CN114232556B - 一种基于大坝虹吸原理的防冻结生态泄流装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大坝虹吸原理的防冻结生态泄流装置，包括闸坝建筑物和虹吸管道，闸坝建筑物的上游坝面为垂直坝面，虹吸管道包括进水管段、输水管段以及消能管段，虹吸管道的进水口位于上游库区的最低运行水位以下，虹吸管道的出水口位于闸坝建筑物的下游坝面坡脚处，出水口设置阀门，坝顶位置的输水管段的最高段连接辅助管道，辅助管道连接真空泵和电动蝶阀，进水管段的外壁设置有防冻结装置，虹吸管道通过现浇钢筋混凝土镇墩、支墩以及支撑环进行固定。本发明不仅能解决生态泄流问题，而且防止上游库区冰盖纵向位移对进水管段的拖拽或抬升，此外消能管段在不影响流量的情况下减小了出水口水流对下游河床的冲刷。

Description

一种基于大坝虹吸原理的防冻结生态泄流装置

技术领域

本发明涉及水利与环境领域，具体涉及一种基于大坝虹吸原理的防冻结生态泄流装置。

背景技术

江河上游水电站通过拦河闸坝建筑物雍高水位，会引起江河中下游断流减流，影响下游的生态环境。所以需要通过泄流来补给下游水量，维持生态环境的最低用水量。目前通常是在已建成水电站加装生态泄流设施，多见闸门限位小开度开启、已建闸坝建筑物内部埋设泄流管道或增设生态机组等方式来解决生态泄流的问题。但是闸门长期小开度开启运行会引起金属闸门疲劳破坏；闸坝等已建成建筑物内部埋设泄流管道需拆除现有建筑物，工期长，投资大，对建筑物安全不利且严重影响发电效益；增设生态机组需对现有厂房进行改扩建，工期长，投资大。

专利号2017201435796，公开了“水坝利用虹吸管道排水及自动控制过水流量装置”，利用虹吸管道将水从上游库区经由水坝顶部引流到下游，并通过气囊控制流量。但是在高寒地区，上游库区由于水面结冰和水位升降，冰盖的纵向位移引起对虹吸管道的纵向拖拽或抬升，所以该专利提供的技术方案不适用于高寒地区；此外，该专利利用出水口附近水体扰动对出口水流进行消能，不适用于枯水期生态泄流时下游水位较低甚至无水，难以淹没出水口的运行工况。同时，有压管流自由出流时作用水头为上游水面与管道出口的高差，而淹没出流时的作用水头为上下游水面高差，淹没出流比自由出流多一项淹没出口处的局部水头损失系数，所以，生态泄流所需流量相同时，采用此种消能方式将增大虹吸管管径，增加了工程成本。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于大坝虹吸原理的防冻结生态泄流装置，不仅能解决生态泄流问题，而且防止上游库区冰盖纵向位移对进水管段的拖拽或抬升，此外消能管段在不影响流量的情况下减小了出水口水流对下游河床的冲刷。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于大坝虹吸原理的防冻结生态泄流装置，包括已建成的闸坝建筑物和附设在闸坝建筑物上的虹吸管道，闸坝建筑物包括上游坝面、坝顶、下游坝面和下游坝面坡脚处，所述上游坝面为垂直坝面，所述虹吸管道包括附设在上游坝面的进水管段、附设在坝顶和下游坝面上的输水管段以及附设在下游坝面坡脚处的消能管段，虹吸管道的进水口位于所述闸坝建筑物的上游库区的最低运行水位以下，虹吸管道的出水口位于闸坝建筑物的下游坝面坡脚处，出水口设置阀门，坝顶位置的输水管段的最高段连接辅助管道，辅助管道连接真空泵和电动蝶阀，进水管段的外壁设置有防冻结装置，坝顶和下游坝面坡脚处均通过设置现浇钢筋混凝土镇墩对虹吸管道进行固定，下游坝面上通过设置支墩及支承环对虹吸管道进行固定。

作为本发明的一种优选技术方案，所述防冻结装置包括滑动套设在所述进水管段外部的钢套管，钢套管与进水管段的间隙的上端口和下端口均填塞有聚四氟乙烯组合密封圈，钢套管的外壁连接有浮体。

