CN114718034B - 一种离散式升降导流墩及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于闸站结合工程技术领域，具体涉及一种离散式升降导流墩及其运行方法。包括固定基础，离散式可滑移挡水桩阵列，动力系统和自动控制系统；固定基础为现浇混凝土材料的箱型无盖结构，用于限制离散的挡水桩以及为动力系统提供无水工作环境；离散式可滑移挡水桩阵列由多个挡水桩成一列、且挡水桩底部设置在固定基础内；动力系统包括多个设置在相应挡水桩底部的电动升降杆，自动控制系统通过控制电动升降杆升降实现对相应挡水桩升降的控制。本发明的离散式升降导流墩的挡水板的长度、高度和开孔参数都可调节，且自重轻、易检修，可用来适应水位变化和泵站运行情况。
Description
技术领域
本发明属于闸站结合工程技术领域，具体涉及一种离散式升降导流墩及其运行方法。
背景技术
平原闸站枢纽工程采用水闸泵站结合布置方式，具有布置紧凑、占地少等优点，但同时也存在局部回流和强横流等不良流态。这种不良流态不仅会影响泵站运行时的效率还会危害过往船舶的安全。研究表明，在闸站结合工程前池设置长度、高度及开孔参数合适的导流墩，能有效削弱回流，提高泵站运行效率。目前实际工程中多采用现浇钢筋混凝土结构的导流墩，但是随着水位变化和水泵机组开启的台数改变，其参数不能变化，整流效果无法保证稳定高效。此外，由于混凝土结构自重大，对地质条件差的地区，采用混凝土固定结构的导流墩需要额外的地基处理工序，成本较高。
为了改进现有技术，使导流墩适应不同的水位和流量情况。例如，中国专利文献公开了一种可伸缩式导流墙(申请号：202020500715.4)，它通过电磁铁的吸引和排斥作用控制可伸缩机构伸缩和小水泵注水控制橡胶坝的高度来调整导流墙的长度和开孔的深度，实现了即可调节导流强长度也可调节开孔深度。虽然存在很多优点，但是至少存在调节难度大、不易检修、调节灵活性差和设备可靠性差的问题，难以在实际工程中发挥作用。另外中国专利文献还公开了一种用于泵站前池可控制高度的升降式导流墩(申请号：202022403513.0)，主要技术特征和用途是通过丝杆升降机提升圆角方体升降体，升降体的上方又固定有导流墩。通过丝杆升降机调整导流墩高度，从而使导流墩达到合适的整流高度。也有其优点，但这种技术至少存在调节灵活性差的缺点，只能调节导流墩整体的高度，不能改变导流墩长度及开孔尺寸。此外由于导流墩尺寸及重量大，采用丝杆升降机成本高，还有检修困难的缺点，也难以在实际工程中运用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种长度、高度和开孔参数都可调节且自重轻、易检修，可靠性高的用于闸站结合工程的离散式升降导流墩及其运行方法。本发明通过控制各个升降装置的高度，调节导流墩的尺寸和开孔参数，从而适应不同的水位组合和水泵机组运行情况。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种离散式升降导流墩，包括固定基础，离散式可滑移挡水桩阵列，动力系统和自动控制系统；
所述固定基础为现浇混凝土材料的箱型无盖结构，用于限制离散的挡水桩以及为动力系统提供无水工作环境；离散式可滑移挡水桩阵列由多个挡水桩成一列、且挡水桩底部设置在固定基础内；
动力系统包括多个设置在相应挡水桩底部的电动升降杆，自动控制系统通过控制电动升降杆升降实现对相应挡水桩升降的控制。
进一步的，还包括防坠装置，固定基础内侧沿垂向均匀设置多个与防坠装置相配合实现防坠的插销凹槽。
进一步的，固定基础端部的墩头的横截面为半圆形；
