阅读说明：本技术 基于气动排沙的深水泥沙快速排除系统及其方法 (deep water sediment rapid removal system and method based on pneumatic sediment removal ) 是由 丁磊 罗勇 徐进超 胡静 缴健 董家 陈黎明 高祥宇 张新周 侍贤瑞 孙云茜 于 2019-09-11 设计创作，主要内容包括：基于气动排沙的深水泥沙快速排除系统及其方法。泥沙快速排除系统包括压缩气源、排沙机构与控制系统,其特征在于,所述的压缩气源中设有空气压缩机,该空气压缩机连接气体储气罐再通过气阀开关、连接管道与排沙机构连接；所述的排沙机构包括水下冲沙气排及其接口设备；所述的控制系统包括控制电脑,水下冲沙排及其接口设备中传感器的输出信号接该控制电脑,该控制电脑的输出指令通过执行器接压缩气源。本发明的设备与方法用于水库河流、水工程船闸下游引航道水工泄水建筑物、挡潮闸闸下港道泥沙快速输移,减少和防止河流港道、水工泄水建筑淤积物泥沙淤积,尤其是针对细颗粒泥沙有较为明显效果。(A system and a method for quickly removing deep water sediment based on pneumatic sediment removal. The system for quickly removing the sediment comprises a compressed air source, a sediment discharge mechanism and a control system, and is characterized in that an air compressor is arranged in the compressed air source, is connected with an air storage tank and is connected with the sediment discharge mechanism through an air valve switch and a connecting pipeline; the sand discharge mechanism comprises an underwater sand flushing air row and an interface device thereof; the control system comprises a control computer, wherein output signals of sensors in the underwater sand flushing row and the interface equipment thereof are connected with the control computer, and output instructions of the control computer are connected with a compressed air source through an actuator. The equipment and the method are used for rapidly transporting and moving the silt of the hydraulic outlet building of the approach channel at the downstream of the reservoir river and the hydraulic engineering ship lock and the port below the tidal barrier lock, reduce and prevent the silt deposition of the sediment of the river port and the hydraulic outlet building, and particularly have obvious effect on fine-particle silt.)

基于气动排沙的深水泥沙快速排除系统及其方法

技术领域

本发明涉及泥沙冲淤技术，具体涉及一种基于气动排沙的泥沙冲淤调控系统。本发明还涉及这个系统的工作方法。

背景技术

目前，主流清淤使用挖泥船挖泥，船只带动拖耙清除局部泥沙淤积，但常态下水库上游有不断来沙，船闸引航道泥沙清淤后又快速淤积或回淤，在现有的清淤方法中，效率都不高，而且需要人力配合，资金投入较大；将气动排沙方式引入深水泥沙清淤具有良好发展前景。

我国河流泥沙多、颗粒细，造成水利工程泥沙严重淤积。这些泥沙入海后，形成广阔的淤泥质或粉砂淤泥质海岸，在风浪和潮流作用下掀扬和输移，又给海岸工程造成危害。同时，我国的水库淤积、挡潮闸下淤积、港口航道、船闸引航道以及电站取水口等的淤积都比国外同类工程严重，妨碍着水利、水运和水电工程效益的发挥。减少和避免泥沙淤积，一直是治沙中难以解决的问题。

传统的水流挟沙、输沙是低能效的输沙模式，因为挟沙依赖的紊动是主流的二级以上微项，输沙的水流速度必须大于泥沙的起动流速才行。例如国内某大河相关河段几年来调水调沙的实测资料表明未有大幅增沙的现象，也是因为挟沙和输沙本身从水流摄取的能量不足的缘故。气动排沙是利用空气在水中比重轻（约比水轻700倍）而必然上升，上升过程中产生上升流，带动泥沙上扬，利用空气上升流带动泥沙悬浮，即利用空气的上升流，加强水体紊动，加速排沙，在有水流带动下，使泥沙得以远距离输送。泥沙粒径越细，沉降速度越小，气动排沙的效果越好，在我国细颗粒泥沙的河流、海岸河口使用特别有成效。细颗粒泥沙的特点是起动流速大、沉降速度小。气动冲淤是介于流体力学、气体力学和固体力学三者之间的边缘学科，属于固体、液体、气体的三相流动。气动排沙克服了水流输沙低能效的弱点，可以达到清淤减淤、快速排沙的目的。

发明内容

本发明的目的是针对现有泥沙清淤方式不足，提供一种利用空气流清除泥沙的快速排沙系统，通过连接管道向铺设于水下冲沙气排冲气排淤，在一定流速水流情况下，把泥沙带走，由于空气流的速度远远大于泥沙下沉速度，排沙功能更强大，快速和效率，使得清淤成本大大降低。

本发明采用的技术方案：一种基于气动排沙的深水泥沙快速排除系统，包括压缩气源、排沙机构与控制系统，其特征在于，所述的压缩气源中设有空气压缩机，该空气压缩机连接气体储气罐再通过气阀开关、连接管道与排沙机构连接；所述的排沙机构包括水下冲沙气排及其接口设备；所述的控制系统包括控制电脑，水下冲沙排及其接口设备中传感器的输出信号接该控制电脑，该控制电脑的输出指令通过执行器接压缩气源。

所述的水下冲沙排采用若干根不锈钢钢管或UPVC管平行排列，构成冲沙气管，该冲沙气管上开设排气孔，各排气孔等间距、等倾角、等孔径设置。

水下冲沙排沉于深水河床上，上面覆盖泥沙或河道上游来的来沙，根据水深和泥沙厚度计算空压级所需输出压力，当冲沙排释放气体压力大于水深压力和泥沙压力，即可掀动泥沙上扬，在小水流下将泥沙带走。冲沙排的排气孔开孔孔径小，孔孔间距较短，冲沙气排上密布小的排气孔，排气孔开孔方向以最优效率确定。

