泰戈特（北京）工程技术有限公司
摘要：在矿区，矿井水及自然降水形成的水湖可以做为对水质要求不高的生产用水，这就需要一种简易取水平台，能够在这样并不稳定的水湖中取水，既缓解用水困境，实现资源的综合利用，又不增加太多的投资成本，方便运输维护。本文设计了这样一种漂浮式取水平台。首先分析了该取水平台设计的必要性，其次详细介绍了该取水平台的结构主要由框架组件，浮筒组件，泵及管道组件，房屋组件四大部分构成，每一部分的作用和构造都配有三维设计图片进行了详细讲解，再次对平台上的设备进行了简要分析，对平台的载荷进行了列表统计，充分考虑了可能导致载荷变化的相关因素。参照相关规程，对平台的漂浮能力进行了安全核算。最后分析了这样的漂浮式取水平台有哪些特点，在维护和使用中还应注意的事项，尤其是安全方面还有那些相关要求。使大家对这样的漂浮式取水平台有一个比较全面的认识，并且此取水平台经实践检验完全符合生产要求，值得在类似项目及场合推广使用。
关键词：取水平台；矿井水；设计；计算
1引言
矿井水是煤炭开采过程中产生的伴生资源，长期以来被白白浪费甚至造成污染，如何能够综合利用，缓解矿区生产用水困境，一直是一个值得探讨的问题。
在矿区矿井水大多被排放在山坳处蓄积成湖，并伴有自然降水，经过逐渐沉淀，有一定自清能力，可以作为对水质要求不高的生产用水。但随着矿井生产情况的不同以及季节变换、天气变化，这样的水湖并不稳定，水位涨落偏差非常大，为了解决在这样的湖中取水问题，就需要设计一种简易的漂浮式取水平台，能够从矿井水湖中取水为生产所用，并且不必对取水点附近进行岩土勘察，不受季节水位高低所限，成本低，投资小，结构简单，实用灵活，运输、安装、维护方便。
我们选煤厂总承包工程项目中，本着绿色施工的原则，部分施工及生产用非传统水源需从一处矿井水和自然降水形成的水湖中引用，为此我们设计了漂浮式取水平台，该平台由两根缆绳与岸边牵拉，平台上设有小屋，屋内安装有取水液下泵及相关的管道，并且配有暖风机以保证冬季正常使用。管口由一段软管连接至岸上的值班室，泵的控制以及阀门的操作均在值班室内完成。此取水平台同时考虑了维护人员重量以及平台自重，通过了浮力计算校核保证安全，现已投入使用效果良好。
1.取水平台的结构设计
此简易取水平台结构如图 1 所示，主要分为四大部分，分别为框架组件，浮筒组件，泵及管道组件，房屋组件。
图1
框架组件的结构如图 2 所示，主要由上下层槽钢井字形焊接而成，下层槽钢间距按浮筒组件排布设置，槽钢上排布有螺栓孔用于浮筒 U型桶箍的安装。上层槽钢间距则按房屋基础的需要设置。上层槽钢辅助有角钢框架用于嵌入 30mm 厚防腐处理过的木板，形成平台的工作面。角钢框架周围设有栏杆，保证工作人员的安全。框架组件的中心安装泵的位置制作了保温箱体，箱体内部充填有聚氨酯泡沫，箱体的深度超过使用地冬季冰层的最大厚度，并且不能过深以免影响液下泵的取水泵头正常工作。
浮筒组件的结构如图3所示，浮筒选用容量220L，直径60cm，高90cm的较新的汽油桶，使用前盛水试漏检验合格并且重新涂漆防锈。
合格的汽油桶内部冲洗干净后晾干，大小油孔盖加橡胶垫密封并拧紧，再以防水胶密封，确保不渗不漏。考虑这样的汽油桶作为浮筒在平台上固定时严禁施焊，以免危险。现用螺栓和铁丝制作了U型桶箍，用桶箍配以合适形状的木鞍，将汽油桶固定在平台框架的相应位置上。
木鞍上面刻有矩形槽，正好卡住上面横向卧式布置的槽钢，再通过下面的弧形卡住汽油桶，桶箍在槽钢上紧固后，一方面以摩擦力阻止了浮桶前、后和左、右可能发生的位移；又有效防止了薄壁浮筒因受U 型桶箍箍紧力的作用时，所产生的过分变形。浮筒组件的 排布需 留出液下泵的安装位置，数量及排列方式需根据平台大小及布 置情况 确定，并且需浮力校核后适当调整。
图2
如果平台载荷过大，受限于平台面积，可试 将局部浮筒双层布置，即复式结构，让下层浮桶全没入水，能增加平台更多的浮力。
图3 图 4
泵及管道组件结构如图 4 所示，考虑取水水质及日常 使用情 况和业主要求等因素，为避免随时启动而产生的灌泵 抽空问 题，现选 用离心式液下泵做为此平台的取水泵。取水液下泵连接一段连 出室外 的管道构成该泵及管道组件，此组件安装在框架组件 的保温 箱体中， 并且使泵的取水头穿透保温箱体。因箱体的深度超过当地冬季 冰层的 最大厚度，可以 确保泵的取水头位置一年四季不冻结 。管道一 端与泵 的出口相配，另 一端穿出彩钢板房屋由软管连接至岸 上值班 室内，泵 的控制以及管道的阀门均设置在岸上的值班 室内。
房屋组件结构如图5 所示，考虑冬季雨天等恶劣天气 下泵体 的保暖及维护方便，泵的取水工作能稳定高效，平台上需设置 简易彩 钢板房屋。房屋基础坐落 在平台 框架的上 层槽钢上，房屋由 角钢骨 架和50mm 厚彩钢板搭建而成。房屋设有门窗，屋顶设有可拆卸的有机玻璃天窗，用于采光和泵体维护、电机更换。房屋组件应控制重量在平台的有效承载以内，或者调整平台浮力以适应房屋的重量。
2. 取水平台的载荷计算
