CN110565575A - 一种高寒区大坝智能抗冰拔装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种高寒区大坝智能抗冰拔装置，包括：鼓风机，放置于坝上或廊道内；两根导轨，垂直水面且靠近坝体安装；两个套环，分别套设在一根导轨上且沿各自导轨自由滑动；硬质导管，连接于两个套环之间；弹性导管，用于连通硬质导管和鼓风机的出风口；多根出气管，均匀布设在硬质导管上且向水下延伸；悬浮空心球体，与硬质导管固定连接，用于使出气管末端与水面的距离固定；温度传感器，用于测量库水温度；摄像头，用于每隔一段时间对坝前结冰情况进行拍照；以及控制端，与鼓风机、温度传感器和摄像头相连，用于定期对拍摄的照片进行处理，并且结合测量的库水温度调整鼓风机的功率。本装置在保障大坝安全运行的同时可最大程度的节约能源。
Description
技术领域
本发明涉及一种高寒区大坝智能抗冰拔装置，属于水利建筑低温防护装置技术领域。
背景技术
在我国寒冷地区建设有许多混凝土坝，在冬季运行过程中，水库库水结冰并与大坝冻结。水结冰过程会产生体积膨胀，对建筑物产生推力，即冰推现象。在发电或者温度改变等因素影响下，水库水位发生上升或者下降，冰层受到水和重力等的影响，进而产生冰层对大坝的应力，即冰拔现象。冰推和冰拔现象的存在，会使得大坝表面混凝土遭到严重破坏，因此需要采取措施，防止大坝表面结冰。
现有中国专利201320100849.7中公开的一种大坝面板防冰装置，包括安装于吊篮中的水流推进器，安装于吊篮外侧用于保证整个装置浮于水面上的浮筒，限位钢丝绳和限位重物，该装置通过推进器产生的水流沿平行大坝轴线方向流动，以传质传热机理使坝面前形成不冻的区域，从而避免坝面的冻害发生。但是为达到防冰要求，需采用大型的推进器，耗费较多能源；同时，采用的推进器较重，使得浮筒体积较大，装置的整体体积也较大，不适合装置的实际安装使用；该装置中较多机械元件放入水中，容易出现老化，且检修较为困难。此外，该装置无法根据实际环境进行调整，假如气温过低而装置中水流不够大，可能出现装置无法防冰导致失效，亦或出现气温正常或者只有轻微结冰时，无法实时调整装置，会造成能源的浪费。
发明内容
为了满足以上所述的需求，本发明的目的在于提供一种高寒区大坝智能抗冰拔装置，本发明能够实现对大坝坝前水体的扰动，进而实现防止大坝表面结冰，避免大坝表面结冰引起的冰推冰拔现象对大坝表面混凝土的破坏，且结构简单，维护方便，运行成本低。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提出的一种高寒区大坝智能抗冰拔装置，其特征在于，包括：
鼓风机，放置于坝上或廊道内，用于提供干燥空气(防止湿空气中水汽在管道中凝结)；
两根导轨，垂直水面且靠近坝体安装；
两个套环，分别套设在一根所述导轨上且沿各自导轨自由滑动；
硬质导管，连接于两个所述套环之间；
弹性导管，用于连通所述硬质导管和鼓风机的出风口，且抗冰拔装置运行时保证该弹性导管处于松弛状态，避免在水位变动时绷紧；
多根出气管，均匀布设在所述硬质导管上且向水下延伸，各出气管末端弯起朝向水面，用于释放气体，施加对水体的扰动；
悬浮空心球体，与所述硬质导管固定连接，且随该硬质导管沿所述导轨自由移动，用于使所述出气管末端与水面的距离固定；
温度传感器，插入水中用于测量库水温度；
摄像头，安装于坝上，用于每隔一段时间对坝前结冰情况进行拍照；
以及控制端，与所述鼓风机、温度传感器和摄像头相连，用于定期对摄像头拍摄的照片进行处理，得到坝体与冰面边界的距离，根据该距离与设定距离之间的关系且结合测量的库水温度，调整所述鼓风机的功率。
本发明的特点及有益效果：
