CN107165213B - 一种利用波能驱动水体清除淤积泥沙的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用波能驱动水体清除淤积泥沙的方法和装置，包括：锚固或漂浮在水面的搅动阵列的框架，所述的框架上设有多个搅动单元，所述的搅动单元包括：能够与框架做相对运动的浮子，所述的浮子通过连杆与固定在框架上的驱动缸中的活塞连接，各个所述驱动缸通过管道至少与两个止回阀连接，所述止回阀所连接的管道至少连接一个能够带动泥沙流动的出口。本发明在水库容易淤积泥沙的位置设置浮动体阵列并使浮动体连接水底的搅动体阵列，不使用任何人为的动力，利用波浪能量，带动驱动缸压缩液体，形成射流，利用射流促使水库底部淤积的泥沙泛起，被水流冲走。由于不使用任何人为的动力，可以节省大量能源。

Description

一种利用波能驱动水体清除淤积泥沙的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种利用波能驱动水体清除淤积泥沙的方法和装置，是一种水工方法和装置，是一种利用波能等自然力对水库等较深流动水体底部所淤积的泥沙进行干预，使泥沙顺水流流走的方法和装置。

背景技术

水库中淤积泥沙是自从人类开始建造水库即开始出现的问题。在河流上修坝建库后，库区水位壅高，水面比降减缓，流速减小，水流挟沙能力显著降低，促使大部分泥沙淤积在库内。其结果不仅导致水库有效库容减小，降低兴利效益和防洪能力，甚至将威胁水库使用寿命及安全运行，同时水库淤积引起回水末端上延，将扩大淹没和浸没面积，并将威胁上游城镇、工矿及交通安全，回水末端的泥沙淤积还会影响航运，库区泥沙的大量淤积，可能造成有害物质沉积于库底，污染水库和周围环境，并且将会淤没鱼类的产卵地，影响鱼类繁殖。水库泥沙问题是一个在世界范围内普遍存在的问题，因此，在这样的多沙河流上修建水库，必然会产生泥沙问题。传统清除水库泥沙的方法是使用大型机械设备开挖水库清除淤泥，但是这种方法要花费大量的人力物力。为此，是否可以找到一种不使用人类的力量，而是借助自然的力量，对水库底部容易淤积泥沙的部位进行干预，清除或防止泥沙的淤积，这需要一种全新的解决方案。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种利用波能驱动水体清除淤积泥沙的方法和装置。所述的方法利用水面的波动能量搅动库底的水流，从而改变库底指定位置的冲淤特性，并以此清除水库库区内淤积的泥沙。

本发明的目的是这样实现的：一种利用波能驱动水体清除淤积泥沙的方法，所述的方法包括如下步骤：

确定防止淤积或需要清除淤积的水库部位；

在所选定的水库部位设置在水中的搅动阵列；

所述搅动阵列中设有多个漂浮在水面的浮子，各个所述漂浮在水面的浮子随水面的波动做与整个搅动阵列相对的运动；

各个所述的浮子带动各自的驱动缸驱动液体搅动库底的水流；

被搅动的水流将库底的泥沙搅动起来；

被搅动阵列搅动起来的泥沙随自然水流流走。

一种实现上述方法的利用波能驱动水体清除淤积泥沙的装置，包括：锚固或漂浮在水面的搅动阵列的框架，所述的框架上设有多个搅动单元，所述的搅动单元包括：能够与框架做相对运动的浮子，所述的浮子通过连杆与固定在框架上的驱动缸中的活塞连接，各个所述驱动缸竖直设置在水体中，所述缸体下端依次连接收缩段、出水管，所述的驱动缸下端设置至少一个下端止回阀。

进一步的，所述的下端止回阀的阀瓣为一侧与驱动缸铰链连接的圆弧片，所述的圆弧片的曲率与驱动缸内圆面曲率相等。

进一步的，所述的下端止回阀为两个。

进一步的，所述的驱动缸顶部设置至少一个上端止回阀，在靠近驱动缸顶端的位置设置第二出水管。

进一步的，所述的上端止回阀的阀瓣为一侧与驱动缸铰链连接，另一侧为带有缺口C型原片。

本发明产生的有益效果是：本发明在水库容易淤积泥沙的位置设置浮动体阵列并使浮动体连接水底的搅动体阵列，不使用任何人为的动力，利用波浪能量，带动驱动缸压缩液体，形成射流，利用射流促使水库底部淤积的泥沙泛起，被水流冲走。由于不使用任何人为的动力，可以节省大量能源。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例二所述装置的结构平面示意图；

