CN104195991B - 一种流量补偿式曲线过流断面进水闸 - Google Patents

Abstract

一种流量补偿式曲线过流断面进水闸，包括对称设置在闸门工作桥上游端的两个支承铰，两个支承铰分别位于对应边墩的内侧，两个支承铰均连接可旋转的支臂，支臂的上游端均设置在浮子上，支臂的下游端均连接到闸门的顶部，闸门上游为闸口，闸口采用曲线过流断面，闸门为圆弧板形状，所述的支承铰均位于圆弧板形状的闸门所在圆管的中心线上。曲线过流断面为在与闸门相同弧面的挡水板上形成的曲面三角形进水口，挡水板的左右两侧与边墩密封固定。本发明，可以自动控制下游水位，成本低，可实施性强，利于推广应用，有稳定的过闸流量。

Description

一种流量补偿式曲线过流断面进水闸

技术领域

本发明涉及一种流量补偿式曲线过流断面进水闸，应用于农田灌溉工程中，属于农田水利工程技术领域。

背景技术

农业是人类生活的民生问题，不管社会怎么进步，都离不开农业支撑，灌溉是农业的重中之重。农业灌溉中，通过在渠道、水库岸边修建进水闸，将上级渠道或上游水库的灌溉用水引到下级渠道或农田，可满足下游区域对灌溉用水的需求。在灌溉或输水过程中，为保证正常输水，需要控制进水闸流量。水闸流量控制技术是灌溉自动控制系统中的关键问题。目前，国内大型灌区多采用电子技术控制进水闸的开度，从而实现过闸流量的自动控制。然而，电子技术的应用存在着结构复杂、投入成本大、操作复杂等局限性，目前仅在我国大型灌区使用，不利于推广应用到末级渠道或农田灌溉。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种流量补偿式曲线过流断面进水闸，本进水闸操作简便、成本低廉和安装方便，可以在上、下级渠道水位变化时，通过闸门的自动启闭来控制过闸流量，可广泛应用于末级渠道和农田灌溉，填补末级渠道和农田灌溉流量自动控制的空缺，同时也可以替代现有的高成本的流量自动控制闸。

一种流量补偿式曲线过流断面进水闸，包括横截水流的翼墙，翼墙的下游侧设置有工作桥，工作桥的垂直下方设置贴在河底的底板，工作桥的左右两侧设置有贴着河岸的边墩，其特征是所述的工作桥的下游端设置有左右对称的两个支承铰，所述的两个支承铰分别位于对应边墩的内侧，所述的两个支承铰均连接可旋转的支臂，所述的支臂的下游端均设置在浮子上，所述的支臂的上游端均连接到闸门的顶部，所述的闸门上游为闸口，闸口采用曲线过流断面。

所述的闸门为圆弧板形状，闸门材料为轻质塑钢，所述的支承铰均位于圆弧板形状的闸门所在圆管的中心线上。

所述的边墩的内侧均设置有滑槽，闸门的左右两侧边缘分别位于对应的滑槽中，闸门在滑槽中滑动升降。

所述的滑槽中设置有止水片，所述的止水片包覆着闸门的左右两侧边缘，边墩的底部之间为下底板，下底板上设置有内置有止水片的卡槽，闸门闭合后，闸门的下边缘抵压在卡槽中的止水片上。