本发明装置通过对水体施加扰动，阻止了水体在冬季寒冷环境下结冰，进而避免了冰拔冰推等可能造成大坝表面或大坝表面的保温层损伤的现象；同时，本装置设置了悬浮球体，可根据水位自动调节出气管口位置，使得出气管口与水面距离固定，使得防冰效果最佳。本发明装置构成简单，易于在实际工程上进行安装，设备成本小；使用气体对水体进行扰动，工作方式绿色无污染，不会对生态环境造成破坏；在运行过程中只消耗少量电量，运行成本小；装置配备有智能控制模块，可根据实际防冰情况，智能调控装置功率，使得保障大坝的安全运行的同时，最大程度的节约能源，降低成本；同时，设备在水中的部分结构简单，出现问题后的检修非常方便；防冰效果显著，在零下30℃的环境下，最大可使距离坝体3～5m范围内水体不结冰。
附图说明
图1为本发明实施例的一种高寒区大坝智能抗冰拔装置示意图。
图2为悬浮空心球体和出气管示意图。
图3为导轨示意图。
图中标号：
1—鼓风机；2—坝体；3—弹性导管；4—导轨；5—套环；6—悬浮空心球体；7—出气管；8—摄像头；9-硬质导管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1～2所示，本发明提出的一种高寒区大坝智能抗冰拔装置，包括：鼓风机1、两根导轨4、两个套环5、一根弹性导管3、一根硬质导管9、多根出气管7、悬浮空心球体6、摄像头8、温度传感器和控制端(所述温度传感器和控制端在图中未示意出)；其中，鼓风机1放置于坝上或廊道内，用于提供干燥空气；两根导轨4垂直水面且靠近坝体安装，各导轨4上分别设有一个套环5，各套环可沿相应导轨4自由移动，硬质导管9两端分别与一个套环5固定连接；弹性导管3的两端分别硬质导管9和鼓风机1的出风口连接，且本抗冰拔装置运行时应保证该弹性导管3处于松弛状态，避免在水位变动时发生绷紧；多根出气管7均匀布设在硬质导管上且向水下延伸，各出气管7末端弯起朝向水面，用于释放由鼓风机1通入的干燥气体，施加对水体的扰动；悬浮空心球体6与硬质导管9固定连接，且随该硬质导管9沿导轨4自由移动，用于使各出气管7末端与水面的距离固定，通过硬质导管9来约束悬浮空心球体6水平方向的移动；温度传感器插入水中用于测量库水温度；摄像头8安装于坝上，用于每隔一段时间对坝前结冰情况进行拍照；控制端与鼓风机1、温度传感器和摄像头8相连，用于定期对摄像头8拍摄的照片进行处理，得到坝体与冰面边界的距离，根据该距离与设定距离之间的关系且结合温度传感器测量的库水温度，调整鼓风机1的功率。
弹性导管3与出气管7连接，将空气干燥后通过弹性导管3、出气管7吹出后对水体进行扰动；弹性导管3，连接鼓风机1，悬浮空心球体和出气管7，是气体流动的通道；导轨4，通过套环5与弹性导管3连接，间接约束悬浮空心球体6的水平方向的移动；套环5，用于连接导轨4和弹性导管3；出气管7，末端弯起朝向水面，；摄像头8，用于每隔一段时间对坝前结冰情况进行拍照，并上传至智能控制模块；智能控制模块9，用于利用深度学习的技术，对摄像头8拍摄的照片进行处理，得到当前结冰情况，并根据当前情况调整鼓风机功率；温度传感器10用于测量库水温度。
本发明实施例各组成部件的具体实现方式及功能说明如下：
本实施例的抗冰拔装置中，鼓风机1，用于吸入空气并进行干燥，将干燥后的气体鼓入弹性导管3和硬质导管9，后经由各出气管7释放。干燥空气可防止在极端低温下空气中的水汽在导管内部凝结，造成装置无法工作。
弹性导管3用于连接鼓风机1的出风口和硬质导管9，。弹性导管3要求长度较长，弹性较好，材质上比如可选用较软的塑料，弹性导管3在设备运行过程中处于松弛状态，以免弹性导管3绷紧造成对悬浮空心球体6和出气管7的垂直方向约束。
导轨4是由两根固定于大坝表面的钢轨组成，分别通过一个套环5与硬质导管9两端固定连接。
各出气管7的末端弯起，用于向水面释放气体，施加对水体的扰动。气量由鼓风机功率确定，出气管水平上等间距排布，间距根据实际需要确定。进一步地，各出气管末端的出气口距离水面2～5m，优选3m。
两个套环5用于连接硬质导管9和导轨4，用于约束硬质导管9，进而间接提供悬浮空心球体6和出气管7的水平方向的约束。套环5的直径大于导轨4直径，当水位发生变动时，可在悬浮空心球体6带动下沿导轨5无约束地上下移动。