作为本发明的一种优选技术方案，所述浮体为高分子量高密度聚乙烯制成，浮体的浮力中心位于所述钢套管的中轴线上，浮体是由套在钢套管外壁的圆环切割制成，切割面为所述上游坝面所在的平面，浮体的两个切割端的下表面对称配设两个浮力盒，两个浮力盒对钢套管产生的浮力力矩等于所述圆环被切割掉部分对钢套管产生的浮力力矩。

作为本发明的一种优选技术方案，所述浮体为厚度均匀的平板状中空结构，所述浮力盒与浮体材质相同且为中空结构。

作为本发明的一种优选技术方案，所述消能管段的尾端设置有与消能管段分离的消能装置，该消能装置通过至少三根连接杆与消能管段的尾端固定连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述消能装置为圆形钢格栅。

作为本发明的一种优选技术方案，所述消能装置为半球壳体或圆锥形壳体，半球壳体或圆锥形壳体的消能装置表面打孔。

作为本发明的一种优选技术方案，所述消能管段出水口的斜下方设置消能池。

作为本发明的一种优选技术方案，所述消能管段的末端为扩散角度小于等于15°的喇叭形管段，所述消能管段的尾端上扬。

作为本发明的一种优选技术方案，为便于安装浮体以及保持浮体的中心对称性，进水管段通过支墩及支承环悬空设置在上游坝面上，浮体呈圆环形，浮体套接在钢套管的外壁，浮体为中空结构。圆环形的浮体能够产生中心对称的浮力，避免对钢套管和进水管段产生扭矩，能够更好地维持进水管段的平衡。

本发明的有益效果是：

（1）本发明通过虹吸管道将水从上游库区引流到下游，水流启动并平稳流动后，无需借助外力即可自动下泄，保证下游生态环境的水量供给。

（2）本发明适用于高寒地区，通过防冻结装置，避免上游库区冰盖对进水管段的纵向拖拽或抬升，具体来讲，聚四氟乙烯组合密封圈能防止钢套管与进水管段间隙进水冻结，使钢套管与进水管段能够始终保持相对滑动状态，结冰前，依靠浮体的浮力，钢套管能够浮于上游水库的水面，冬季结冰时，冰盖只冻结钢套管而不会冻结进水管段，冰盖上下移动时，钢套管能够随冰盖运动，但不会对进水管段造成拖或抬升，解冻后，钢套管依然能够依靠浮体的浮力浮于上游水库的水面。

（3）本发明消能管段的出水口采用喇叭形管段设计和分离式消能设计，既不影响流量，又能有效消能，喇叭形管段通过尾端扩大口径，降低流速，接着水流流出消能管段的出水口以后，通过撞击消能装置来进一步降低能量，由于消能装置与虹吸管道分离开，不会影响管道的作用水头，所以不会影响流量。

附图说明

图1是本发明第一种具体实施方式的纵剖图；

图2是本发明第一种具体实施方式中浮体的仰视图；

图3是本发明第二种具体实施方式的纵剖图；

图4是本发明第二种具体实施方式中浮体的仰视图；

图5是本发明半球壳体形状消能装置与消能管段的连接关系示意图；

图6是本发明圆锥形壳体形状消能装置与消能管段的连接关系示意图。

图中：1、闸坝建筑物 11、上游坝面 12、坝顶 13、下游坝面 14、下游坝面坡脚处21、进水管段 22、输水管段 23、消能管段 24、阀门 25、支墩 26、支承环 27、现浇钢筋混凝土镇墩 28、进水口 231、连接杆 232、消能装置 31、辅助管道 32、真空泵 33、电动蝶阀41、钢套管 42、浮体 43、聚四氟乙烯组合密封圈 44、浮力盒 5、上游库区的最低运行水位。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1和2所示，在本发明第一种实施方式中，包括已建成的闸坝建筑物1和附设在闸坝建筑物1上的虹吸管道，闸坝建筑物1包括上游坝面11、坝顶12、下游坝面13和下游坝面坡脚处14，所述上游坝面11为垂直坝面，所述虹吸管道包括附设在上游坝面11的进水管段21、附设在坝顶12和下游坝面13上的输水管段22以及附设在下游坝面坡脚处14的消能管段23，虹吸管道的进水口28位于所述闸坝建筑物1的上游库区的最低运行水位5以下，虹吸管道的出水口位于闸坝建筑物1的下游坝面坡脚处14，出水口设置阀门24，坝顶12位置的输水管段22的最高段连接辅助管道31，辅助管道31连接真空泵32和电动蝶阀33，进水管段21的外壁设置有防冻结装置，坝顶12和下游坝面坡脚处14均通过设置现浇钢筋混凝土镇墩27对虹吸管道进行固定，下游坝面13上通过设置支墩25及支承环26对虹吸管道进行固定。通过虹吸管道的引流能解决生态泄流问题，而且防止上游库区冰盖纵向位移对进水管段21的拖拽或抬升，此外消能管段23在不影响流量的情况下减小了出水口水流对下游河床的冲刷。