水下冲沙排的接口设备由泥沙浓度计、水深测量仪、GPS组成。水下冲沙排的接口设备泥沙浓度计，测量水中冲沙排溢气前后泥沙的含沙浓度，可得道泥沙快速排除系统冲沙效率；水深测量仪可测量冲沙排在水中的深度，判别不同季节河道水位以及泥沙淤积厚度；GPS用于系统定位。水深测量仪和GPS联合使用，可为水下冲沙排实时调整姿态，提高冲沙的效率。

所述的压缩气源中还可以包括有流量计压力计和连接法兰。其中流量计压力计的读数接控制电脑。

换言之，本发明包括搭载一个控制系统的空气压缩机、气体储气罐、连接管道、水下冲沙气排、接口设备；

所述气动排沙的深水泥沙快速排除系统通过安放于水下冲沙排的接口设备，取得水下冲沙气排的状态信号，泥沙浓度信号，通过接口设备告知空气压缩机，由空压机控制系统发出指令驱动空压机产生气体，通过连接管道向水下冲沙气排冲气排沙。

作为优选，所述空气压缩机系统包括气体储气罐、指令执行器、压力指示器。

作为优选，所述空气压缩机系统与水下冲排沙系统之间通过压力管道连接。

作为优选，所述水下冲排沙系统包括冲沙气排，接口设备。

作为优选，所述压力管道采用不锈钢钢管、UPVC管、流量计压力计、气阀开关、法兰连接至水下排沙系统。

作为优选，所述水下冲沙气排采用不锈钢钢管、UPVC管，冲沙气管上开设排气孔，排气孔等间距、等倾角、等孔径，接口设备采用泥沙浓度计、GPS、水深测量仪。

作为优选，所述水下冲沙气排搭载泥沙浓度计，水深测量仪、GPS，依据泥沙淤积情况反馈空气压缩机系统，空气压缩机系统将之与预设的清淤目标函数进行比较，得出气动冲沙排淤的用气量，用气压力，气阀开启时间。

完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述基于气动排沙的深水泥沙快速排除系统的工作方法，其特征在于，步骤如下：

⑴.在需要排沙的水域设置本基于气动排沙的深水泥沙快速排除系统；

⑵.通过控制系统打开空气压缩机对储气罐进行充气操作；

⑶.待储气罐中的压力和气量达到规定数值时，控制系统自动打开气阀开关，向水下冲沙气排通气，进行排气冲沙操作；排气过程有气体流量计、压力计监测；

⑷.同时，控制电脑获取水下冲沙气排接口设备中各种传感器的信息，包括冲沙气排水深姿态、GPS定位、泥沙浓度；

⑸.控制电脑将冲沙气排水深姿态、GPS定位、泥沙浓度和控制系统预置工作函数比较，获取压力流量参数，对储气罐进行充气操作，随时调整气压；

⑹.作业结束后，控制电脑关闭空气压缩机；人工提起水下冲沙气排。

有益效果：本发明能迅速地促使淤积的泥沙起动上扬，并在较小流速的水流作用下，即可把淤积的泥沙带走，防治泥沙沉积。适用于水库河流、船闸引航道口门、取水口等泥沙淤积和泥沙清排，对于反复淤积的水工建筑物泥沙淤积区段更有防止泥沙淤堵功能。

建立数学模型对本发明即通过气体排沙效果以及水力排沙效果进行比较。采用立面二维模型进行模拟。对长1 m、深0.3m的一个矩形渠道，渠道中间有一个高0.2 m、宽0.4 m的沉沙池，沉沙池底部的中间设置两个高0.002 m的气流速度进口，进口的法向方向与渠道方向平行。对比二者的冲沙效果可知，在矩形渠道水流速度为0.5 m/s、采用5 m/s的水射流流速时，7s后沉沙池内还有部分泥沙存留，20 s时仍有部分泥沙存在于水射流产生的立轴环流里；若采用气动冲淤，则尽管气泡的作用范围仅在喷气管上方，但其上升的气泡流带动周围的水体也向上运动，气泡流附近的泥沙上升速度较大，7s内沉沙池中的泥沙已绝大部分被冲走。

附图说明

图1为本发明方法的整体示意图；

图2a-图2f为传统的水射流清淤效果图；

图3a-图3f为本发明气动排沙清淤效果图。

具体实施方式

结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1，如图1所示，基于气动排沙的泥沙清淤系统由气体产生/空气压缩机系统，气体输送/压力管道输气系统，气体使用/水下排沙系统组成。

空气压缩机1控制系统2，获取水下冲沙气排7接口设备8信息，包括冲沙气排7姿态、GPS定位、泥沙浓度，和控制系统2预置工作函数比较，获取压力流量参数，对储气罐3进行充气操作。空气压缩机考虑相当多的是使用移动式空压机，对现场环境要求较严的场合具有更广的适应，同时储气罐与空气压缩机之间有良好匹配。

储气罐3充气至一定的压力和气量，开启工作阀门5，通过压力管道4达水下冲沙气排，进行排气冲沙操作，排气过程有流量计、压力计6监测。压力管道4采用不锈钢钢管或UPVC管。

水下冲沙气排7开有排沙气孔，气孔等间距、等倾角、等孔径，空气从气孔溢出，带动泥沙上扬并输移。水下冲沙气排应考虑放置水中适当位置，考虑水深、排沙气孔防堵、管道上浮因素。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未有明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。