CN110700191B - 基于动滑轮组构造的恒流放水堰及其初始状态设定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于动滑轮组构造的恒流放水堰及其初始状态设定方法，涉及水位控制设施技术领域，其包括滑动设置于底座中的堰板，堰板通过同步移动装置连接于浮球上，浮球置于稳波盒中。同步移动装置包括水平杆，水平杆的两端通过直线导轨和动滑轮组分别与浮球和堰板连接，水平杆竖直滑动设置于水平保持机构中。解决了现有技术中挡水放水设施难以保证出水流量过程恒定的问题。

Description

基于动滑轮组构造的恒流放水堰及其初始状态设定方法

技术领域

本发明涉及水位控制设施技术领域，特别是涉及一种基于动滑轮组构造的恒流放水堰。

背景技术

现有技术中常见的挡水放水设施大多为人工或机械堰板，根据上游来水量以及下游所需水量要求，采用机械设备大致调节堰板开度，控制放水流量，放水过程中，出流过程随着来流过程波动，难以保证出流量过程的恒定。这对于下游流量过程要求较高的应用场景，如城市景观水系、风景区水网、大面积滩区补水洗盐、农田灌溉、污水排放等，会存在供需不平衡的问题。传统调节方式根据上游水位信息来人为调节堰的开度，难以自动监控，导致调节信息滞后等情况，有些堰板是固定设置的，存在无法调节出流量、实时调节难等问题。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种基于动滑轮组构造的恒流放水堰，解决了现有技术中挡水放水设施难以保证出水流量过程恒定的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供一种基于动滑轮组构造的恒流放水堰，其包括滑动设置于底座中的堰板，堰板通过同步移动装置连接于浮球上，浮球置于稳波盒中。

同步移动装置包括水平杆，水平杆的两端通过直线导轨和动滑轮组分别与浮球和堰板连接，水平杆竖直滑动设置于水平保持机构中。

进一步地，动滑轮组包括第一动滑轮、第二动滑轮和线绳，第一动滑轮固定连接于堰板上，第二动滑轮固定连接于水平杆上，线绳呈S型绕过第一动滑轮和第二动滑轮且两端固定。两端固定的线绳使绕在两个动滑轮上的线绳长度固定，呈S型缠绕的线绳使得第一动滑轮能够跟随第二动滑轮上下移动。

进一步地，直线导轨为滚动导轨，其包括竖直设置的滑轨和滑动设置于滑轨上的滑块，浮球和水平杆均固定连接于滑块上。滚动导轨能够最大限度地降低滑块与滑轨之间的摩擦力，提高将浮球的移动距离传递给堰板的传递效率。

进一步地，水平保持机构包括竖向设置的限位导轨，限位导轨上设置有竖直贯穿的燕尾槽，燕尾槽中滑动配合连接有燕尾钉，燕尾钉固定连接于水平杆上。通过燕尾槽与燕尾钉的配合作用，使燕尾钉只能沿着燕尾槽竖直上下移动，从而使固定在燕尾钉上的水平杆只能在竖直方向上下移动。

进一步地，沿水平杆的轴向并排间隔设置有两个水平保持机构。

进一步地，稳波盒包括置于水中的连通部和位于水面上的挡风部，挡风部的顶面敞开，连通部的侧壁上设置有供水流入的连通孔。通过连通孔将连通部外侧的水引入内腔中，形成一个连通器，使连通部内部的水位与外部的水位一致，挡风部给连通部内部的水提供屏障，减小风速等自然环境引起的水面波动，减少对堰板的误操作，提高可靠性。

进一步地，连通部呈圆台状，挡风部呈圆柱状，连通部和挡风部的内部均中空，且挡风部的内径大于浮球的最大外形尺寸，使浮球能够从挡风部敞开的顶端放入浮于稳波盒中的水面上，并随着稳波盒内的液面高度上下移动。