固定基础的总高度取为1.2倍的前池水深加上电动升降杆的最低高度，固定基础的顶部平面与前池地面等高程。
进一步的，挡水桩由上下两部分挡水桩挡水箱体和挡水桩折板平台通过螺栓连接而成。
进一步的，挡水桩挡水箱体为中空箱形、由轻质耐腐蚀的材料氯化聚氯乙烯制成；
挡水桩挡水箱体两侧分别设有两条固定轨道槽和滑动轨，挡水桩折板平台为钢铁材质，用于安装防坠装置；
挡水桩的高度为1.2倍的前池水深。
进一步的，电动升降杆底部固定在固定基础的底面上，通过伸缩运动驱动挡水桩的上升或下降；电动升降杆的最大行程为1倍的前池最大水深。
进一步的，挡水桩折板平台上有滑槽和插销孔；
防坠装置包括气弹簧，H形连接件和斜坡滑块；
H形连接件由横板和两端的固定板、固定板上的竖板以及设置在固定板上的滚轴固定连接而成；
斜坡滑块中间设有斜45°的滑道，滚轴穿过斜坡滑块中间的滑道；斜坡滑块外侧面上设有与挡水桩折板平台上的插销孔相配合的插销。
进一步的，插销凹槽的上角倒圆角设置，斜坡滑块上的插销倒圆角设置。
进一步的，自动控制系统包括计算机，控制台，PLC控制器，变频器；
计算机根据上游水位资料和泵站运行情况，完成导流墩调节方案的计算，PLC控制器作为计算机和变频器的连接媒介。
一种上述的导流墩的运行方法，包括如下步骤：
导流墩在运行时，计算机获取泵站上游水位资料和泵站机组运行情况，输出各个挡水桩需要的位移，通过以太网传输给PLC控制器，PLC控制器再将指令发送给各个变频器，每个变频器改变电压及频率控制电动升降杆升降，电动升降杆驱动挡水桩各自独立地上下运动；
电动升降杆伸长与H形连接件的横板接触，电动升降杆的升力使H形连接件上移，同时H形连接件向上的位移在滚轴和斜45°滑道的共同作用下，转变为斜坡滑块的水平向内位移，当升力等于挡水桩的自重时，气弹簧收缩到最大值，挡水桩取消锁定；
与之相反，当断电或者电动升降杆故障时，气弹簧伸长，H形连接件下移，斜坡滑块水平外移，挡水桩锁定。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明可以灵活可靠地调节导流墩的尺寸和开孔参数，从而适应不同的水位组合和水泵机组开启情况。在各种工况下都能有效地削弱回流，提高泵站运行效率节约能源，同时保证过往船舶的安全。
(2)本发明主体结构为空箱形固定基础填充轻质挡水桩，与现浇混凝土结构导流墩相比自重更小，能适应更多地质条件。
(3)本发明设置有挡水桩防坠落装置、止水措施，在易磨损位置有减小摩擦力的设计并尽可能减少自重，运行安全可靠、节省能源。
(4)本发明的自动控制系统可以根据上传数据，不断优化给出的方案。
(5)本发明结构简单，可根据上游水位和泵站运行情况自动调节，部件易检修更换。
附图说明
图1为闸站结合工程前池布置示意图；
图2为本发明的组成原理图；
图3为固定基础正三轴测图；
图4为固定基础的剖面图；
图5为挡水桩正三轴测图；
图6为挡水桩俯视图；
图7为挡水桩连接处正三轴测图；
图8为防坠装置的组成结构图；
图9为防坠装置的安装后的正三轴测图；
图10为防坠装置取消锁定的细部图；
图11为防坠装置锁定时的细部图；
图12为控制系统的运行方法图；
图13为离散式升降导流墩全部升起状态剖视图；
图14为离散式升降导流墩调节尺寸状态剖视图；
图15为离散式升降导流墩随机开孔状态剖视图；
图16为离散式升降导流墩优化开孔尺寸状态剖视图；
图17为离散式升降导流墩全部升起状态三维流场图；
图18为离散式升降导流墩调节尺寸状态三维流场图；
图19为离散式升降导流墩随机开孔状态三维流场图；
图20为离散式升降导流墩优化开孔状态三维流场图；
图21为上述四种情况下，五号和六号进水流道的入口轴向流速均匀度对比图；