图2是本发明的实施例二所述装置的立面结构图，是图1中A-A方向的放大图；

图3是本发明的实施例三所述弧形阀瓣示意图；

图4是本发明的实施例五所述的带有上端止回阀的驱动缸示意图；

图5是本发明的实施例六所述的上端止回阀形状示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种利用波能驱动水体清除淤积泥沙的方法。本实施例的基本思路是：利用水面的波浪，带动浮子上下浮动，产生的动力带动一个活塞在缸体中运动，利用活塞的运动压缩液体，驱动液体运动，利用这些驱动的液体搅动沉降的泥沙，使泥沙随自然水流流走，避免甚至清除淤积。

所述的方法包括如下步骤：

（一）确定防止淤积或需要清除淤积的水库部位。寻找水库内具有确定流向的淤积泥沙的位置，以确定需要清除水库泥沙的部位。水库中的泥沙通常淤积在水流由激流变为缓流的位置，即由河道进入库容的位置，那里水流突然变缓，泥沙十分容易沉积。

（二）在所选定的水库部位设置在水中的搅动阵列。搅动阵列即为由多个搅动体纵横排列构成的阵列，搅动阵列使用刚性的材料，例如金属管，或金属型材将各个搅动体固定连接到一起。搅动阵列可以使用刚性材料完全固定在库底或岸边，以避免搅动阵列随波浪产生任何位移，也可以固定在一个有较大抗风浪能力的浮动体上，只要能够保证浮子能够随风浪与整个搅动阵列发生相对运动即可。

（三）所述搅动阵列中设有多个漂浮在水面的浮子，各个所述漂浮在水面的浮子随水面的波动做与整个搅动阵列相对的运动。设置浮子的关键在于使浮子能够产生与整个搅动阵列发生相对位移，即在风浪中，搅动阵列可以随风浪产生一定的位移，或上下浮动或左右摇晃，但由于浮子的质量远远小于整个搅动阵列的质量，因此在风浪中，浮子会发生于整个搅动阵列不同步的运动，这种浮子与整个搅动阵列的相对运动就可以产生一定的能量，利用这些能量促使泥沙流动，避免淤积。

（四）各个所述的浮子带动各自的驱动缸驱动液体搅动库底的水流。如何利用浮子与整个搅动阵列之间的相对运动所产生的能量产生驱动水流的动力，是本实施例的关键。

本实施例采用一种带有活塞的驱动缸，利用浮子与固定在搅动阵列上的驱动缸相对运动，带动缸体中的活塞上下，使活塞两侧缸体的两个腔体不断变化，产生变化的压力，将这两个腔体内的变化的压力产生驱动液体（水）运动的能量，形成射流。液体射流可以通过管道直接被引导到库底泥沙容易淤积的位置，搅动或吹起淤积的泥沙，使泥沙被自然水流流走。在一些水流运动较小的库底，可以使用立管将射流转换为具有吸附作用的水流，将库底淤积的泥沙通过吸附作用，抽到流速较大的水层位置，使水流将泥沙带走。

（五）被搅动的水流将库底的泥沙搅动起来。如上所述，在水流能量较大的库底可以采用直接吹动库底泥沙的搅动方式，将泥沙吹起，由水流带走，在水深较大，库底水流流速较小的情况下，可以利用立管产生的吸附作用，将库底的泥沙抽起到接近水面水流流速较大的位置，使泥沙随水流走。

（六）被搅动阵列搅动起来的泥沙随自然水流流走。在水深较浅的地方，水底的水流流速较大，而当水深较深的情况下，水底的水流流速较小，因此，需要将泥沙带动到接近水面的位置，才能是自然水流将泥沙带走。

实施例二：

本实施例是一种实现上述方法的利用波能驱动水体清除淤积泥沙的装置，如图1、2所示。本实施例包括：锚固或漂浮在水面的搅动阵列的框架1，所述的框架上设有多个搅动单元2，所述的搅动单元包括：能够与框架做相对运动的浮子201，所述的浮子通过连杆202与固定在框架上的驱动缸203中的活塞204连接，各个所述驱动缸竖直设置在水体中，所述缸体下端依次连接收缩段205、出水管206，所述的驱动缸下端设置至少一个下端止回阀207，如图2所示。

本实施例所述的搅动阵列可以使用金属管或金属型材纵横连接，在水平面上连接成框架，在纵横的交点处设置浮子和驱动缸等设施。框架可以通过锚固的方式直接固定在库底或水库的岸边，也可以固定在船只等漂浮在水面上的漂浮物上，其条件是整个搅动阵列的波动，不能与浮子的波动同步。框架锚固在库底，可以采用长度可调节的绳索，绳索的远端拉住框架，另一端栓在重物（锚）上，将重物放在库底，调节绳索的长度，使搅动单元的浮子可以随波浪上下或左右运动即可，调节绳索的长度主要是为了适应不同的水深。

搅动单元是一个相对独立的设施，各个单元之间没直接的关系，各自产生搅动水流或气流。搅动的原理是：通过浮子随波浪的运动，带动驱动缸中的活塞，做上下直线运动，使活塞两侧的空间（腔体）发生变化，产生压力或吸力，驱动液体（水）产生驱动泥沙的射流。

