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摘 要：随着人类活动对环境的影响加剧，河流推移质和悬移质的泥沙不断增多，在建或已建的水电站经常遇到水库或尾水渠泥沙淤积的情况。大量的泥沙淤积将导致大坝冲砂闸或尾水渠检修闸无法正常开启或关闭，对水电站运行安全会带来严重影响，该文旨在介绍一种已在实践中得到成功应用的气力提升法，它是一种安全、快捷、高效淤沙处理方法，建议有条件的工程加以应用与推广。
关键词：水电站 泥沙淤积 气力提升法 运用实践
中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（c）-0020-02
随着人类活动对环境的影响的不断加剧，河流推移质和悬移质的泥沙逐渐增多，在建或已建的各型水电站经常遭遇到水库和尾水渠泥沙淤积的情况。大量的泥沙淤积可导致大坝冲砂闸或尾水渠检修闸被掩埋，无法正常开启或关闭，严重影响水电站的运行安全。如何安全、快捷、高效地处理泥沙淤积，保证闸门正常启闭，成了水电站运行和管理的一大难题。笔者从港口和航道疏浚中得到启发，将气力提升法运用至水电站泥沙淤积处理上，并取得了成功。现将该方法的原理和实践运用情况加以系统的介绍和总结，希望能在类似问题处理上得到应用和推广。
1 气力提升法原理与主要设备
1.1 气力提升法原理
气力提升法普遍用于港口和航道疏浚，是利用气流在管道中高速运动从而在管口附近产生负压，将管口周围的水体和泥沙吸入吸沙管中，随之在高速气流的带动下垂直和水平移动，最后在远离清淤点的排沙管出口排出，达到清理淤沙的目的。气力提升法原理如图1。
1.2 气力提升法主要设备
气力提升法清理组成设备（每套）如下。
（1）移动式空压机：额定功率50 kW以上，风压不小于1.0 MPa，具体配置可根据清淤量调整；
（2）高压气管：内径不小于Φ25 mm钢丝软管和末端U型弯头；
（3）吸沙管、弯管和排沙管：采用薄壁钢管制作，管径Φ250 mm，壁厚≤6 mm；
（4）浮桶或其它浮运结构，用于保持排沙管段浮出水面见图1；
（5）5 t手动葫芦：用于调整管路高程，保持吸沙管口与沙面近乎接触；
（6）15 kW高压潜水泵：用于扰动淤积时间长，已经板结的沙层。
2 设备制作安装、抽沙运行与注意事项
2.1 设备制作安装
首先制作吸沙管、弯管和排沙管。吸沙管、弯管和排沙管宜用管径Φ250 mm、壁厚≤6 mm薄壁钢管制作，管壁太厚或管径太大会导致整套管路过重，难以在水中提升或水平移动；吸沙管加工成长度为1～1.5 m左右的管节，以便随沙面变化处调整长度；弯管采用同直径的钢丝软管或钢管，如采用钢管应加工成95°左右弯管，弯管分节数≥5节，节数太少不利于水流和泥沙平顺通过，弯管容易磨损。推荐采用钢丝软管，便于调整吸沙管管口高度。排沙管可加工成3 m左右的管节，排沙管与浮桶或其他浮运结构绑扎，保持排沙管露出水面，排沙管水面水平段总长不宜>15 m，否则容易堵管。所有管节两端均采用法兰连接，以便拆卸。吸沙管、弯管和排沙管安装好后，通过手动葫芦悬挂于上部支架上或直接置于浮桶上，并用手动葫芦调整整套管路与沙面和水面的距离，保持吸沙管口与沙面近乎接触。高压气管一端与空压机出风口连接，另一端与制作成U型的弯头连接，用钢丝绑扎固定在吸沙管口。U型弯头应伸入吸沙管口内约40 cm，为加大风管口压力，可将U型弯管口变径缩小。
2.2 抽沙运行
整套管路和设备安装就位后，启动空压机，向吸沙管内送入高压气流，通过手动葫芦调整吸沙管口与沙面距离，保证吸沙管口与沙面近乎接触，控制管口距离沙面5 cm或稍小一些，但管口不能埋入沙面，否则会导致堵管。高压气流推动吸沙管内水流垂直和水平运动，在吸沙管口周围产生负压，将淤沙吸入管内，随水流排至预定地点。在吸沙过程中，由于沙面不断降低，应通过葫芦或浮桶调整吸沙管口高程，始终保持吸沙管口与沙面近乎接触，如沙面降低较多，则需增加吸沙管长度。如泥沙淤积时间较长或含有较多粘粒，泥沙层可能板结，此时可用高压潜水泵产生的高压水流冲击吸沙管周围沙层，将淤积沙层松动，这样再吸沙，其效果会更加显著。为减少风压损失，排沙管不能离开水面过高，一般保持在0～0.5 m，管口不没入水中即可。在抽沙过程中，应随时注意观察，如抽出的沙砾较多，则需稍微提升吸沙管管口，避免堵管，如抽出的沙砾较少，则需稍微降低吸沙管管口，保持管口与沙面近乎接触，保证抽沙效率。