所述防冻结装置包括滑动套设在所述进水管段21外部的钢套管41，钢套管41与进水管段21的间隙的上端口和下端口均填塞有聚四氟乙烯组合密封圈43，钢套管41的外壁连接有浮体42。聚四氟乙烯组合密封圈43在水介质中具有较低的摩擦系数，静、动摩擦系数相近，密封性好、抗冻耐腐蚀，具有自润滑性，尤其适合做无油状态动密封材料，对钢套管41与进水管段21的间隙进行密封且不影响两者的相对滑动，避免水进入间隙造成冻结。

所述浮体42为高分子量高密度聚乙烯制成，浮体42的浮力中心位于所述钢套管41的中轴线上，浮体42是由套在钢套管41外壁的圆环切割制成，切割面为所述上游坝面11所在的平面，浮体42的两个切割端的下表面对称配设两个浮力盒44，两个浮力盒44对钢套管41产生的浮力力矩等于所述圆环被切割掉部分对钢套管41产生的浮力力矩。本实施方式中，由于进水管段21尽量贴紧上游坝面11，所以需要对浮体42进行异形处理，为保持浮力平衡，对浮体42配设浮力盒44。既能保证进水管段21安装的稳定性，又能保持浮体42对钢套管41的浮力平衡。

所述浮体42为厚度均匀的平板状中空结构，所述浮力盒44与浮体42材质相同且为中空结构。中空结构的浮体42和浮力盒44能够有效减小单位体积的密度，用较小的体积来满足浮力要求。

所述消能管段23的尾端设置有与消能管段23分离的消能装置232，该消能装置232通过至少三根连接杆231与消能管段23的尾端固定连接。

所述消能装置232为圆形钢格栅、半球壳体或圆锥形壳体，半球壳体或圆锥形壳体的消能装置表面打孔。三种形状的消能装置232根据情况选择一种使用，圆形钢格栅自重较小，半球壳体和圆锥形壳体虽然自重大但是耐冲击性能较好。

所述消能管段23出水口的斜下方设置消能池。当非枯水期下游水位较高时，消能池对入池水流进行底流消能。

所述消能管段23的末端为扩散角度小于等于15°的喇叭形管段，所述消能管段的尾端上扬。扩散角度小于等于15°的喇叭形管段能够有效减速消能，尾端上扬能够进行挑流消能，将下泄的急流抛向空中，然后落入离建筑物较远的河床与下游水流相衔接的消能方式。能耗大体分三部分：急流沿固体边界的摩擦消能；射流在空中与空气摩擦、掺气、扩散消能；射流落入下游尾水中淹没紊动扩散消能，进一步减小出水口水头的能量。

如图3和4所示，在本发明第二种实施方式中，为便于安装浮体42以及保持浮体42的对称性，进水管段21通过支墩25及支承环26悬空设置在上游坝面11上，浮体42呈圆环形，浮体42套接在钢套管41的外壁，浮体42为中空结构。圆环形的浮体42能够产生中心对称的浮力，避免对钢套管和进水管段产生扭矩，能够更好地维持进水管段21的平衡。本实施方式适用于管径较小、自重较轻的虹吸管道，虹吸管道上游进水管段能够悬空设置的情形，圆环形的浮体42更容易制作。

本发明的工作原理是：（1）生态泄流， 先闭合阀门24，由于虹吸管道的进水口28位于所述闸坝建筑物1的上游库区的最低运行水位5以下，当开启辅助管道31的真空泵32和电动蝶阀33时，虹吸管道逐渐排气充水，虹吸管道充满水以后，关闭真空泵32和电动蝶阀33，并开启阀门24，由于出水口低于进水口28，依靠虹吸原理，水流就可以通过虹吸管道从上游库区平稳流动到下游，无需借助外力即可自动下泄，保证下游生态环境的水量供给。

