CN113006196A - 高寒地区溪沟小流量双重取水系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于水利工程技术领域，涉及水利工程中引水取水技术，具体为高寒地区溪沟小流量双重取水系统，所述的中游取水区包括挡墙、实体溢流坝段、集水廊道空腔溢流坝段和底格栏栅取水坝段，所述的底格栏栅取水坝段设置在实体溢流坝段、集水廊道空腔溢流坝段之间；所述的中游取水区高出上游防渗铺盖区及下游护坦区的部分分成迎水面、夹层部、护坡；所述的底格栏栅取水坝段的夹层部为栏栅和空腔，形成底格栏栅集水廊道，集水廊道空腔溢流坝段的夹层部为盖板和空腔，形成空腔溢流坝段集水廊道；底格栏栅集水廊道与空腔溢流坝段集水廊道连通，呈从高到低的纵坡结构，并导入设置在挡墙处的引水管；既能保证冬季取水，又能节约投资。

Description

高寒地区溪沟小流量双重取水系统

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，涉及水利工程中引水取水技术，具体为高寒地区溪沟小流量双重取水系统。

背景技术

西南山区高寒地带溪沟海拔高、河床窄、水深浅、河床纵坡大、推移质较多、流量不稳定、冬季容易结冰，从目前已修建的工程来看，其取水方式主要有两种，底格栏栅取水和渗渠取水。其中底格栏栅取水缺点：①在高寒山区，冬季河流在枯水期流量小，底格栏栅坝格栅易被冰冻而无法取水；②栏栅易被推移质或悬移质堵塞。渗渠取水的缺点：①枯水期的出水量约为丰水期出水量的50％-60％甚至更少，取水量极为不稳定；②渗渠取水适用于河流或溪流清澈，含泥量不大的河流，而对于高寒山区的山区河流随季节性变化较大，洪水季节的河流水质含泥量较大，山区溪沟上的渗渠由于埋设浅，防冲能力较弱，常需增设防冲块石，淤塞可能性增大，甚至无法取到所需的水；③渗渠的取水量随使用年限的增加而减少，为了保证渗渠能够取到设计用水量，必须定期和不定期的对渗渠进行清洗、更换反滤料，渗渠的后期运行费用较高。高寒山溪河流小流量取水枢纽冬季取水成了当地急需解决的技术难题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明研发了高寒地区溪沟小流量双重取水系统，既能保证冬季取水，又能节约投资。

本发明采用的技术方案是，高寒地区溪沟小流量双重取水系统，包括沿水流方向设置的上游防渗铺盖区、中游取水区、下游护坦区，所述的中游取水区包括挡墙、实体溢流坝段、集水廊道空腔溢流坝段和底格栏栅取水坝段，所述的底格栏栅取水坝段设置在实体溢流坝段、集水廊道空腔溢流坝段之间；

所述的中游取水区高出上游防渗铺盖区及下游护坦区的部分为上窄下宽的直角梯形结构，沿水流方向，所述的直角梯形的矩形部分分成迎水面和夹层部，三角形部分为护坡；

所述的底格栏栅取水坝段的夹层部为栏栅和空腔，形成底格栏栅集水廊道，

所述的集水廊道空腔溢流坝段的夹层部为盖板和空腔，形成空腔溢流坝段集水廊道；所述的底格栏栅集水廊道与空腔溢流坝段集水廊道连通形成集水廊道，集水廊道的底部是由高到低的集水廊道底部纵坡，导入设置在挡墙处的引水管；

所述的底格栏栅取水坝段和集水廊道空腔溢流坝段的迎水面埋设有集水渗流管，所述的集水渗流管布设范围为，最低一层集水渗流管管底高程高于检修期泥沙淤积高程，最高一层集水渗流管管顶高程低于冰盖层以下。

所述的集水渗流管呈梅花形布设，集水渗流管内设置流速计，集水廊道空腔溢流坝段和底格栏栅取水坝段的迎水面一侧设置有滤网，滤网的两侧均连接履带，履带由设置在集水廊道空腔溢流坝段和底格栏栅取水坝段的迎水面上的两组张紧齿轮驱动。