所述的曲线过流断面为在与闸门相同弧面的挡水板上形成的曲面三角形进水口，挡水板的左右两侧与边墩密封固定。

所述的支承铰通过支铰牛腿与闸门工作桥固定。

所述的支承铰均设置有连接到上游翼墙的铰支架。

所述的闸门设置有连接闸门上下两端的连接固定板，所述的连接固定板与闸门之间设置有一个以上支撑板。

所述的两个支臂之间设有连杆连接。

所述的浮子选用橡胶袋，橡胶袋设置有排气阀，橡胶袋与支臂之间设置有气囊盒。

本发明，浮子浮在下游水位上，下游水位的高度决定闸门开度的大小，采用曲线过流断面的闸口，可在输水过程中，随着闸门开度的变化，过闸口平均流量变化稳定在设计流量的±15％以内。本发明结构简单，流量稳定，下游水位自动控制，是一种高效实用的进水闸，具有重要的推广价值。有益效果具体为：(1)自动控制水位，便于灌溉。下游水位下降时，浮子跟随水位下降，支臂的上游端下移，支臂下游端上升，闸门自动开启，实时抬高下游水位；下游水位升高时，浮子和支臂上游端升高，支臂下游端逐渐下降，闸门逐渐下降，减小进水流量，当到达控制水位高度时，闸门自动关闭。

(2)结构简单，成本较低。圆弧板形状的闸门在浮子与支臂产生的力矩作用下自动升高或降低，实现闸门的开启或关闭，结构简单，代替了传统的人工和机械操作，节约了工作成本，提高了工作效率。

(3)可装配，整体安装。基本部件由浮子、闸门、支臂及相关混凝土构件等组成，结构简易，制造方便，可预先制作后到施工现场整体安装。

(4)有效保证过闸流量的稳定，便于灌水量的计量和输配水管理。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，

图2是图1中闸门的A向视图，

图3是图1的俯视图，

图4是图3中的D处局部视图，

附图标记列表：1—闸门工作桥，2—支承铰，3—支臂，4—浮子，5—闸门，6—曲线过流断面，7—翼墙，8—支铰牛腿，9—边墩，10—挡水板，11—连接固定板，12—滑槽，13—下底板，14—止水片，15—气囊盒，16—铰支架，17—连杆，18—支撑板，19—闸门升降口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

附图仅为本发明的一个具体实施例，图1中虚线部分表示临界水位(图中的C处水位)时，本发明闸门5、支臂3和浮子4的位置关系图，图1中实线部分表示设计水位(图中的B处水位)时，本发明闸门5、支臂3和浮子4的位置关系图，图3是图1处于B处水位的俯视图，图中的箭头方向表示水流方向，结合图1和图3可见，本发明，包括对称设置在闸门工作桥1上游端的两个支承铰2，两个支承铰2分别位于对应边墩9的内侧，两个支承铰2均连接可旋转的支臂3，支臂3的上游端均设置在浮子4上，支臂3的下游端均连接到闸门5的顶部，闸门5上游为闸口，闸口采用曲线过流断面6，曲线过流断面6为在与闸门5相同弧面的挡水板10上形成的曲面三角形进水口，挡水板10的左右两侧与边墩9密封固定。本发明利用杠杆原理，支撑铰2相当于支点，闸门5的重力(闸门5在水中受到的浮力可忽略)相当于支臂3下游端受到的向下的力，浮子4的浮力(当设置有气囊盒15时，浮子4的浮力和气囊盒15的自重共同作用力)相当于支臂3上游端受到的向上的力，支臂3与支撑铰2的连接安装位置满足支撑铰2(支点)前后受到的力矩相等。闸门5关闭时，挡水板10能够分担上游水对闸门5的冲击压力，闸门5打开时，挡水板10限制上游水过闸的进水断面大小、形状和位置。

闸门5为圆弧板形状，支承铰2均位于圆弧板形状的闸门5所在圆管的中心线上，支承铰2的位置确定了闸门5的升降过程中的运动轨迹为圆弧轨迹，闸门5升降过程中，经过闸门工作桥1的位置是确定的，便于在闸门工作桥1上设置一个确定的闸门升降口19，且闸门升降口19最小，便于施工，和提高闸门工作桥1的安全和稳定性能。

闸门5的左右两侧边缘分别位于边墩9的内侧的对应的滑槽12中，闸门5在滑槽12中滑动升降，滑槽12的纵向走向与闸门5的运动轨迹一致，圆弧板形状的闸门5在实际使用中，上游受到水的冲击压力，滑槽12能有效避免闸门受力发生位移的现象；闸门5受力并不均匀，滑槽12也能有效防止闸门5变形。