进一步地，底座设置于堰板的两端，底座上设置有供堰板插入并竖直滑动的矩形槽，矩形槽与堰板之间设置有滚轮。通过滚轮来降低底座与堰板之间的摩擦力，使堰板的移动距离更加接近于水位的变化距离，提高出水流量的恒定精度。

进一步地，堰板为薄壁堰。薄壁堰是指堰顶厚度与堰上水头的比值小于0.67的堰，薄壁堰的堰顶壁与过堰水流只有一条边线接触，对水流无影响，具有稳定的水头与流量关系，降低上下滑动过程中堰板对水流的影响。

上述基于动滑轮组构造的恒流放水堰的初始状态设定方法，其包括如下步骤：

S1：确定本放水堰下游的需求水流量Q进而确定需求堰上水头值H；

S2：选择堰板类型，根据需求堰上水头值H得出堰板上堰口的数量、结构尺寸和在堰板上的设定位置；

S3：根据安装本恒流放水堰水域处常年水位变化的最大值S_max得出堰板的高度S₁以及底座中矩形槽的深度S₂，使S₁>2S₂,S₂>S_max；

S4：计算堰上负荷q，通过q值的大小来校核堰板是否达到工艺要求；

S5：根据堰板、动滑轮组、水平杆和滑块的总重量选择浮球，并根据浮球的外形尺寸确定稳波盒的尺寸；

S6：安装基于动滑轮组构造的恒流放水堰，将稳波盒放置在堰板上游3～5H处，在线绳邻近第一动滑轮的一端固定之前，调整线绳的长度，进而调整堰板的高度，使此时的堰上水头等于H，即完成放水堰初始状态的设定。

本发明的有益效果为：通过同步移动装置将位于水中的浮球与堰板连接，使堰板能够在同步移动装置的带动下自动根据水位的变化来调节高度，进而调节堰上水头来保证放水流量的恒定。本恒流放水堰在调整好初始状态以后能够自动调节，无需人为干预，降低使用过程中的人工成本，且能够实时监控、实时调节，提高放水流量调节的时效性。

同步移动装置的结构简单，制造、安装成本低，易于维护、更换，且传动可靠，运动分析过程简单易于计算，使放水流量的调节精度更高，降低出错率。

浮球位于稳波盒中能够降低风速等自然环境因素对水位的影响，提高堰板动作的可靠性和准确性。

附图说明

图1为基于动滑轮组构造的恒流放水堰的结构示意图。

图2为图1中A-A方向的剖视图。

图3为底座与堰板装配处的俯视图。

图4为图3中B-B处的剖视图。

图5为图3中C-C处的剖视图。

其中，1、底座；11、矩形槽；12、滚轮；2、堰板；3、同步移动装置；31、水平杆；32、直线导轨；321、滑轨；322、滑块；33、动滑轮组；331、第一动滑轮；332、第二动滑轮；333、线绳；34、水平保持机构；341、限位导轨；3411、燕尾槽；342、燕尾钉；4、浮球；5、稳波盒；51、连通部；511、连通孔；52、挡风部。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该基于动滑轮组构造的恒流放水堰包括滑动设置于底座1中的堰板2，堰板2通过同步移动装置3连接于浮球4上，浮球4置于稳波盒5中。

同步移动装置3包括水平杆31，水平杆31的两端固定连接有两根竖直杆，竖直杆与水平杆31垂直。水平杆31一端的竖直杆底端固定于滑块322上，水平杆31另一端的竖直杆底端固定于第二动滑轮332的中心位置。滑块322滑动连接于竖直固定的滑轨321上，滑轨321和滑块322为滚动导轨。滚动导轨为直线导轨的一种，在滑块和滑轨之间设置有作无限滚动循环的钢珠，滑块能沿着滑轨轻易的以高精度作线性运动，其摩擦系数可降至传统滑动式导轨的1/50。