所述的集水渗流管的管出口内径为管进口内径的1.2-1.5倍。

所述的栏栅形状为梯形栅，栅条宽度范围为1.2-2.5cm,栅条高度为栅条宽度的3-4倍。

所述的栏栅的栅隙为1-2cm。

所述的栏栅安装位置设置有L型槽。

所述的引水管的另一端设置有沉砂池，所述的沉砂池引出两个分支管道分别为放空管和输水管。

所述的沉砂池前设置有闸阀井，所述的闸阀井井内设置有手动球阀或水力遥控浮球阀。

所述的沉砂池底部斜向设置有螺旋排沙管，其与沉砂池侧边夹角为30-60°；所述的螺旋排沙管横截面为开口型，前沿低后沿高，两个沿边分别与沉砂池底面平齐并将沉砂池分成两部分。

所述的沉砂池水位以上设置溢流管。

为增强本发明对更低环境温度的适应性，其结构中还包括防冻系统，防冻系统包括对集水廊道内腔进行辐热的主动增温装置以及与栏栅连动的栏栅旋转控制装置。

主动增温装置包括设置在集水廊道空腔溢流坝段顶部的工作台、嵌设在工作台内部的电源、设置在工作台顶部的电加热装置以及连接集水廊道和电加热装置的换热管道，电源由供电电网、设置在集水廊道外部的太阳能发电板和设置在集水廊道底部纵坡上的水轮发电机协同供电，电加热装置为电热丝，换热管道的气流途经电加热装置，换热管道内还设置风机，换热管道的两端口均与集水廊道的内腔相连通，换热管道的进气口与盖板下表面平齐，换热管道的排气口延伸进集水廊道的内腔；

所述栏栅旋转控制装置包括设置在栏栅两端的转轴、设置在转轴端部的从动齿轮、与从动齿轮啮合的齿条、用于限定齿条运动轨迹的轨道以及用于驱动齿条运动的驱动齿轮以及与驱动齿轮轴接的驱动电机，驱动电机与所述电源电连接。

挡墙上设置有光照反射装置，光照反射装置包括支撑架和设置在支撑架上角度调节器以及固定在角度调节器上的反光镜，角度调节器包括设置在支撑架上的3根电动推杆，电动推杆两端分别通过球头铰接的方式连接支撑架和反光镜的背面。

本发明的有益效果：

采用底格栏栅兼迎水面集水渗流管综合取水，从地形地质、取水口布置、水力学条件、工程量、施工导流、施工条件和运行条件等方面综合考虑，从右岸至左岸依次布置实体溢流坝段、底格栏栅取水坝段、集水廊道空腔溢流坝段，上游设防渗铺盖，下游设护坦。为了防止冬季底格栏栅取水坝段格栅冰冻无法取水，将部分溢流坝段设计成内部空腔形成集水廊道，与底格栏栅坝段集水廊道连同，底格栏栅取水坝段和集水廊道空腔溢流坝段上游迎水面埋设集水渗流管，最低一层集水渗流管管底高程高于检修期泥沙淤积高程，防止泥沙淤积堵死集水渗流管进口；最高一层集水渗流管管顶高程低于冰盖层以下，以实现冬季集水渗流管在冰盖层以下取水。

本方案取水枢纽形式简单、施工方便、使用年限长、取水保证率高、投资小。解决了高寒山溪河流小流量取水枢纽冬季取水困难的问题。本方案的优化设计拉长了检修时段，从多方面解决了取水过程中的淤积和堵塞问题，沉砂池的泥沙也是通过螺旋排砂管自动排沙，建设期取水枢纽结构本身体量小、投资低；运行期降低了管理人员体力劳动，减少了运行期的管理费用。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为本发明的平面布置图；