2.3 使用注意事项
从上述介绍可知，气力提升法抽沙主要运用于水下抽沙。由于吸沙过程中需要利用高压气流推动周围水流流动，因此水面和沙面应有一定距离，一般宜保持有1 m以上的水深。如在抽砂位置的水深不足，可以直接用高压气流吹向沙面，在该部位形成一个具有一定水深的沙坑，即可继续抽砂。另外随着沙面降低，水深加深，水压将抵消高压气管出口的气压，因此，超过一定水深后，应换用额定风压更高的空压机，以保证抽砂效果。
3 气力提升法在工程实践中的运用
气力提升法首先在云南德宏州大盈江三级水电站中得到了成功运用。大盈江三级水电站汛期河水泥沙含量大，且当年电站在汛期未正常发电，缺少尾水顶托，大量泥沙、块石、树根在汛期内进入尾水渠，导致尾水检修闸门全部掩埋在泥沙和其他杂物下。经查探，闸门顶上泥沙掩埋深度竟达5 m，大大超过了尾水检修闸门正常开启条件。为开启闸门，必须对闸门上淤积的泥沙等杂物进行清除。
2007年8月24日，为保证闸门正常开启和水电站正常发电创造必要条件，笔者受命负责清除大盈江三级水电站尾水渠1#～4#尾水闸门淤沙。首先安排有关单位准备好相应管路、空压机、潜水泵和5t手动葫芦等设备，然后委托海科潜水队对尾水渠泥沙淤积情况进行了查探。发现尾水渠内树根、石块较多，同时由于淤积时间长，淤沙板结情况严重，因此决定由潜水队进行水下作业配合，确保顺利清除尾水闸门附近淤积物。 正式抽沙前，首先由潜水队员对闸门附近进行清理。利用手动葫芦将较大的块石、大树根等杂物移走或吊出水面，然后安装浮桶和管路，并将管路通过手动葫芦悬挂在上部支架上，同时控制管路好高度，保持吸沙管口与沙面近乎接触，随后开启高压潜水泵，再由潜水员在水下将高压水流对管口周围板结的淤沙进行扰动。当一切准备就绪后，开启空压机，向吸沙管内送高压风，随着高压气流通过管路，大量沙砾也随着水流被抽起排至尾水渠外。该工程整体抽沙系统运作十分成功，吸沙效率非常高，约有半管的泥沙随着水流排到河床中，拳头大的石块也被吸出，随河水流向下游。随着抽沙持续进行，吸沙管口周围很快就形成一个深坑，抽出的泥沙也明显减少，这时再通过手动葫芦降低吸沙管口高程，继续保持吸沙管口与沙面接触。潜水员则在水下继续用高压潜水泵产生的高压水流对深坑周围的沙层进行扰动，让沙砾与水流混合后进入吸沙管，吸沙管又恢复到高效率状态；随着抽沙持续进行，沙面不断降低，单靠手动葫芦牵引弯管段升降已无法保持吸沙管口与沙面接触，这时将管路系统提升出水面，吸沙管增加一个管节，调整至合适长度后放入水中继续进行抽沙。该工程经过7 d的连续抽沙，1#尾水闸门附近的淤沙基本清除，闸门也顺利开启提至尾水检修平台。2#～4#闸门也采用同样的方法很快顺利开启，为水电站正常发电创造了条件。
解决闸门开启难题后，又遭遇了闸门下放的难题。由于当年只有1#～2#台机组同时投入运行，尾水在暂未发电机组一侧产生漩涡，导致河床内泥沙又被带入，尾水闸门门槽底槛附近又淤积了一定厚度的泥沙，闸门无法正常下放关闭。此时气力提升法抽沙系统再次派上了用场，根据水深和沙面安装合适的管节后，潜水员直接将吸沙管固定在闸门门槽底槛附近抽沙。经过3 d连续抽沙，门槽底槛附近的沙已经全部抽完，潜水员再下水进行检查，确认门槽和底槛没有任何沙砾和杂物后，最后下放闸门，顺利到位，闸门后渗水量也很小，取得了完全成功。
4 结语
