CN113403999A - 基于水轮机改变坝身透水率的丁坝 - Google Patents

基于水轮机改变坝身透水率的丁坝 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于水轮机改变坝身透水率的丁坝，包括坝体，所述坝体与河岸及河床相连接，所述坝体内设置有控制器、蓄电池、信号处理器和多个水轮机，所述水轮机主要由水轮机壳体、转轮和水轮启闭闸门组成；所述蓄电池通过电线分别与控制器和各水轮机电性连接，水流过水轮机时转轮将水流的动能转换为电能储存在蓄电池中，蓄电池为控制器的工作以及水轮机中水轮启闭闸门的动作供电；所述控制器通过信号线分别与各水轮机和信号处理器电性连接，以接收上位机或移动终端发送来的控制命令，以及根据控制命令及不同的水位情况调整各水轮机中水轮启闭闸门的开启程度，从而控制丁坝的透水率。该丁坝有利于调节控制丁坝的透水率。

Description

基于水轮机改变坝身透水率的丁坝
技术领域
本发明属于河道整治技术领域，具体涉及一种基于水轮机改变坝身透水率的丁坝。
背景技术
丁坝在河道或航道等整治工程中应用广泛，能保护河岸边坡不受水流直接冲蚀而产生掏刷破坏，同时也在保护水生态多样化方面发挥着重要作用。现有丁坝大多数为重力式丁坝，而重力式丁坝一旦建成以后，高度、长度及透水率等参数无法改变，无法对丰水期和枯水期的不同水流形态做出相应变化。国内目前已有对重力式丁坝存在的技术问题进行改进的一些有关透水丁坝的发明。
如申请号为201910814589.1的专利公开了一种可调整与河岸角度的透水丁坝，包括钢板桩、卷扬机及支撑架等构件实现了可根据实际航道水深的需要来调整坝体与河岸的夹角从而可使水流通过透水丁坝群时逐级减缓水流流速。又如申请号为202010984671.1的专利公开了一种可移动式透水桩柱丁坝及运行方法，包括固定轨道、多个移动轨道及多个可移动式透水桩柱等构件适应调整丁坝的透水率及丁坝坝体的形态，有效提高丁坝稳定性及生态友好的应用效果。
透水丁坝较传统丁坝有效减小了水流对坝体冲刷的侵蚀，但面对河流年内环境变化较大等情况时，因丁坝长度恒定及丁坝透水率处于固定范围，丁坝运行不具有普适性，仍缺乏较好的自适应调节能力，不利于丁坝的长期使用。
此外，现有带发电机组的坝体一般为节流型，主要用于将水流对堤坝的冲击转换为发电的动力，目的为提高资源的利用效率，其无法实现挑流，防止水流掏蚀及保护河岸的作用，且其建造费用高昂，拆除与维修困难。
因此，亟需研发一种既可以保护河岸防止水流冲刷与淤积，又可以对不同时期水流大小做出相应变化并合理利用水流能量的丁坝结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于水轮机改变坝身透水率的丁坝，该丁坝有利于调节控制丁坝的透水率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于水轮机改变坝身透水率的丁坝，包括坝体，所述坝体与河岸及河床相连接，所述坝体内设置有控制器、蓄电池、信号处理器和多个水轮机，所述水轮机主要由水轮机壳体、转轮和水轮启闭闸门组成；所述蓄电池通过电线分别与控制器和各水轮机电性连接，水流过水轮机时转轮将水流的动能转换为电能储存在蓄电池中，蓄电池为控制器的工作以及水轮机中水轮启闭闸门的动作供电；所述控制器通过信号线分别与各水轮机和信号处理器电性连接，以接收上位机或移动终端发送来的控制命令，以及根据控制命令及不同的水位情况调整不同水轮机中水轮启闭闸门的开启程度，从而控制丁坝的透水率。
进一步地，在河道中建立多个所述坝体，形成丁坝群，以提高对于透水率的控制效果。
进一步地，所述坝体垂直于河岸固定在河床上，坝体一端镶嵌于河岸上并与河岸成“T”字形布置，坝身与河床呈90°，且坝身长度占河道的1/4-1/2。
进一步地，所述河岸在天然河岸的基础上开挖岸坡、堆积碎石并用混凝土进行浇筑；在水位变动区，所述河岸垂直布置在河床上；所述河床在开挖平整后与河岸平顺相接。
进一步地，所述控制器、蓄电池和多个水轮机在坝体内沿坝根向坝头方向设置，所述蓄电池和控制器布置在坝体最内侧，且蓄电池布置在控制器上方；所述多个水轮机中，尺寸相同的两个为一组叠放在坝体内，各水轮机组沿坝根向坝头方向依次布置且水轮机尺寸渐次增大，靠近坝头处的水轮机尺寸最大；所述坝体在坝头和坝根处均设置有所述信号处理器，并对信号处理器进行防水处理，对信号处理器与坝体的连接处进行密封防水处理。
进一步地，各水轮机的水轮机壳体厚度与坝体厚度保持一致。
进一步地，所述转轮主要由水轮叶片和线圈构成，线圈设置于水轮叶片中间并与水轮叶片连接，所述转轮外侧设置水轮启闭闸门，在各水轮机前后两外侧均设置有一层滤网。