悬浮空心球体6可采用密度较小的塑料、PVC材料等制成，形状上，可根据实际需要采用球体、圆柱体等形状。悬浮空心球体6与硬质导管9之间采用绑扎等方式固定，以防止脱离。悬浮空心球体6的大小主要根据硬质导管9和所有出气管7的质量确定，大体上使得悬浮空心球体6淹没深度不大于其半径，使各出气管7末端与水面的距离固定。此外，悬浮空心球体6不可以与大坝表面接触，避免悬浮空心球体6与大坝表面的摩擦力影响悬浮空心球体6的上下移动，影响本装置的防冰效果。
摄像头8固定于大坝表面较高位置，根据实际情况调整位置以获得较好拍摄角度。摄像头8设定为每隔一段时间(拍摄间隔时间根据实际需要确定)拍摄一张或多张照片，并上传至控制端。
温度传感器，本实施例的温度传感器采用型号为Pt100温度传感器，可实时测量库水温度并将信号传送至控制端。
控制端，能够接收摄像头8上传的照片，并对照片进行处理。本实施例的控制端采用型号为STM32F446RCT6的微控制器，利用深度学习技术，对照片进行处理，可得出冰面边界与坝体的距离，配合温度传感器10测量的实时水温，对鼓风机1的功率进行调整：通过深度学习中的图像边缘提取算法(为现有技术)对摄像头拍摄照片的处理，得到大坝与冰面边界的距离，当距离等于设定距离(根据需要确定，比如1m)时，说明除冰效果较好，可保持鼓风机功率不变；当距离大于设定距离时，说明除冰效果较好，可适当调低鼓风机功率；当距离小于设定距离时，说明除冰效果需加强，增大鼓风机功率。通过调整使装置达到优良防冰效果与用电成本小的平衡点。
利用本实施例装置进行坝体表面防冰的具体过程如下：
首先根据上述连接关系安装本装置各组成部件。检查各部分正常后对鼓风机1，摄像头和控制端不间断供电，观察到出气管7上方水面出现较多气泡即可。装置根据水面结冰情况智能调整鼓风机1的风力，使得既起到防冰的效果，又节约用电。在整个低温过程中，需要对装置进行不间断供电，防止由于装置停止运行后结冰造成对大坝的损坏。
综上，本发明装置通过实现水体的扰动，避免水体结冰，同时，还可以自动随水位变动而移动，避免因水位变动引起的防冰装置失效，更好的防止寒冷地区大坝表面结冰，保障大坝的安全运行。另一方面，本发明装置能够通过控制端、悬浮空心球体等的配合，根据水位变动和实际抗冰拔效果，进行反馈调节，提高抗冰拔效果的同时降低成本。
以上所述仅为本发明的部分实施例，不代表本发明的所有实施例，凡在本发明精神、原则以内进行的修改、替换、改进等，均应在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种高寒区大坝智能抗冰拔装置，其特征在于，包括：
鼓风机，放置于坝上或廊道内，用于提供干燥空气；
两根导轨，垂直水面且靠近坝体安装；
两个套环，分别套设在一根所述导轨上且沿各自导轨自由滑动；
硬质导管，连接于两个所述套环之间；
弹性导管，用于连通所述硬质导管和鼓风机的出风口，且抗冰拔装置运行时保证该弹性导管处于松弛状态，避免在水位变动时绷紧；
多根出气管，均匀布设在所述硬质导管上且向水下延伸，各出气管末端弯起朝向水面，用于释放气体，施加对水体的扰动；
悬浮空心球体，与所述硬质导管固定连接，且随该硬质导管沿所述导轨自由移动，用于使所述出气管末端与水面的距离固定；
温度传感器，插入水中用于测量库水温度；
摄像头，安装于坝上，用于每隔一段时间对坝前结冰情况进行拍照；
以及控制端，与所述鼓风机、温度传感器和摄像头相连，用于定期对摄像头拍摄的照片进行处理，得到坝体与冰面边界的距离，根据该距离与设定距离之间的关系且结合测量的库水温度，调整所述鼓风机的功率。
2.根据权利要求1所述的高寒区大坝智能抗冰拔装置，其特征在于，所述悬浮空心球体采用轻质材料制成，包括PVC。
3.根据权利要求1所述的高寒区大坝智能抗冰拔装置，其特征在于，所述悬浮空心球体的形状包括球体，圆柱体或圆环。
4.根据权利要求1所述的高寒区大坝智能抗冰拔装置，其特征在于，各所述出气管末端的出气口距离水面2～5m。
5.根据权利要求1所述的高寒区大坝智能抗冰拔装置，其特征在于，所述悬浮空心球体的淹没深度不大于其半径，且避免悬浮空心球体与坝体表面接触。
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