从大盈江三级水电站历次清理淤沙情况看，气力提升法系统抽沙十分成功。该工程在使用气力提升法系统前，曾多次采用潜水抽沙泵、离心抽沙泵进行现场抽沙试验，结果并不成功。抽沙泵则只能抽0～1 cm颗粒，且只能抽淤积均匀的沙层，对水库和尾水渠这类受洪水影响较大，沙砾淤积极不均匀的情况则根本不适用；挖泥船等大型设备虽然可以挖除各种淤沙，但成本较高和山区运输等条件限制，不能应用于尾水渠等场所。相比之下，气力提升法系统结构简单可靠，制作安装成本较低，抽沙粒径范围很大，从0～15 cm沙砾乃至石块和其他杂物均可以顺利抽出，抽沙效率很高，设备正常运行，每天可抽沙2 000 m3甚至更多。而且由于管内无任何机械结构，不容易堵管，即便有堵塞现象处理也很简单，只需用手动葫芦将管路升高一点，提离沙面即可。总之，和其他清淤方式相比，气力提升法系统比较适合山区水电站的水库和尾水渠等地点清淤，方法简单经济，值得推广。
参考文献
[1] Fujimoto H，Nagatani T.Effect of local pipe bends on pump performance of a small air-lift system in transporting solid particles[J].International Journal of Heat and Fluid Flow，2004，25（6）：996-1005.
[2] Yoshinaga T，Sato Y.Performance of an air-lift pump for conveying coarse particles[J].International Journal of Multiphase Flow，1996，22（2）：223-238.
[3] Khalil MF，Elshorbagy KA，Kassab SZ，et al.Effect of air injectionmethod on themical[J].Engineering Journal，2007（131）：273-280.
[4] 胡东，吴霞，唐川林，等.钻孔水力开采用气力提升装置的实验研究[J].机械科学与技术，2013，32（5）：756-761.
[5] 陈晨.钻孔水力开采工艺：开采地下矿产的新方法[J].世界地质，1998，17（4）：85-87.
关键词：水电站 泥沙淤积 气力提升法 运用实践
中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（c）-0020-02
随着人类活动对环境的影响的不断加剧，河流推移质和悬移质的泥沙逐渐增多，在建或已建的各型水电站经常遭遇到水库和尾水渠泥沙淤积的情况。大量的泥沙淤积可导致大坝冲砂闸或尾水渠检修闸被掩埋，无法正常开启或关闭，严重影响水电站的运行安全。如何安全、快捷、高效地处理泥沙淤积，保证闸门正常启闭，成了水电站运行和管理的一大难题。笔者从港口和航道疏浚中得到启发，将气力提升法运用至水电站泥沙淤积处理上，并取得了成功。现将该方法的原理和实践运用情况加以系统的介绍和总结，希望能在类似问题处理上得到应用和推广。
1 气力提升法原理与主要设备
1.1 气力提升法原理
气力提升法普遍用于港口和航道疏浚，是利用气流在管道中高速运动从而在管口附近产生负压，将管口周围的水体和泥沙吸入吸沙管中，随之在高速气流的带动下垂直和水平移动，最后在远离清淤点的排沙管出口排出，达到清理淤沙的目的。气力提升法原理如图1。
1.2 气力提升法主要设备
气力提升法清理组成设备（每套）如下。
（1）移动式空压机：额定功率50 kW以上，风压不小于1.0 MPa，具体配置可根据清淤量调整；
（2）高压气管：内径不小于Φ25 mm钢丝软管和末端U型弯头；
（3）吸沙管、弯管和排沙管：采用薄壁钢管制作，管径Φ250 mm，壁厚≤6 mm；
（4）浮桶或其它浮运结构，用于保持排沙管段浮出水面见图1；
（5）5 t手动葫芦：用于调整管路高程，保持吸沙管口与沙面近乎接触；