图22为自排工况下导流墩全部升起时闸站工程前池面层流场图；
图23为自排工况下导流墩优化开孔时闸站工程前池面层流速图；
附图标记说明：
01-一号进水流道，02-二号进水流道，03-三号进水流道，04-四号进水流道，05-五号进水流道，06-六号进水流道07-节制闸一，08-节制闸二，09-节制闸三，010-引河，011-拦污闸，012-前池，013-导流墩，014-地面线，1-固定基础，2a-离散式可滑移挡水桩阵列，3-动力系统，4-防坠装置，5-自动控制系统，1-1-半圆形墩头，1-2-插销凹槽，1-3-电缆孔，2-挡水桩，2-1-挡水桩挡水箱体，2-2-挡水桩折板平台，223-螺栓，211-固定轨道槽，212-滑动轨，221-滑槽，222-插销孔，3-1-电动升降杆，4-1-气弹簧，4-2-H形连接件，4-3-插销滑块，421-滚轴固定板，422-滚轴，423-横板，424-竖板，431-斜45°滑道，432-插销，5-1-计算机，5-2-控制台，5-3-PLC控制器，5-4变频器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1至图20所示，一种离散式升降导流墩，包括：固定基础1、离散式可滑移挡水桩阵列2a、动力系统3、防坠装置4、自动控制系统5、电动升降杆3-1、计算机5-1、控制台5-2、PLC控制器5-3、变频器5-4、半圆形墩头1-1、插销凹槽1-2、电缆孔1-3、挡水桩2、挡水桩挡水箱体2-1，挡水桩折板平台2-2、固定轨道槽211、滑动轨212、滑槽221、插销孔222、螺栓2-3、气弹簧4-1、H形连接件4-2、插销滑块4-3、滚轴固定板421、滚轴422、横板423、竖板424、斜45°滑道431，插销432。
具体的，某闸站结合工程前池布置示意图如图1所示。图中013-导流墩即为本发明，其作用是在不同的水位和流量情况下都能稳定高效地优化前池水流流态。
导流墩的组成构件及作用，如图2～9所示。如图2所示，导流墩由固定基础1、离散式可滑移挡水桩阵列2a、动力系统3、防坠装置4、自动控制系统5组成。
如图3、4所示。固定基础为1现浇混凝土材料的箱型无盖结构，其作用是限制离散的挡水桩2的水平位移以及为动力系统3提供无水的工作环境。其墩头1-1的形状设计为半圆形，如图3所示，其目的是减小水流的阻力。固定基础1内部还有设有插销凹槽1-2和电缆孔1-3，插销凹槽1-2的作用是配合防坠装置4，实现防止挡水桩2坠落的功能。电缆和通讯线通过电缆孔1-3连接动力系统3。固定基础1的总高度取为1.2倍的前池水深再加上电动升降杆3-1的最低高度，其顶部平面与前池地面等高程。
离散式可滑移挡水桩阵列2a是挡水的主体部分，由一列N个相同的挡水桩2组成。N的大小取决于导流墩的长度和调节精度。如图5、6、7所示，挡水桩2由上下两部分挡水桩挡水箱体2-1和挡水桩折板平台2-2通过螺栓223连接而成。挡水桩挡水箱体2-1为空箱形由轻质耐腐蚀的材料氯化聚氯乙烯制成。挡水桩挡水箱体2-1两侧分别有两条固定轨道槽211和滑动轨212(如图5所示)，其作用是减小挡水桩2之间接触面积进而减小摩擦力。挡水桩折板平台2-2为钢铁材质，其作用是安装防坠装置4。挡水桩折板平台2-2上有滑槽221和插销孔222。挡水桩2的高度决定着导流墩开孔深度的调节范围，其高度取1.2倍的前池水深。
动力系统3由N个相同的电动升降杆3-1组成，电动升降杆3-1底部固定在固定基础1的底面上，通过伸缩运动驱动挡水桩2上升或下降。其最大行程为1倍的前池最大水深。