浮子采用空心结构，并足够大，以带动活塞运动。

驱动缸是直线运动缸，活塞在缸体中做上下直线运动。驱动缸安装在搅动阵列上，整体竖直浸在水中。

驱动缸可以单向使用也可以双向使用，即：只利用活塞单方向（向下）运动的压力，也可以利用活塞双方向（上下）运动的压力，产生驱动力。如果仅利用活塞单方向的压力，则结构比较简单，只是在缸体与出水管连接的部位设置下端止回阀，缸体的上端敞开，可以使活塞上侧的水流自由流动，而活塞下侧的水流则在活塞的压力下从出水管排出，或者只能从缸体下端的下端止回阀进入缸体，形成单向运动。下端止回阀可以安装两个，即在缸体的左右两侧各安装一个。

当利用缸体上下运动都产生压力时，则需要在缸体的顶端设置上端止回阀，使缸体的两个腔体内的液体形成单向运动，并在缸体接近顶端的位置设置第二出水管。

出水管的出水口可以直接设置在库底，或者与一根立管连接，将产生的射流转换为吸附流，将库底的泥沙带到上层水流较大的层面，让水流将泥沙带走。

缸体与出水管的连接处采用断面逐渐缩小的接口以减小能量损失，见图2。接口处的水头损失为：

，

其中：

的取值与缸体的截面面积A1、出水管的截面面积A2和收缩段的锥角角度θ有关。

泛动不同种类和不同深度的淤积物所需的射流流速不同，通过连续性方程得：

，可以确定所需缸体和排水管的截面面积。

实施例三：

本实施例是实施例四的改进，是实施例四关于驱动缸的细化。本实施例所述的出水止回阀的阀瓣2071为一端与驱动缸铰链连接的圆弧片，所的圆弧片的曲率与驱动缸内圆面曲率相等，如图3所示。

止回阀的阀瓣为一个带有一定弧度的钢片，见3图，能够与缸体的内壁紧密贴合，钢片的上端通过铰接固定在缸体的下部。止回阀根据压强差工作，能灵敏的感知压强变化并控制钢片的开启与闭合。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于下端止回阀的细化。本实施例所述的下端止回阀为两个。

为提高出水效率，可以安装两个下端止回阀。下端止回阀可以安装在缸体的两侧。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于驱动缸的细化。本实施例所述的驱动缸顶部设置至少一个上端止回阀210，在靠近驱动缸顶端的位置设置第二出水管211，如图4所示。

本实施例在驱动缸的顶端也设置止回阀，使活塞上升时的压力，也通过第二出水管作为动力输出，这样活塞的往复都有动力输出。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于上端止回阀的细化。本实施例所述的上端止回阀的阀瓣2101为一侧与驱动缸铰链连接，另一侧为带有缺口C型原片，如图5所示。

上端止回阀的作用是在活塞上升时阻止缸体中的水流回到水体中，而是通过第二出水管作为动力输出。由于缸体的顶端开发，则可以使用两个半圆片或带有缺口的原片作为阀瓣盖住缸体顶端，阀瓣只能向缸体内开启，即可以产生止回阀的作用。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如缸体的形状、缸体的安装方式、整个搅动阵列的形式等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种利用波能驱动水体清除淤积泥沙的装置，所述装置所使用的方法包括如下步骤：

确定防止淤积或需要清除淤积的水库部位；

在所选定的水库部位设置在水中的搅动阵列；

所述搅动阵列中设有多个漂浮在水面的浮子，各个所述漂浮在水面的浮子随水面的波动做与整个搅动阵列相对的运动；

各个所述的浮子带动各自的驱动缸驱动液体搅动库底的水流；

被搅动的水流将库底的泥沙搅动起来；

被搅动阵列搅动起来的泥沙随自然水流流走；其特征在于，

包括：锚固或漂浮在水面的搅动阵列的框架，所述的框架上设有多个搅动单元，所述的搅动单元包括：能够与框架做相对运动的浮子，所述的浮子通过连杆与固定在框架上的驱动缸中的活塞连接，各个所述驱动缸竖直设置在水体中，所述驱动缸下端依次连接收缩段、出水管，所述的驱动缸下端设置至少一个下端止回阀。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的下端止回阀的阀瓣为一侧与驱动缸铰链连接的圆弧片，所述的圆弧片的曲率与驱动缸内圆面曲率相等。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的下端止回阀为两个。

4.根据权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于，所述的驱动缸顶部设置至少一个上端止回阀，在靠近驱动缸顶端的位置设置第二出水管。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的上端止回阀的阀瓣为一侧与驱动缸铰链连接，另一侧为带有缺口的C型缺口原片。

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