（6）15 kW高压潜水泵：用于扰动淤积时间长，已经板结的沙层。
2 设备制作安装、抽沙运行与注意事项
2.1 设备制作安装
首先制作吸沙管、弯管和排沙管。吸沙管、弯管和排沙管宜用管径Φ250 mm、壁厚≤6 mm薄壁钢管制作，管壁太厚或管径太大会导致整套管路过重，难以在水中提升或水平移动；吸沙管加工成长度为1～1.5 m左右的管节，以便随沙面变化处调整长度；弯管采用同直径的钢丝软管或钢管，如采用钢管应加工成95°左右弯管，弯管分节数≥5节，节数太少不利于水流和泥沙平顺通过，弯管容易磨损。推荐采用钢丝软管，便于调整吸沙管管口高度。排沙管可加工成3 m左右的管节，排沙管与浮桶或其他浮运结构绑扎，保持排沙管露出水面，排沙管水面水平段总长不宜>15 m，否则容易堵管。所有管节两端均采用法兰连接，以便拆卸。吸沙管、弯管和排沙管安装好后，通过手动葫芦悬挂于上部支架上或直接置于浮桶上，并用手动葫芦调整整套管路与沙面和水面的距离，保持吸沙管口与沙面近乎接触。高压气管一端与空压机出风口连接，另一端与制作成U型的弯头连接，用钢丝绑扎固定在吸沙管口。U型弯头应伸入吸沙管口内约40 cm，为加大风管口压力，可将U型弯管口变径缩小。
2.2 抽沙运行
整套管路和设备安装就位后，启动空压机，向吸沙管内送入高压气流，通过手动葫芦调整吸沙管口与沙面距离，保证吸沙管口与沙面近乎接触，控制管口距离沙面5 cm或稍小一些，但管口不能埋入沙面，否则会导致堵管。高压气流推动吸沙管内水流垂直和水平运动，在吸沙管口周围产生负压，将淤沙吸入管内，随水流排至预定地点。在吸沙过程中，由于沙面不断降低，应通过葫芦或浮桶调整吸沙管口高程，始终保持吸沙管口与沙面近乎接触，如沙面降低较多，则需增加吸沙管长度。如泥沙淤积时间较长或含有较多粘粒，泥沙层可能板结，此时可用高压潜水泵产生的高压水流冲击吸沙管周围沙层，将淤积沙层松动，这样再吸沙，其效果会更加显著。为减少风压损失，排沙管不能离开水面过高，一般保持在0～0.5 m，管口不没入水中即可。在抽沙过程中，应随时注意观察，如抽出的沙砾较多，则需稍微提升吸沙管管口，避免堵管，如抽出的沙砾较少，则需稍微降低吸沙管管口，保持管口与沙面近乎接触，保证抽沙效率。
2.3 使用注意事项
从上述介绍可知，气力提升法抽沙主要运用于水下抽沙。由于吸沙过程中需要利用高压气流推动周围水流流动，因此水面和沙面应有一定距离，一般宜保持有1 m以上的水深。如在抽砂位置的水深不足，可以直接用高压气流吹向沙面，在该部位形成一个具有一定水深的沙坑，即可继续抽砂。另外随着沙面降低，水深加深，水压将抵消高压气管出口的气压，因此，超过一定水深后，应换用额定风压更高的空压机，以保证抽砂效果。
3 气力提升法在工程实践中的运用
气力提升法首先在云南德宏州大盈江三级水电站中得到了成功运用。大盈江三级水电站汛期河水泥沙含量大，且当年电站在汛期未正常发电，缺少尾水顶托，大量泥沙、块石、树根在汛期内进入尾水渠，导致尾水检修闸门全部掩埋在泥沙和其他杂物下。经查探，闸门顶上泥沙掩埋深度竟达5 m，大大超过了尾水检修闸门正常开启条件。为开启闸门，必须对闸门上淤积的泥沙等杂物进行清除。
2007年8月24日，为保证闸门正常开启和水电站正常发电创造必要条件，笔者受命负责清除大盈江三级水电站尾水渠1#～4#尾水闸门淤沙。首先安排有关单位准备好相应管路、空压机、潜水泵和5t手动葫芦等设备，然后委托海科潜水队对尾水渠泥沙淤积情况进行了查探。发现尾水渠内树根、石块较多，同时由于淤积时间长，淤沙板结情况严重，因此决定由潜水队进行水下作业配合，确保顺利清除尾水闸门附近淤积物。 正式抽沙前，首先由潜水队员对闸门附近进行清理。利用手动葫芦将较大的块石、大树根等杂物移走或吊出水面，然后安装浮桶和管路，并将管路通过手动葫芦悬挂在上部支架上，同时控制管路好高度，保持吸沙管口与沙面近乎接触，随后开启高压潜水泵，再由潜水员在水下将高压水流对管口周围板结的淤沙进行扰动。