进一步地，所述水轮机壳体外部为正方形，并在正方形内部开设有一个用于安装线圈和水轮叶片的透空筒体；所述水轮叶片4个一组并设置成弧形与中间的线圈相连接，水轮叶片的顶端面为圆弧面，且圆弧面与透空筒体贴近。
进一步地，所述蓄电池包括电池组和连接电线，所述电池组主要由分别固定在电池组内四个象限的4个电池组成，每一个电池均与各水轮机的转轮相连接。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：提供了一种基于水轮机改变坝身透水率的丁坝，可以根据不同的水位情况调整水轮启闭闸门开启的幅度来控制坝体的透水率，从而在丰水期可以打开水流启闭闸门，增加河流过水面积以降低流速，而在枯水期可以关闭水轮启闭闸门堵截一部分河道，壅高水位，以达到通航等要求。此外，水轮机的转轮可以将部分水流的动能转换为电能为整个系统供电，从而实现自供电而无需外部供电。综上所述，本发明可以在结构简单、施工方便、易于维护、造价较低的基础上满足多数河道控制水位、合理利用水能的要求，具有较强的实用性和广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例的丁坝在河道内的工作状态示意图。
图2是本发明实施例的坝体内部结构示意图。
图3是本发明实施例的实现原理框图。
图4是本发明实施例中水轮机的外部结构示意图。
图5是本发明实施例中水轮机的内部结构示意图。
图6是本发明实施例中蓄电池的内部结构示意图。
图中：001-信号处理器；002-蓄电池；003-控制器；004-水轮机；005-坝体；006-水轮叶片；007-线圈；008-水轮启闭闸门；009-水轮机壳体；010-电池组；011-河岸；012-河床；013-水轮机底盘；014-控制柜；015-发电机；016-主轴；017-齿轮箱；018-轮毂；019-偏航电机。
具体实施方式
为了使本发明的目的及技术方案更加清楚，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示方位或位置关系的词汇为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1-3所示，本实施例提供了一种基于水轮机改变坝身透水率的丁坝，包括坝体005，所述坝体005与河岸011及河床012相连接，所述坝体005内设置有控制器003、蓄电池002、信号处理器001和多个水轮机004，所述水轮机004主要由水轮机壳体009、转轮和水轮启闭闸门008组成；所述蓄电池002通过电线分别与控制器003和各水轮机004电性连接，水流过水轮机时转轮将水流的动能转换为电能储存在蓄电池中，蓄电池为控制器的工作以及水轮机中水轮启闭闸门的动作供电；所述控制器003通过信号线分别与各水轮机004和信号处理器001电性连接，以接收上位机或移动终端发送来的控制命令，以及根据控制命令及不同的水位情况调整各水轮机中水轮启闭闸门的开启程度，从而控制丁坝的透水率。
其中坝体005作为整个丁坝的核心，在河道中应至少包含一个坝体005。在较佳实施例中，在河道中建立多个所述坝体005，形成丁坝群，以提高对于透水率的控制效果。
所述坝体005垂直于河岸011固定在河床012上，坝体一端镶嵌于河岸上并与河岸成“T”字形布置，坝身与河床呈90°，且坝身长度应根据实际情况占河道的1/4-1/2。
所述河岸011在天然河岸的基础上开挖岸坡、堆积碎石并用混凝土进行浇筑；在水位变动区，所述河岸011垂直布置在河床上012；所述河床012在开挖平整后与河岸011平顺相接。
在本实施例中，所述控制器003、蓄电池002和多个水轮机004在坝体内沿坝根向坝头方向设置，所述蓄电池和控制器布置在坝体最内侧，且蓄电池布置在控制器上方；所述多个水轮机中，尺寸相同的两个为一组叠放在坝体内，各水轮机组沿坝根向坝头方向依次设置且水轮机尺寸渐次增大，靠近坝头处的水轮机尺寸最大，除留有必要施工缝后，单个水轮机壳体的高度约占所述坝体高度的1/2。
所述坝体005在坝头和坝根处均安置有所述信号处理器001，并对信号处理器进行防水处理，对信号处理器与坝体的连接处进行密封防水处理。信号处理器001可以将接收的电信号传递给控制器003，控制器003对信号处理器所传递的信息进行分析处理。
各水轮机004的水轮机壳体厚度均与坝体厚度保持一致。
本实施例中，水轮机的结构如图4、5所示。
所述转轮主要由水轮叶片006和线圈007构成，线圈设置于水轮叶片中间并与水轮叶片连接，各水轮机前后两外侧均设置有一层滤网，可以防止水生植物对水轮机004进行缠绕；在所述转轮外设置水轮启闭闸门，所述水轮启闭闸门上下两侧均设置有轨道，所述闸门采用平行推拉的方式进行启闭。
