，沉沙池(10)，吸沙管(13)，清淤机钻头(14)，排沙管出口总闸02)构成；其拖船⑵与浮箱(3)连接并通过钢缆⑷与清淤机本体(9)相连接，拖船O)的下端装有吸沙管(13)，吸沙管(13)的下端安装有清淤机钻头(14)；排沙管总管(7)的一端连接清淤机本体(9)，另一端直接与水库坝体外所设置的沉沙池(10)连通， 清淤机本体(9)的前部安装有防堵器(8)，其后部连接水下探测器(6)；在排沙管总管(7) 靠近坝体外的出口处设置有排沙管出口总闸02)；B、水下排沙管道部分由排沙管总管(7)，排沙管分管浮箱(11)，排沙管分管(15)，水库泥沙(16)，水库清水区(18)，排沙管分管闸门(19)，水库排沙孔OO)构成；排沙管总管(7) 设置在坝体底部，并直接穿过水库原有的排沙孔(20)，延伸至大坝坝体(1)外，在排沙管总管(7)的管道上设置有数根距离相等的排沙管分管(15)，并与排沙管总管(7)相连通，在排沙管分管(1 的每个入口处均设置有排沙管分管浮箱(11)，在排沙管分管浮箱(11)的下面均设置有排沙管分管间门(19)。
2.根据权利要求1所述的高效水库泥沙自动清淤机，其特征在于所述在钢缆内设置有通讯导线。
专利摘要本实用新型涉及一种高效水库泥沙自动清淤机，由泥沙清淤机和水下排沙管道所构成；其拖船与浮箱连接并通过钢缆与清淤机连接，排沙管总管的一端连接清淤机，另一端直接与水库外的沉沙池连通，排沙管总管设在坝体底部，并直接穿过原有的排沙孔，延伸至坝体外；拖船的下端装有吸沙管，吸沙管的下端装有清淤机钻头；清淤机的前部安装有防堵器，防堵器的后部连接水下探测器，在排沙总管的出口处设置有出口总闸；在排沙管总管上设有多根等距离的排沙管分管，并与排沙管总管连通，在分管的入口处均设有分管浮箱，在分管浮箱的下面均设有分管闸门；该装置具有不需要动力，快速高效清除泥沙，排沙效果明显，可确保水库正常运行，延长水库使用寿命的特点。
文档编号E02F5/28GK202007433SQ20112008450
公开日2011年10月12日 申请日期2011年3月26日 优先权日2011年3月26日
发明者李新泉, 李琦伟 申请人:李新泉, 李琦伟