当一切准备就绪后，开启空压机，向吸沙管内送高压风，随着高压气流通过管路，大量沙砾也随着水流被抽起排至尾水渠外。该工程整体抽沙系统运作十分成功，吸沙效率非常高，约有半管的泥沙随着水流排到河床中，拳头大的石块也被吸出，随河水流向下游。随着抽沙持续进行，吸沙管口周围很快就形成一个深坑，抽出的泥沙也明显减少，这时再通过手动葫芦降低吸沙管口高程，继续保持吸沙管口与沙面接触。潜水员则在水下继续用高压潜水泵产生的高压水流对深坑周围的沙层进行扰动，让沙砾与水流混合后进入吸沙管，吸沙管又恢复到高效率状态；随着抽沙持续进行，沙面不断降低，单靠手动葫芦牵引弯管段升降已无法保持吸沙管口与沙面接触，这时将管路系统提升出水面，吸沙管增加一个管节，调整至合适长度后放入水中继续进行抽沙。该工程经过7 d的连续抽沙，1#尾水闸门附近的淤沙基本清除，闸门也顺利开启提至尾水检修平台。2#～4#闸门也采用同样的方法很快顺利开启，为水电站正常发电创造了条件。
解决闸门开启难题后，又遭遇了闸门下放的难题。由于当年只有1#～2#台机组同时投入运行，尾水在暂未发电机组一侧产生漩涡，导致河床内泥沙又被带入，尾水闸门门槽底槛附近又淤积了一定厚度的泥沙，闸门无法正常下放关闭。此时气力提升法抽沙系统再次派上了用场，根据水深和沙面安装合适的管节后，潜水员直接将吸沙管固定在闸门门槽底槛附近抽沙。经过3 d连续抽沙，门槽底槛附近的沙已经全部抽完，潜水员再下水进行检查，确认门槽和底槛没有任何沙砾和杂物后，最后下放闸门，顺利到位，闸门后渗水量也很小，取得了完全成功。
4 结语
从大盈江三级水电站历次清理淤沙情况看，气力提升法系统抽沙十分成功。该工程在使用气力提升法系统前，曾多次采用潜水抽沙泵、离心抽沙泵进行现场抽沙试验，结果并不成功。抽沙泵则只能抽0～1 cm颗粒，且只能抽淤积均匀的沙层，对水库和尾水渠这类受洪水影响较大，沙砾淤积极不均匀的情况则根本不适用；挖泥船等大型设备虽然可以挖除各种淤沙，但成本较高和山区运输等条件限制，不能应用于尾水渠等场所。相比之下，气力提升法系统结构简单可靠，制作安装成本较低，抽沙粒径范围很大，从0～15 cm沙砾乃至石块和其他杂物均可以顺利抽出，抽沙效率很高，设备正常运行，每天可抽沙2 000 m3甚至更多。而且由于管内无任何机械结构，不容易堵管，即便有堵塞现象处理也很简单，只需用手动葫芦将管路升高一点，提离沙面即可。总之，和其他清淤方式相比，气力提升法系统比较适合山区水电站的水库和尾水渠等地点清淤，方法简单经济，值得推广。
参考文献
[1] Fujimoto H，Nagatani T.Effect of local pipe bends on pump performance of a small air-lift system in transporting solid particles[J].International Journal of Heat and Fluid Flow，2004，25（6）：996-1005.
[2] Yoshinaga T，Sato Y.Performance of an air-lift pump for conveying coarse particles[J].International Journal of Multiphase Flow，1996，22（2）：223-238.
[3] Khalil MF，Elshorbagy KA，Kassab SZ，et al.Effect of air injectionmethod on themical[J].Engineering Journal，2007（131）：273-280.
[4] 胡东，吴霞，唐川林，等.钻孔水力开采用气力提升装置的实验研究[J].机械科学与技术，2013，32（5）：756-761.
[5] 陈晨.钻孔水力开采工艺：开采地下矿产的新方法[J].世界地质，1998，17（4）：85-87.