图2为本发明上游立视图；

图3是图2中A-A剖面图；

图4是图2中B-B剖面图；

图5是图2中C-C剖面图；

图6是图1中沉砂池12和螺旋排沙管16的结构示意图；

图7是图6中M-M剖面图；

图8是本发明主动增温装置沿垂直于水流方向的剖面结构图；

图9是本发明栏栅旋转控制装置的侧视图；

图10是本发明光照反射装置的立体结构图；

图11是本发明滤网工作状态示意图；

图12是本发明滤网清理杂物状态示意图。

附图中，1是上游防渗铺盖区，2是集水廊道底部纵坡，3是下游护坦区，4是实体溢流坝段，5是集水廊道空腔溢流坝段，6是底格栏栅取水坝段，7是挡墙，8是底格栏栅集水廊道，9是空腔溢流坝段集水廊道，10是引水管，11是集水渗流管，12是沉砂池，13是放空管，14是输水管，15是闸阀井，16是螺旋排沙管，17是溢流管，18是栏栅，19是砂卵砾石回填,20是内衬钢板，21是转轴，22是从动齿轮，23是齿条，24是轨道，25是驱动齿轮，26是驱动电机,27是工作台，28是电源，29是电加热装置，30是换热管道，31是太阳能发电板，32是水轮发电机，33是风机，34是进风口，35是排风口，36是支撑架，37是角度调节器，38是反光镜。

具体实施方式

如图1-图5所示，高寒地区溪沟小流量双重取水系统，包括沿水流方向设置的上游防渗铺盖区1、中游取水区、下游护坦区3，所述的中游取水区包括挡墙7、实体溢流坝段4、集水廊道空腔溢流坝段5和底格栏栅取水坝段6，所述的底格栏栅取水坝段6设置在实体溢流坝段4、集水廊道空腔溢流坝段5之间，挡墙7与河岸之间为砂卵砾石回填19；

所述的中游取水区高出上游防渗铺盖区1及下游护坦区3的部分为上窄下宽的直角梯形结构，沿水流方向，所述的直角梯形的矩形部分分成迎水面和夹层部，三角形部分为护坡；

所述的底格栏栅取水坝段6的夹层部为栏栅18和空腔，形成底格栏栅集水廊道8，所述的集水廊道空腔溢流坝段5的夹层部为盖板和空腔，形成空腔溢流坝段集水廊道9；所述的底格栏栅集水廊道8与空腔溢流坝段集水廊道9连通形成集水廊道，集水廊道是由高到低的集水廊道底部纵坡2，导入设置在挡墙7处的引水管10；

所述的底格栏栅取水坝段6和集水廊道空腔溢流坝段5的迎水面埋设有集水渗流管11，所述的集水渗流管11布设范围为，最低一层集水渗流管11管底高程高于检修期泥沙淤积高程，最高一层集水渗流管11管顶高程低于冰盖层以下，集水渗流管11管径及根数依据进水流量通过水力计算确定。

参看图11和12，所述的集水渗流管11呈梅花形布设，集水渗流管11内设置流速计，集水廊道空腔溢流坝段9和底格栏栅取水坝段8的迎水面一侧设置有滤网41，滤网41的两侧均连接履带40，履带40由设置在集水廊道空腔溢流坝段9和底格栏栅取水坝段8的迎水面上的两组张紧齿轮39驱动。在夏季河水充沛时，容易产生较多杂物，滤网41能够过滤水中杂物，避免堵塞集水渗流管11的管进口，当滤网41上滞留较多杂物时，流速计检测到低于设计流速，则认为滤网41杂物过多，需要清理，清理的具体步骤是启动张紧齿轮39带动履带40，履带40带动滤网41先上升、再在张紧齿轮39的顶部位置转动90度至水平位置，靠河水冲刷走滤网41上的杂物，最后反向转动张紧齿轮30，将滤网41转至竖直并下降至水中。。

所述的集水渗流管11的管出口内径为管进口内径的1.2-1.5倍，这样管径渐变的结构可以避免卵石等杂物堵在集水渗流管11的管道中间位置。

所述的栏栅18形状为梯形栅，因为梯形栅相当于扩张圆柱管嘴，管嘴出流收缩处造成的真空具有“吸”的能力，其结果会增加水流通过栅隙的流速，所以相同栅隙情况下梯形栅的流速更大；栅条宽度范围为1.2-2.5cm,栅条宽度必须保证栅条的横向刚度，不致由于卡栅造成变形；栅条高度为栅条宽度的3-4倍，以保证在过流时近似形成管嘴出流从而增大过流量。

所述的栏栅18的栅隙为1-2cm，栅隙宽度取决于限制进入廊道的泥沙粒径的大小，一般认为能限制天然河道中来沙总量的80％左右即可。栅隙过大进入引水廊道的砂石就多，需要大水量和高流速冲走砂石，太小又会增加卡栅的几率给运行管理带来麻烦。