滑块322还与浮球4固定连接。浮球4用于监测水位高低，水位与堰板2上堰口底端之间的高度差即为堰上水头H。

浮球4从稳波盒5的顶端放入稳波盒5的内腔中。稳波盒5包括置于水中的连通部51和位于水面上的挡风部52，挡风部52的顶面敞开，连通部51的侧壁上设置有供水流入的连通孔511。连通部51呈圆台状，挡风部52呈圆柱状，连通部51和挡风部52的内部均中空，且挡风部52的内径大于浮球4的最大外形尺寸。

稳波盒5内部与外部水体形成连通器，使内、外液面高度相同。通过挡风部52的挡风作用最大程度消除外界风对于水面波动造成的瞬间影响，维持稳波盒内部水位恒定，即维持堰上水头稳定，最大化减少误差。

稳波盒5的放置位置距离堰上游壁面的距离L＝(3～5)H处，此时的堰前水面无明显下降，便于更好的确定堰上水头。

第一动滑轮331与第二动滑轮332位于同一平面内且轴线平行，线绳333的一端固定在较低位置，线绳333的另一端从第二动滑轮332的上端缠绕后从第一动滑轮331的下端缠绕并穿出，最后在较高位置固定。第一动滑轮331的中心位置通过一根连接杆与堰板2的顶端固定连接。

沿水平杆31的轴向并排间隔设置有两个水平保持机构34。如图2所示，水平保持机构34包括竖向设置的限位导轨341，限位导轨341上设置有竖直贯穿的燕尾槽3411，燕尾槽3411中滑动配合连接有燕尾钉342，燕尾钉342固定连接于水平杆31上。

如图3、图4所示，底座1设置于堰板2的两端，底座1上设置有供堰板2插入并竖直滑动的矩形槽11，矩形槽11的三个面与堰板2之间均设置有滚轮12，滚轮12转动连接于底座1上，堰板2与矩形槽11的三个面之间通过滚轮12的辊面接触，通过滚轮12将堰板2与矩形槽11之间的滑动摩擦力转化为滚动摩擦力。

堰板2为薄壁堰，根据其堰口形状，薄壁堰又可分为矩形薄壁堰、三角形薄壁堰、梯形薄壁堰和比例性薄壁堰等，其中矩形薄壁堰和直角三角形薄壁堰最为常用。针对测量精度而言，所测流量相同时，三角形薄壁堰相比矩形薄壁堰的堰上水头要大，故其测量精度要比矩形薄壁堰精度更高，特别是能够大幅度提高小流量的测量精度，本实施例中优选直角三角形薄壁堰。如图5所示，即在堰板2的顶端开设有截面呈直角三角形的缺口。直角三角薄壁堰的流量计算公式为：

Q＝1.4H^2.5

式中，Q为流量，H为堰上水头。

该公式适用范围为：上游堰高P1≥2H，堰宽B≥(3～4)H。

堰上水头H恒定，即可保证出流量Q恒定。

传统放水流量误差来源：

(1)风速，风速造成的水位波动变化是影响放水流量的最重要的一部分因素。

(2)水位信息滞后于调节需求，会造成一段时间内的水量供需不平衡。

误差分析，风速与浪高关系如下表：

表1

外界风速对于水面波动的影响如表所示，水面变化会直接导致出流量变化，以2级风为例，其引起的平均浪高为0.2米，堰上水头H设定为0.4米时，根据计算公式Q＝H^2.5，其实际出流量为Q_实际＝1.4(H+ΔH)^2.5，即各参数如下：

表2

H(m)	ΔH(m)	H实(m)	Q(m2/s)	Q实(m2/s)	ΔQ(m2/s)
						0.4	+0.2	0.6	0.1467	0.3904	0.2487
0.4	-0.2	0.2	0.1467	0.025	-0.1166

装置设定的出流量Q为0.1467m3/s；

其实际出流量范围Q实际为(0.025-0.3904)m3/s；

出流量误差范围ΔQ为(-0.1166-0.2487)m3/s；

此误差范围与风速有关，是影响出流量恒定最重要的因素。通过稳波盒能大幅度减少风速对于水面波动带来的误差影响。还可通过在本装置上游一定位置添加整流栅，整流栅整体为孔状滤网，一方面消除波浪动能，另一方面也能使水流正常通过。目的是消除风速对于堰前水位的影响，保持堰前水位恒定，与稳波盒相辅相成，使堰前水位不受外界风影响。