（2）解决冰盖对进水管段21的拖拽或抬升，本发明适用于高寒地区，通过防冻结装置，避免上游水库冰盖对进水管段21的纵向拖拽或抬升，具体来讲，聚四氟乙烯组合密封圈43能防止钢套管41与进水管段21间隙进水冻结，使钢套管41与进水管段21能够始终保持相对滑动状态。结冰前，依靠浮体42的浮力，钢套管41能够浮于上游水库的水面，冬季结冰时，由于冰盖是从水面开始冻结，而水面附近结冰层对应的进水管段21始终被钢套管41阻隔，冰盖只冻结钢套管41而不会冻结进水管段21，冰盖上下移动时，钢套管41能够随冰盖运动，但不会对进水管段21造成拖拽或抬升，解冻后，钢套管41依然能够依靠浮体42的浮力浮于上游水库的水面，为下次冻结做好准备。

（3）分离式消能，本发明消能管段23的出水口采用喇叭形管段设计和分离式消能设计，既不影响流量，又能有效消能，喇叭形管段通过尾端扩大口径，降低流速，接着水流流出消能管段的出水口以后，通过撞击消能装置232来进一步降低能量，由于消能装置232与虹吸管道分离开，不会影响虹吸管道内的作用水头，所以消能的同时不会影响流量。

上述描述仅作为本发明可实施的技术方案提出，不作为对其技术方案本身的单一限制条件。

Claims (6)

1.一种基于大坝虹吸原理的防冻结生态泄流装置，包括闸坝建筑物和附设在闸坝建筑物上的虹吸管道，闸坝建筑物包括上游坝面、坝顶、下游坝面和下游坝面坡脚处，其特征在于：所述虹吸管道包括附设在上游坝面的进水管段、附设在坝顶和下游坝面上的输水管段以及附设在下游坝面坡脚处的消能管段，进水管段、输水管道和消能管段顺次连通为一体，虹吸管道的进水口位于所述闸坝建筑物的上游库区的最低运行水位以下，虹吸管道的出水口位于闸坝建筑物的下游坝面坡脚处，出水口上游设置阀门，坝顶位置的输水管段的最高段连接辅助管道，辅助管道连接真空泵和电动蝶阀，进水管段的外壁设置有防冻结装置，坝顶和下游坝面坡脚处均通过设置现浇钢筋混凝土镇墩对虹吸管道进行固定，下游坝面上通过设置支墩及支承环对虹吸管道进行固定；

所述防冻结装置包括滑动套设在所述进水管段外部的钢套管，钢套管与进水管段的间隙的上端口和下端口均填塞有聚四氟乙烯组合密封圈，钢套管的外壁连接有浮体；

所述浮体为高分子量高密度聚乙烯制成，浮体的浮力中心位于所述钢套管的中轴线上，浮体是由套在钢套管外壁的圆环切割制成，切割面为所述上游坝面所在的平面，浮体的两个切割端的下表面对称配设两个浮力盒，两个浮力盒对钢套管产生的浮力力矩等于所述圆环被切割掉部分对钢套管产生的浮力力矩；

所述浮体为厚度均匀的平板状中空结构，所述浮力盒与浮体材质相同且为中空结构；

所述进水管段通过支墩及支承环悬空设置在上游坝面上，浮体呈圆环形，浮体套接在钢套管的外壁，浮体为中空结构。

2.根据权利要求1所述的防冻结生态泄流装置，其特征在于：所述上游坝面为垂直坝面，所述消能管段出水口的斜下方设置消能池。

3.根据权利要求1所述的基于大坝虹吸原理的防冻结生态泄流装置，其特征在于：所述消能管段的尾端设置有与消能管段分离的消能装置，该消能装置通过至少三根连接杆与消能管段的尾端固定连接。

4.根据权利要求3所述的基于大坝虹吸原理的防冻结生态泄流装置，其特征在于：所述消能装置为圆形钢格栅。

5.根据权利要求3所述的基于大坝虹吸原理的防冻结生态泄流装置，其特征在于：所述消能装置为半球壳体或圆锥形壳体，半球壳体或圆锥形壳体的消能装置表面打孔。

6.根据权利要求1所述的基于大坝虹吸原理的防冻结生态泄流装置，其特征在于：所述消能管段的末端为扩散角度小于等于15°的喇叭形管段，所述消能管段的尾端上扬。

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