所述水轮机壳体外部为正方形，并在正方形内部开设有一个用于安装线圈007和水轮叶片006的透空筒体；所述水轮机包括4个水轮叶片，所述水轮叶片设置成弧形并与中间的线圈007相连接，水轮叶片的顶端面为圆弧面，且圆弧面与透空筒体贴近。
本实施例中，蓄电池的结构如图6所示。
所述蓄电池002包括电池组010和连接电线。所述电池组主要由分别固定在电池组内四个象限的4个电池组成，每一个电池均与各水轮机004的转轮相连接。所述电线与电池组用防水材料包裹后固定在蓄电池上，防止水流冲毁及导电等危险。
水流冲击水轮叶片006时转轮将水流的动能转为电能，并将产生的电能通过电线传递给蓄电池002储存在电池组010中，为丁坝系统提供能量。
在水轮启闭闸门008开启时水流可以自由通过坝体005，同时将部分水能转换为电能储存在蓄电池002的电池组010内；在水轮启闭闸门008关闭时坝体是不透水的，所述坝体结构为一个密闭的整体。
由于靠近河岸011的河道中水流流速较低，为了更好的利用水能，所述蓄电池002与控制器003放置在坝体内靠近河岸011的一侧；在坝体005中，由靠近河岸一侧到靠近河道中心处所述水轮机004占坝体的比例逐渐升高。
根据连续方程Q = vA可知，流量一定时流速与过水面积呈反比，当枯水期水位较低需要减少过水面积时，监测员可以通过手机终端关闭水轮启闭闸门008，此时本丁坝结构只起到传统丁坝束水攻沙的作用。
同理，当丰水期水位较高需要增加河道过水面积时，打开水轮启闭闸门008，此时水流可以从水轮机004中穿过，此时本丁坝结构起到透水丁坝的作用；因此，本发明的丁坝结构可以根据不同的水位调整水轮启闭闸门的开启幅度，可以对河道水位起到最大控制作用的同时合理利用水能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于水轮机改变坝身透水率的丁坝，其特征在于，包括坝体，所述坝体与河岸及河床相连接，所述坝体内设置有控制器、蓄电池、信号处理器和多个水轮机，所述水轮机主要由水轮机壳体、转轮和水轮启闭闸门组成；所述蓄电池通过电线分别与控制器和各水轮机电性连接，水流过水轮机时转轮将水流的动能转换为电能储存在蓄电池中，蓄电池为控制器的工作以及水轮机中水轮启闭闸门的动作供电；所述控制器通过信号线分别与各水轮机和信号处理器电性连接，以接收上位机或移动终端发送来的控制命令，以及根据控制命令及不同的水位情况调整各水轮机中水轮启闭闸门的开启程度，从而控制丁坝的透水率。
2.根据权利要求1所述的一种基于水轮机改变坝身透水率的丁坝，其特征在于，在河道中建立多个所述坝体，形成丁坝群，以提高对于透水率的控制效果。
3.根据权利要求1所述的一种基于水轮机改变坝身透水率的丁坝，其特征在于，所述坝体垂直于河岸固定在河床上，坝体一端镶嵌于河岸上并与河岸成“T”字形布置，坝身与河床呈90°，且坝身长度占河道的1/4-1/2。
4.根据权利要求1所述的一种基于水轮机改变坝身透水率的丁坝，其特征在于，所述河岸在天然河岸的基础上开挖岸坡、堆积碎石并用混凝土进行浇筑；在水位变动区，所述河岸垂直布置在河床上；所述河床在开挖平整后与河岸平顺相接。
5.根据权利要求1所述的一种基于水轮机改变坝身透水率的丁坝，其特征在于，所述控制器、蓄电池和多个水轮机在坝体内沿坝根向坝头方向设置，所述蓄电池和控制器布置在坝体最内侧，且蓄电池布置在控制器上方；所述多个水轮机中，尺寸相同的两个为一组叠放在坝体内，各水轮机组沿坝根向坝头方向依次布置且水轮机尺寸渐次增大，靠近坝头处的水轮机尺寸最大；所述坝体在坝头和坝根处均设置有所述信号处理器，并对信号处理器进行防水处理，对信号处理器与坝体的连接处进行密封防水处理。
6.根据权利要求1所述的一种基于水轮机改变坝身透水率的丁坝，其特征在于，各水轮机的水轮机壳体厚度与坝体厚度保持一致。
7.根据权利要求1所述的一种基于水轮机改变坝身透水率的丁坝，其特征在于，所述转轮主要由水轮叶片和线圈构成，线圈设置于水轮叶片中间并与水轮叶片连接，所述转轮外侧设置水轮启闭闸门，在各水轮机前后两外侧均设置有一层滤网。
8.根据权利要求7所述的一种基于水轮机改变坝身透水率的丁坝，其特征在于，所述水轮机壳体外部为正方形，并在正方形内部开设有一个用于安装线圈和水轮叶片的透空筒体；所述水轮叶片4个一组并设置成弧形与中间的线圈相连接，水轮叶片的顶端面为圆弧面，且圆弧面与透空筒体贴近。
9.根据权利要求1所述的一种基于水轮机改变坝身透水率的丁坝，其特征在于，所述蓄电池包括电池组和连接电线，所述电池组主要由分别固定在电池组内四个象限的4个电池组成，每一个电池均与各水轮机的转轮相连接。
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