使用过程中，水位上升(下降)后，带动浮球4上升(下降)，浮球4带动滑块322沿着滑轨321上升(下降)，滑块322推动水平杆31上升(下降)，水平杆31带动第二动滑轮332上升(下降)，第二动滑轮332通过线绳333带动第一动滑轮331上升(下降)，第一动滑轮331带动堰板2上升(下降)，进而调整堰上水头，从而调整水流量，使水流量始终恒定。

上述基于动滑轮组构造的恒流放水堰的初始状态设定方法，其包括如下步骤：

S1：根据本放水堰下游的需求水流量Q确定需求堰上水头值H，具体计算方法为：

根据公式Q＝1.4H^2.5计算得到H值，

若H＝0.021～0.200m时，采用该H值；

若H＝0.301～0.350m时，则另外采用公式Q＝1.343H^2.47计算得到的H值；

若H＝0.021～0.300m时，则采用上述两个公式计算的H的平均值。

S2：选择堰板类型，根据需求堰上水头值H得出堰板上堰口的数量、结构尺寸和在堰板上的设定位置，具体方法为：

选择堰板的类型为直角三角堰，根据直角三角堰的结构特征，直角三角堰堰口两个坡面的夹角为90°，堰口的竖直高度d与堰口顶端的最大宽度a存在a＝2d的关系；

为了通过堰板上的堰口控制放水量，所以水面不能高于堰口的顶端，判断设置一个堰口能否满足H<d，

若不满足，则设置2个堰口进行判断，Q＝∑(Q₁+Q₂)，H₁＝H₂<d

若仍然不满足，则继续增加堰口数量，直至单个堰口上的H_i<d。

S3：根据安装本恒流放水堰水域处常年水位变化的最大值S_max得出堰板的高度S₁以及底座中矩形槽的深度S₂，使S₁>2S₂,S₂>S_max，使得堰板的调节范围能够满足水位的变化范围。

S4：计算堰上负荷q，通过q值的大小来校核堰板是否达到工艺要求，具体方法为：

根据公式

q＝0.5*Q/(H_i*i)

H_i为单个堰口上的堰上水头，i为堰口数量，

判断q是否满足q≤2.9L/(m*s)，

如果不满足，则调整堰口数量和堰口的结构尺寸，重复计算，直到满足要求。

S5：根据堰板、动滑轮组、水平杆和滑块的总重量选择浮球，浮球优选不锈钢材质的空心球，且浮球受到的浮力能够支撑堰板、动滑轮组、水平杆和滑块的总重量；并根据浮球的外形尺寸确定稳波盒的尺寸，稳波盒挡风部的内径大于浮球的外径，使得浮球能够从挡风部顶端直接放入到稳波盒中，并浮于稳波盒中的水面上。

S6：按照图1安装恒流放水堰，将稳波盒放置在堰板上游3～5H处，安装完成以后，在线绳邻近第一动滑轮的一端固定之前，调整线绳的长度，进而调整堰板的高度，使此时每个堰口上的堰上水头等于H_i，所有堰口中的放水流量的总和等于放水堰下游的需求水流量Q，即完成放水堰的初始状态设定，随着时间推移，水位上升或下降，均能够在奔放放水堰的调节下自动调整堰板的高度，使所有堰口中的放水流量的总和始终与初始状态相同，进而达到恒流放水的目的。

Claims (6)

1.一种基于动滑轮组构造的恒流放水堰，其特征在于，包括滑动设置于底座（1）中的堰板（2），所述堰板（2）通过同步移动装置（3）连接于浮球（4）上，所述浮球（4）置于稳波盒（5）中；