从结构牢固、过流顺利、运行可靠、管理方便的角度出发，所述的栏栅18安装位置设置有L型槽，对于栅条的安装、检修以及拆卸都很方便，而且能保证过流平顺，运行可靠。

再参看图1、图6和图7，所述的引水管10的另一端设置有沉砂池12，所述的沉砂池12引出两个分支管道分别为放空管13和输水管14。

所述的沉砂池12前设置有闸阀井15，所述的闸阀井15井内设置有手动球阀或水力遥控浮球阀。

所述的沉砂池12与输水管14连接处设置有闸阀井15，所述的闸阀井15井内设置有手动球阀或水力遥控浮球阀。

所述的沉砂池12底部斜向设置有螺旋排沙管16，其与沉砂池12侧边夹角为30-60°，夹角过大，容易造成泥沙的堆积，夹角过小，排沙速度慢，影响排沙效率；所述的螺旋排沙管16横截面为开口型，前沿低后沿高，两个沿边分别与沉砂池12底面平齐并将沉砂池12分成两部分。

所述的螺旋排沙管16开口角度为80-100°，开口过小，易于造成泥沙进入管口的与推出的阻碍和相互撞击；开口过大，流速小时排除的泥沙直接又落回螺旋排沙管16中，造成淤积。后沿与水平线夹角为70-90°，开口角度不变，夹角过小，开口中心点下落，螺旋排沙管16埋得较深，不利于泥沙的排除；夹角过大，开口中心点上升，螺旋排沙管16埋得较浅，泥沙排除的路径变长，需要的流速较大，不利于小流量取水。

根据流速、泥沙的粒径、沉砂池12宽度等推算出内径为500-700mm。

所述的螺旋排沙管16与放空管13连接处设置有闸阀井15，所述的闸阀井15井内设置有手动球阀或水力遥控浮球阀。

螺旋排沙管16内层设置有内衬钢板20。

所述的沉砂池12水位以上设置溢流管17。

参看图8和图9，为增强本发明对更低环境温度的适应性，本发明其他实施方式的结构中还包括防冻系统，防冻系统包括对集水廊道内腔进行辐热的主动增温装置以及与栏栅18连动的栏栅旋转控制装置。

主动增温装置包括设置在集水廊道空腔溢流坝段5顶部的工作台27、嵌设在工作台27内部的电源28、设置在工作台顶部的电加热装置29以及连接集水廊道和电加热装置29的换热管道30，电源28由供电电网、设置在集水廊道外部的太阳能发电板31和设置在集水廊道底部纵坡2上的水轮发电机32协同供电，电加热装置29为电热丝，换热管道30的气流途经电加热装置29，换热管道30内还设置风机33，换热管道30的两端口均与集水廊道的内腔相连通，换热管道的进气口34与盖板下表面平齐，换热管道30的排气口35延伸进集水廊道的内腔。主动增温装置主要利用清洁能源转化为热能，对集水廊道内进行增温，避免在极寒环境中集水廊道内的水结冰。

所述栏栅旋转控制装置包括设置在栏栅18两端的转轴21、设置在转轴21端部的从动齿轮22、与从动齿轮22啮合的齿条23、用于限定齿条23运动轨迹的轨道24以及用于驱动齿条23运动的驱动齿轮25以及与驱动齿轮25轴接的驱动电机26，驱动电机26与所述电源28电连接。栏栅旋转控制装置能够控制栏栅18旋转，从而在白天温度较高、光照较强时使栏栅转18至竖直方向，相当于集水廊道顶部开设“天窗”，光照能够通过栏栅18间隙照射进集水廊道内，为集水廊道内部进行辐热；反之在夜间温度较低时、无光照时使栏栅18转至水平方向，且相邻栏栅18的边缘两两相接，将集水廊道顶部的“天窗”封闭，使集水廊道形成封闭的空间，避免冷空气进入集水廊道内部。