防坠装置4的组成见图8、图9所示。它由气弹簧4-1、H形连接件4-2和斜坡滑块4-3组成。H形连接件4-2由横板423和两端的固定板421、竖板424以及滚轴422固定连接而成，固定挡板421用来固定滚轴422，滚轴422穿过斜坡滑块4-3中间的斜45°滑道431。防坠装置4作用是当断电或者电动升降杆3-1故障时防止挡水桩2坠落。
自动控制系统5由计算机5-1，控制台5-2、PLC控制器5-3、变频器5-4组成。计算机5-1根据上游水位资料和泵站运行情况，完成导流墩调节方案的计算。PLC控制器5-3作为计算机5-1和变频器5-4的连接媒介，与计算机5-1与变频器5-4直接连接相比有无级变速，速度变换平滑，速度控制精确，适应能力好的优点。
各部分的运行方法如图2、图10～12所示。导流墩在运行时，计算机5-1获取泵站上游水位资料和泵站机组运行情况，输出各个挡水桩需要的位移，通过以太网传输给PLC控制器5-3，PLC控制器5-3再将指令发送给各个变频器5-4，每个变频器5-4改变电压及频率控制电动升降杆3-1升降，电动升降杆3-1驱动挡水桩2各自独立地上下运动，从整体上看，就改变了导流墩的长度、高度和开孔参数。
防坠装置4的运行方法如图10、图11所示。电动升降杆3-1伸长进而与H形连接件4-2的横板423接触，电动升降杆3-1的升力使H形连接件4-2上移，同时H形连接件4-2向上的位移在滚轴422和斜45°滑道431的共同作用下，转变为斜坡滑块4-3的水平向内位移，当升力等于挡水桩2的自重时，气弹簧4-1收缩到最大值，如图10所示，挡水桩2取消锁定。与之相反，当断电或者电动升降杆3-1故障时，气弹簧4-1伸长，H形连接件4-2下移，斜坡滑块4-3水平外移，如图11所示，挡水桩2锁定。当检修或者故障维修时，由于插销凹槽1-2和和插销432的光圆设计(如图11所示)，可以直接将挡水桩2吊起。
导流墩自动控制系统5的运行方法如图12所示。机算机5-1将上下游水位资料和水泵运行情况数据上传至导流墩调节专家系统，专家系统给出合适的导流墩调节方案，PLC控制器5-3根据计算机5-1给出的导流墩调节方案控制变频器5-4进而能控制电动升降杆3-1的升降高度与升降速度。完成调节后，工作人员根据实际运行情况选择是否通过控制台5-2手动改变各个挡水桩2的高度，并选择是否将方案上传专家系统，若上传专家系统，专家系统会根据上传数据优化算法，提升后续方案的效果。
本发明的实施效果，如图13～23所示。
结合某闸站结合工程实例，如图1所示，图中01-一号进水流道，02-二号进水流道，03-三号进水流道，04-四号进水流道，05-五号进水流道，06-六号进水流道07-节制闸一，08-节制闸二，09-节制闸三，010-引河，011-拦污闸，012-前池，013-导流墩，014-地面线，1-固定基础，2a-离散式可滑移挡水桩阵列，4-动力系统。
抽排工况下，假设上游水深为7.6m，流量为180m3/s时。分别采用下列方案(如表1所示)：
表1
注：一、导流墩全部升起，高度8.6m，长度30m(如图13所示)；二、导流墩调节尺寸，高度3.44m，长度25m(如图14所示)；三、导流墩随机开孔，高度8.6m，长度25m，开孔高度3.0m，孔宽5.0m，开孔中心距12.5m(如图15所示)；四、导流墩优化开孔，高度8.6m，长度25m，开孔高度5.0m，孔宽4.5m，开孔中心距6.5m(如图16所示)。
通过数值模拟计算的方法，画出上述四种方案前池的三维流场图，如图17～20所示。从图中可以看出，改变导流墩尺寸和开孔参数可以优化进水前池的水流流态，减小回旋区的面积。同时注意到一号到四号进水流道的流态比较稳定，因此影响泵站运行效率的主要因素是五号和六号进水流道的流态。列出上述四个方案五号和六号进水流道的进口流速均匀度，如图21所示。可以看出，通过优化导流墩的尺寸及开孔参数，可以提高进水流道进口的轴向流速均匀度，进而能够提高水泵机组的运行效率。