所述同步移动装置（3）包括水平杆（31），所述水平杆（31）的两端通过直线导轨（32）和动滑轮组（33）分别与所述浮球（4）和所述堰板（2）连接，所述水平杆（31）竖直滑动设置于水平保持机构（34）中；

所述动滑轮组（33）包括第一动滑轮（331）、第二动滑轮（332）和线绳（333），所述第一动滑轮（331）固定连接于所述堰板（2）上，所述第二动滑轮（332）固定连接于所述水平杆（31）上，所述线绳（333）呈S型绕过所述第一动滑轮（331）和所述第二动滑轮（332）且两端固定；

所述直线导轨（32）为滚动导轨，其包括竖直设置的滑轨（321）和滑动设置于所述滑轨（321）上的滑块（322），所述浮球（4）和所述水平杆（31）均固定连接于所述滑块（322）上；

所述水平保持机构（34）包括竖向设置的限位导轨（341），所述限位导轨（341）上设置有竖直贯穿的燕尾槽（3411），所述燕尾槽（3411）中滑动配合连接有燕尾钉（342），所述燕尾钉（342）固定连接于所述水平杆（31）上；

所述稳波盒（5）包括置于水中的连通部（51）和位于水面上的挡风部（52），所述挡风部（52）的顶面敞开，所述连通部（51）的侧壁上设置有供水流入的连通孔（511）；恒流放水堰的上游设置有整流栅，整流栅整体为孔状滤网。

2.根据权利要求1所述的基于动滑轮组构造的恒流放水堰，其特征在于，所述连通部（51）呈圆台状，所述挡风部（52）呈圆柱状，所述连通部（51）和所述挡风部（52）的内部均中空，且所述挡风部（52）的内径大于所述浮球（4）的最大外形尺寸。

3.根据权利要求1所述的基于动滑轮组构造的恒流放水堰，其特征在于，所述底座（1）设置于所述堰板（2）的两端，所述底座（1）上设置有供所述堰板（2）插入并竖直滑动的矩形槽（11），所述矩形槽（11）与所述堰板（2）之间设置有滚轮（12）。

4.一种权利要求1~3任一所述的基于动滑轮组构造的恒流放水堰的初始状态设定方法，其包括如下步骤：

S1：根据本放水堰下游的需求水流量Q确定需求堰上水头值H；

S2：选择堰板类型，根据需求堰上水头值H得出堰板上堰口的数量、结构尺寸和在堰板上的设定位置；

S3：根据安装本恒流放水堰水域处常年水位变化的最大值得出堰板的高度/>以及底座中矩形槽的深度/>，使/>；

S4：计算堰上负荷q，通过q值的大小来校核堰板是否达到工艺要求；

S5：根据堰板、动滑轮组、水平杆和滑块的总重量选择浮球，并根据浮球的外形尺寸确定稳波盒的尺寸；

S6：安装基于动滑轮组构造的恒流放水堰，将稳波盒放置在堰板上游3~5H处，在线绳邻近第一动滑轮的一端固定之前，调整线绳的长度，进而调整堰板的高度，使此时的堰上水头等于H，完成放水堰初始状态的设定。

5.根据权利要求4所述的基于动滑轮组构造的恒流放水堰的初始状态设定方法，其特征在于，所述步骤S1中根据需求水流量Q确定需求堰上水头值H的具体方法为：

根据公式计算得到H值，

若H=0.021~0.200m时，采用该H值；

若H=0.301~0.350m时，则采用公式计算得到的H值；

若H=0.021~0.300m时，则采用公式和/>计算的H的平均值。

6.根据权利要求4所述的基于动滑轮组构造的恒流放水堰的初始状态设定方法，其特征在于，所述步骤S4中核算堰板的工艺要求的具体方法为：

根据公式，/>为单个堰口上的堰上水头，i为堰口数量，

判断q是否满足q≤2.9L/(m*s)，

如果不满足，则调整堰口数量和堰口的结构尺寸，重复计算，直到满足要求。