滑槽12中设置有止水片14，止水片14包覆着闸门5的左右两侧边缘，边墩9的底部之间为下底板13，下底板13上设置有内置有止水片14的卡槽，闸门5闭合后，闸门5的下边缘抵压在卡槽中的止水片14上。止水片14可以防止水从闸门5的两侧流到下游，以及实现闸门5的完全闭合，避免闸门5漏水。

支承铰2通过支铰牛腿8与闸门工作桥1固定，支铰牛腿8对支承铰2起到固定支撑的作用；支承铰2均设置有连接到上游翼墙7的铰支架16，铰支架16对支承铰2起到加固的作用，支铰牛腿8和铰支架16共同提高支承铰2的稳定性，有效延长支承铰2的使用寿命。

闸门5设置有连接闸门5上下两端的连接固定板11，连接固定板11确定了闸门5的上下两端的相对位置，避免闸门5的变形，连接固定板11与闸门5之间设置有一个以上支撑板18，支撑板18支撑着闸门5圆弧拱起的形状，避免闸门5圆弧拱起形状变形。

两个支臂3之间可选择地设有连杆17连接，连杆17稳定两个支臂3的在水面平行和等高的关系。

当浮子4选用橡胶袋，橡胶袋设置有排气阀，橡胶袋与支臂3之间设置有气囊盒15，排气阀用来给橡胶袋充气或放气，橡胶袋不使用的情况下，可以收藏到气囊盒15中。

图2是图1中闸门的A向视图，结合图1和图2可见，曲线过流断面6为在与闸门5相同弧面的挡水板上形成的曲面三角形进水口，挡水板10的左右两侧与边墩9密封固定。

图4是图3中的B处局部视图，方便清楚地表达支臂3与支承铰2的连接关系，以及铰牛腿8与支承铰2的位置关系。

本发明的闸口采用曲面三角形形状的曲线过流断面6，以及闸门5采用圆弧板形状，具有稳定流量的效果，力学原理为：

以抛物曲线断面为例，根据水力学原理，可得当闸门5开启高度为h时，曲线过流断面6断面平均水流速度为

$\stackrel{\‾}{v}=\sqrt{\frac{2g}{\∂}}\sqrt{H-h_w-\frac{h}{2}}$

其中，H为上游水头，为动能校正系数，一般取为1.05～1.10，

h_w为机械能水头损失。

抛物线公式为

$y=\left\{\begin{array}{cc}\frac{4}{L}{(x-\frac{L}{2})}^2& ,0\&le;x\&le;\frac{L}{2}\\ \frac{4}{L}{(x+\frac{L}{2})}^2& ,-\frac{L}{2}\&le;x<0\end{array}\right.$

根据积分可得，当曲线过流断面6的孔口开度为h时，曲线过流断面6的断面的面积s为

$s=-\frac{2\sqrt{L}}{3}{h}^{\frac{3}{2}}+\mathrm{Lh}$

其中L为曲线过流断面6的孔口总高度，由此曲线过流断面6的孔口出流量Q为

$Q=\stackrel{\&OverBar;}{v}\&times;s=\sqrt{\frac{2g}{\&PartialD;}}\sqrt{H-h_w-\frac{h}{2}}(-\frac{2\sqrt{L}}{3}{h}^{\frac{3}{2}}+\mathrm{Lh})$

考虑H＞＞L,则H＞＞h，因此可忽略h，假设h_w与曲线过流断面6的孔口开度无关，近似为常数对上式进行近似处理，

则

$Q=\stackrel{\&OverBar;}{v}\&times;s=\sqrt{\frac{2g}{\&PartialD;}}\sqrt{H-h_w}(-\frac{2\sqrt{L}}{3}{h}^{\frac{3}{2}}+\mathrm{Lh})$