自排工况下，假设上游水深为8.8m，流量为412m3/s。
采用上述导流墩全部升起方案时，闸站前池面层流场图如图22所示。从图22中可以看出，在导流墩墩头前存在严重的斜流，节制闸附近出现大面积回旋区，且在导流墩墩头前存在一个大范围的高速横向流速区，最大横向流速可达0.87m/s左右。
采用上述导流墩优化开孔方案对自排工况进行优化，闸站前池的前池面层流场图如图23所示。相比于导流墩全部升起，可以看出，由于在导流墩上开了孔，水流重新分布，墩头的斜流得到改善，在导流墩头部大范围的高速横向流速区也被减弱。导流墩墩头处的最大横向速度减小到0.26m/s左右，且节制闸附近的回旋区基本消失。因此，通过优化导流墩的尺寸及开孔参数，可以提高闸站结合工程自排时的运行效果，削弱横流，减少对导流墩和节制闸闸墩的冲刷，保证过往船舶的运行安全。
Claims (2)
1.一种离散式升降导流墩，其特征在于，包括固定基础，离散式可滑移挡水桩阵列，动力系统和自动控制系统；
所述固定基础为现浇混凝土材料的箱型无盖结构，用于限制离散的挡水桩以及为动力系统提供无水工作环境；离散式可滑移挡水桩阵列由多个挡水桩成一列、且挡水桩底部设置在固定基础内；
动力系统包括多个设置在相应挡水桩底部的电动升降杆，自动控制系统通过控制电动升降杆升降实现对相应挡水桩升降的控制；
还包括防坠装置，固定基础内侧沿垂向均匀设置多个与防坠装置相配合实现防坠的插销凹槽；
固定基础端部的墩头的横截面为半圆形；
固定基础的总高度取为1.2倍的前池水深加上电动升降杆的最低高度，固定基础的顶部平面与前池地面等高程；
挡水桩由上下两部分挡水桩挡水箱体和挡水桩折板平台通过螺栓连接而成；
挡水桩挡水箱体为中空箱形、由轻质耐腐蚀的材料氯化聚氯乙烯制成；
挡水桩挡水箱体两侧分别设有两条固定轨道槽和滑动轨，挡水桩折板平台为钢铁材质，用于安装防坠装置；
挡水桩的高度为1.2倍的前池水深；
电动升降杆底部固定在固定基础的底面上，通过伸缩运动驱动挡水桩的上升或下降；电动升降杆的最大行程为1倍的前池最大水深；
挡水桩折板平台上有滑槽和插销孔；
防坠装置包括气弹簧，H形连接件和斜坡滑块；
H形连接件由横板和两端的固定板、固定板上的竖板以及设置在固定板上的滚轴固定连接而成；
斜坡滑块中间设有斜45°的滑道，滚轴穿过斜坡滑块中间的滑道；斜坡滑块外侧面上设有与挡水桩折板平台上的插销孔相配合的插销；
插销凹槽的上角倒圆角设置，斜坡滑块上的插销倒圆角设置；
自动控制系统包括计算机，控制台，PLC控制器，变频器；
计算机根据上游水位资料和泵站运行情况，完成导流墩调节方案的计算，PLC控制器作为计算机和变频器的连接媒介。
2.一种如权利要求1所述的导流墩的运行方法，其特征在于，包括如下步骤：
导流墩在运行时，计算机获取泵站上游水位资料和泵站机组运行情况，输出各个挡水桩需要的位移，通过以太网传输给PLC控制器，PLC控制器再将指令发送给各个变频器，每个变频器改变电压及频率控制电动升降杆升降，电动升降杆驱动挡水桩各自独立地上下运动；
电动升降杆伸长与H形连接件的横板接触，电动升降杆的升力使H形连接件上移，同时H形连接件向上的位移在滚轴和斜45°滑道的共同作用下，转变为斜坡滑块的水平向内位移，当升力等于挡水桩的自重时，气弹簧收缩到最大值，挡水桩取消锁定；
与之相反，当断电或者电动升降杆故障时，气弹簧伸长，H形连接件下移，斜坡滑块水平外移，挡水桩锁定。
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