各部分重量由相关厂家及加工制作单位提供，钢材重量根据其密度由设计软件计算得出。
其中木材因为种类不同，含水量，部位等条件不同，密度也不同，其范围在 0.45~0.60 之间，下表中取较大值 0.60 g/cm3计算重量。
正常工况下工作人员在岸上的值班室中，考虑平台面积以及泵的维护、更换电机等特殊情况，平台上容纳的人员定为 4 人应比较充足。
取水平台各部分载荷统计如下表所列：
图5
此取水平台载荷共计 3480kg。
另外如考虑此地冬季雪压 50kg/m2，平台工作面积 11.4m2，共计570kg；
风雪天应严禁人员登上取水平台，此时取水平台最大载荷取值 3730kg。
3.取水平台的漂浮能力核算
浮筒选用成本低并且方便取得的汽油桶，容量为 220L，直径 60cm，高 90cm。这样的每个浮筒的浮力为：
容量 220L（直径 60cm，高 90cm）浮筒浮力：
F浮=ρ水gV排水=1.0×103×9.8×0.254=2489.2N （1）
F总浮力=（6×5-2）×2489.2=69697.6N=6969.76kg （2）
3.1 按吃水线要求核算：
根据“供水水文地质钻探与凿井操作规程”（CJJ13-87）关于“全载时吃水线应低于甲板 0.2~0.3m 的规定”；
取下限 0.2m，油桶直径 0.6m，即油桶 0.4m 浮在水中。
此时汽油桶筏浮力为0.708F总浮力=4934.6kg
因 4934.6kg﹥3730kg；因此从取水平台的浮力和总荷重的对比来看，浮力足够大，满足要求，取水平台是安全的。
3.2 按安全系数要求核算：
浮船总重量：
G总重=G船+ G 装备+ G人员+ G附属设施=3730kg （3）
浮船总体浮力安全系数：
6969.76÷3730=1.87（4）
浮船总重量能排水的总体积：
K为安全系数一般取 1.3~1.4；取较小值1.3时，ξ=68.1%
若ξ≤70% 时，则说明浮船安全，漂浮能力足够。
取水平台结构稳定性校核通常采用危险截面弯曲应力以及整体刚性校核。因浮筒较多，浮力支点均匀分散，平台框架井字形焊接，整体受力较好。
4.取水平台的特点及注意事项
这种漂浮式取水平台结构简洁，组装方便，由于采用旧汽油桶做浮桶，所以成本低廉。此种形式的取水平台稳定性比较大，在水中平稳如同陆地，便于平台上的工作人员操作安装。并且靠缆绳拖拽，移动灵活，方便根据水位高低调整在水中的位置。此平台平均工作寿命长达 5-8 年，如定期维护得当寿命还可更长。相比其它形式的取水平台，非常经济实惠。此取水平台还具有很好的扩展性，实际应用中，如平台上载荷有较大增减，可较方便的增加或者减少浮筒个数，以及改变浮筒的排列方式，以此调整平台的浮力。
这种漂浮式取水平台的设计应注意调整平台的重心不应偏向某一侧方，保证平台在负荷工作时重心位于平台的中心位置，设计时可用三维软件校核重心的位置。取水平台使用过程中，如发现有偏载的情况，应立即加以配重调整。偏载会影响平台的稳定性，产生安全隐患。
这种漂浮式取水平台的浮筒采用旧的汽油桶改制而成，是此平台的关键部件，汽油桶安装前必须检查确保不渗不漏，大小开口盖处必须加垫拧紧，再涂胶密封。由于使用时间较长，为防止锈蚀漏水，宜选用较新的汽油桶，并且涂漆防腐防锈。平台使用过程中浮筒上方便观察的位置需刻画吃水位线，对于直径 600mm 的汽油桶，吃水深度以300-400 为宜，吃水过深或者过浅时都应禁止人员登上平台，因为吃水过浅时平台易倾覆，而吃水过深时安全冗余不足。浮筒还应定期检查维护，如发现有锈蚀等损坏应及时更换，严禁修补。
这种漂浮式取水平台作为一个独立的特殊作业单元，对安全要求较高，因此人员登上平台作业前应做好安全应急预案，建立完善的安全保证措施；如平台栏杆上应配有足够的救生圈，登上平台前必须注意天气情况，河湖水位变化情况，大风大雨等恶劣天气时严禁登上平台作业。 平台作业过程中需专人在岸边值守，负责监视水情环境。
并应在岸边的值班室内适当配置应急医药箱、通讯设备、油桶堵漏剂和灭火器等用品。
5.结语
本文具体介绍了一种漂浮式取水平台，重点介绍了其漂浮能力的核算过程，并且分析了其特点以及相关注意事项，经实践检验此设计数据完全符合使用要求。使大家对这种漂浮式取水平台有一个比较全面的认识。此取水平台经济实用，可根据载荷情况方便拓展，值得在类似项目及场合推广使用。
参考文献:
[1]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,1998.
[2]崔林科.一种简易行军、采选取水等多用途浮船、浮桥设计[J].中国水运,2013.
[3]王丹彤.“汽油桶筏”在水上钻探中的应用[J].山东国土资源,2014.
论文作者:武萌
论文发表刊物:《基层建设》2018年第22期
论文发表时间:2018/9/17
标签：平台论文; 浮筒论文; 汽油桶论文; 浮力论文; 组件论文; 载荷论文; 槽钢论文; 《基层建设》2018年第22期论文;