同理可算出常规过流断面(如矩形)过闸流量：

矩形 $Q_1=\sqrt{\frac{2g}{\&PartialD;}}\sqrt{H-h_w}\mathrm{Lh}$

当曲线过流断面6的孔口开度最大时，h＝L，此时两种不同闸口的孔口的最大过闸流量分别为：

Q_1max＝KL²

$Q\max =\frac{1}{3}{\mathrm{KL}}^2$

可看出，与常规的矩形闸口相比，本发明的曲线过流断面6的孔口在过水时，最大流量为常规的矩形闸口的1/3左右。考虑近似处理，本发明的闸门5在整个运行过程中，利用抛物线三角形形状的曲线过流断面6可使流量变化减小30％左右，其平均流量上下变化稳定在设计流量的±15％左右，其流量稳定效果较为明显。

本发明在实际应用中的工作过程为：

1.下游水位升高后，达到设计水位(图1中的B处水位)时，浮子4在浮力的作用下，对支臂3产生向上的力矩，从而保证闸门5始终处于关闭状态，从而可保证下游水位处于设计水位。

2.随着下游水位不断降低，浮子4随着水位的降低而降低，此时闸门5在支臂3的作用下逐渐开启，上游水流通过曲线过流断面6进入闸室段时，由于曲线过流断面6的作用，可使过闸流量稳定在设计流量的±15％左右。

3.当下游水位低于临界水位(图1中的C处水位)时，闸门5完全开启。此时闸门5处于自由出流情况，过闸流量达最大值。

4.非灌溉季节，可打开橡胶袋进排气阀，排空橡胶袋内气体，将橡胶袋收进气囊盒15中。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (4)

1.一种流量补偿式曲线过流断面进水闸，包括横截水流的翼墙（7），翼墙（7）的下游侧设置有工作桥（1），工作桥（1）的垂直下方设置贴在河底的下底板（13），工作桥（1）的左右两侧设置有贴着河岸的边墩（9），其特征是所述的工作桥（1）的下游端设置有左右对称的两个支承铰（2），所述的两个支承铰（2）分别位于对应边墩（9）的内侧，所述的两个支承铰（2）均连接可旋转的支臂（3），所述的支臂（3）的下游端均设置在浮子（4）上，所述的支臂（3）的上游端均连接到闸门（5）的顶部，所述的闸门（5）上游为闸口，闸口采用曲线过流断面（6）；

所述的闸门（5）为圆弧板形状，所述的支承铰（2）均位于圆弧板形状的闸门（5）所在圆管的中心线上；

所述的曲线过流断面（6）为在与闸门（5）相同弧面的挡水板（10）上形成的曲面三角形进水口，挡水板（10）的左右两侧与边墩（9）密封固定；

所述的支承铰（2）通过支铰牛腿（8）与闸门工作桥（1）固定；

所述的支承铰（2）均设置有连接到上游翼墙（7）的铰支架（16）；

两个所述的支臂（3）之间设有连杆（17）连接；

所述的浮子（4）选用橡胶袋，橡胶袋设置有排气阀，橡胶袋与支臂（3）之间设置有气囊盒（15）。

2.根据权利要求1所述的一种流量补偿式曲线过流断面进水闸，其特征是所述的边墩（9）的内侧均设置有滑槽（12），闸门（5）的左右两侧边缘分别位于对应的滑槽（12）中，闸门（5）在滑槽（12）中滑动升降。

3.根据权利要求2所述的一种流量补偿式曲线过流断面进水闸，其特征是所述的滑槽（12）中设置有止水片（14），所述的止水片（14）包覆着闸门（5）的左右两侧边缘，边墩（9）的底部之间为下底板（13），下底板（13）上设置有内置有止水片（14）的卡槽，闸门（5）闭合后，闸门（5）的下边缘抵压在卡槽中的止水片（14）上。

4.根据权利要求1所述的一种流量补偿式曲线过流断面进水闸，其特征是所述的闸门（5）设置有连接闸门（5）上下两端的连接固定板（11），所述的连接固定板（11）与闸门（5）之间设置有一个以上支撑板（18）。