参看附图10，挡墙7上设置有光照反射装置，光照反射装置包括支撑架36和设置在支撑架36上角度调节器37以及固定在角度调节器37上的反光镜38，角度调节器37包括设置在支撑架36上的3根电动推杆，电动推杆两端分别通过球头铰接的方式连接支撑架36和反光镜38的背面。通过伸缩变换电动推杆的长度，来改变反光镜38的朝向及倾角，将更多的光照反射到栏栅18所在的区域，避免栏栅18冻结。

本发明在具体使用时，采用底格栏栅兼迎水面集水渗流管综合取水，从地形地质、取水口布置、水力学条件、工程量、施工导流、施工条件和运行条件等方面综合考虑，从右岸至左岸依次布置实体溢流坝段4、底格栏栅取水坝段6、集水廊道空腔溢流坝段5，上游设防渗铺盖，下游设护坦。

根据流量、廊道宽度和泥沙启动流速，可求出每段长度的水深、水头损失及底部各点高程。连接各点高程，得到集水廊道底部纵坡2。一般集水廊道起端坡度较陡，末端变缓，形成一弧形纵坡。为了施工方便，可以将弧线简化为向引水管10方向的折线纵坡，由引水管10引水至沉砂池12(沉砂池12兼进水池作用)，沉砂池12前设闸阀井15，井内设手动球阀或水力遥控浮球阀，用于控制进水流量，砂石等细颗粒经沉砂池12的底部螺旋排沙管16自动排出沉砂池12，沉砂池12设计水位以上设溢流管17，螺旋排砂管16兼放空作用，螺旋排砂管16与放空管13连通，初步过滤的水由输水管14输至净化水厂，各管出口均设闸阀井15，控制出水流量以便运行和检修。

夏季水位较高时，河水能够从坝顶溢流，部分或全部水流经栏栅18空隙进入集水廊道，然后由廊道一端流入引水管10。河流中的推移质，除砂石等细颗随水流进入集水廊道外，其余的砾石及卵石随水流由栏栅18顶或堰顶冲向下游。为了防止冬季底格栏栅取水坝段格栅18冰冻无法取水，将部分溢流坝段设计成内部空腔形成集水廊道，与底格栏栅坝段集水廊道连同，底格栏栅取水坝段6和集水廊道空腔溢流坝段5上游迎水面埋设集水渗流管11，集水渗流管11呈梅花形布设，最低一层集水渗流管11管底高程高于检修期泥沙淤积高程，防止泥沙淤积堵死集水渗流管进口；最高一层集水渗流管11管顶高程低于冰盖层以下，以实现冬季集水渗流管11在冰盖层以下取水，集水渗流管11管径及根数依据进水流量通过水力计算确定。集水廊道水由引水管10引至沉砂池12，沉砂池12池底设螺旋排砂管16，砂石等细颗粒经螺旋排沙管16自动排出沉砂池12，螺旋排砂管16兼放空作用，螺旋排砂管16与放空管13连通，沉砂池需做检修时可关闭进水阀，放空沉砂池12内的水进行检修。

Claims (10)

1.高寒地区溪沟小流量双重取水系统，包括沿水流方向设置的上游防渗铺盖区(1)、中游取水区、下游护坦区(3)，所述的中游取水区包括挡墙(7)、实体溢流坝段(4)、集水廊道空腔溢流坝段(5)和底格栏栅取水坝段(6)，所述的底格栏栅取水坝段(6)设置在实体溢流坝段(4)、集水廊道空腔溢流坝段(5)之间；

所述的中游取水区高出上游防渗铺盖区(1)及下游护坦区(3)的部分为上窄下宽的直角梯形结构，沿水流方向，所述的直角梯形的矩形部分分成迎水面和夹层部，三角形部分为护坡；

所述的底格栏栅取水坝段(6)的夹层部为栏栅(18)和空腔，形成底格栏栅集水廊道(8)，其特征在于：

所述的集水廊道空腔溢流坝段(5)的夹层部为盖板和空腔，形成空腔溢流坝段集水廊道(9)；所述的底格栏栅集水廊道(8)与空腔溢流坝段集水廊道(9)连通形成集水廊道，集水廊道的底部是由高到低的集水廊道底部纵坡(2)，导入设置在挡墙(7)处的引水管(10)；

所述的底格栏栅取水坝段(6)和集水廊道空腔溢流坝段(5)的迎水面埋设有集水渗流管(11)，所述的集水渗流管(11)布设范围为，最低一层集水渗流管(11)管底高程高于检修期泥沙淤积高程，最高一层集水渗流管(11)管顶高程低于冰盖层以下；

其结构中还包括防冻系统，防冻系统包括对集水廊道内腔进行辐热的主动增温装置以及与栏栅(18)连动的栏栅旋转控制装置。

2.根据权利要求1所述的高寒地区溪沟小流量双重取水系统，其特征在于：所述的集水渗流管(11)呈梅花形布设，集水渗流管(11)内设置流速计，集水廊道空腔溢流坝段(5)和底格栏栅取水坝段(6)的迎水面一侧设置有滤网(41)，滤网(41)的两侧均连接履带(40)，履带(40)由设置在集水廊道空腔溢流坝段(5)和底格栏栅取水坝段(6)的迎水面上的两组张紧齿轮(39)驱动。

3.根据权利要求1所述的高寒地区溪沟小流量双重取水系统，其特征在于：所述的集水渗流管(11)的管出口内径为管进口内径的1.2-1.5倍。

4.根据权利要求1所述的高寒地区溪沟小流量双重取水系统，其特征在于：所述的栏栅(18)形状为梯形栅，栅条宽度范围为1.2-2.5cm,栅条高度为栅条宽度的3-4倍。

5.根据权利要求1或4所述的高寒地区溪沟小流量双重取水系统，其特征在于：所述的栏栅(18)的栅隙为1-2cm。

6.根据权利要求1或4所述的高寒地区溪沟小流量双重取水系统，其特征在于：所述的栏栅(18)安装位置设置有L型槽。

7.根据权利要求1所述的高寒地区溪沟小流量双重取水系统，其特征在于：所述的引水管(10)的另一端设置有沉砂池(12)，所述的沉砂池(12)引出两个分支管道分别为放空管(13)和输水管(14)；所述的沉砂池(12)前设置有闸阀井(15)，所述的闸阀井(15)井内设置有手动球阀或水力遥控浮球阀；所述的沉砂池(12)底部斜向设置有螺旋排沙管(16)，其与沉砂池(12)侧边夹角为30-60°；所述的螺旋排沙管(16)横截面为开口型，前沿低后沿高，两个沿边分别与沉砂池(12)底面平齐并将沉砂池(12)分成两部分；所述的沉砂池(12)水位以上设置溢流管(17)。

8.根据权利要求1所述的高寒地区溪沟小流量双重取水系统，其特征在于：所述主动增温装置包括设置在集水廊道空腔溢流坝段(5)顶部的工作台(27)、嵌设在工作台(27)内部的电源(28)、设置在工作台(27)顶部的电加热装置(29)以及连通集水廊道和电加热装置(29)的换热管道(30)；电源(28)由供电电网、设置在集水廊道外部的太阳能发电板(31)和设置在集水廊道底部纵坡(2)上的水轮发电机(32)协同供电，电加热装置(29)为电热丝，换热管道(30)的气流途经电加热装置(29)，换热管道(30)内还设置风机(33)，换热管道(30)的两端口均与集水廊道的内腔相连通，换热管道(30)的进气口(34)与盖板下表面平齐，换热管道(30)的排气口(34)延伸进集水廊道的内腔。

9.根据权利要求8所述的高寒地区溪沟小流量双重取水系统，其特征在于：所述栏栅旋转控制装置包括设置在栏栅两端的转轴(21)、设置在转轴(21)端部的从动齿轮(22)、与从动齿轮(22)啮合的齿条(23)、用于限定齿条(23)运动轨迹的轨道(24)以及用于驱动齿条(23)运动的驱动齿轮(25)以及与驱动齿轮(25)轴接的驱动电机(26)，驱动电机(26)与所述电源(28)电连接。

10.根据权利要求7所述的高寒地区溪沟小流量双重取水系统，其特征在于：所述挡墙(7)上设置有光照反射装置，光照反射装置包括支撑架(36)和设置在支撑架(36)上角度调节器(37)以及固定在角度调节器(37)上的反光镜(38)，角度调节器(37)包括设置在支撑架(36)上的3根电动推杆，电动推杆两端分别通过球头铰接的方式连接支撑架(36)和反光镜(38)的背面。

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