双轴可调控竖缝式鱼道及其运行方法
【专利摘要】本发明公开了一种双轴可调控竖缝式鱼道及其运行方法，该鱼道其包括侧壁、底板、齿轮轨道、纵向齿轮、若干对挡板、支墩、水平齿轮、可调开度的过水孔、过鱼廊道以及操作间，齿轮轨道位于侧壁靠近池室一侧的壁面上，纵向齿轮位于齿轮轨道上并可沿其运动；挡板分为长挡板和短挡板，其依次交替设置在侧壁上，间隔一定的距离，并且在垂直水流方向，长短挡板成对出现；可调开度的过水孔和过鱼廊道位于挡板上；挡板与支墩通过轴和水平齿轮连接，支墩与侧壁用纵向齿轮连接。本发明将过鱼通道与消能区分开，为过鱼通道提供了较稳定的水流形态，使过鱼通道不受消能区的影响；解决了鱼道过鱼处水流条件不好、不能适用较大水头差、过鱼效果不好的问题。
【专利说明】双轴可调控竖缝式鱼道及其运行方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水利水电工程领域，涉及鱼道结构及其运行方法，具体涉及一种双轴可调控竖缝式鱼道及其运行方法。
【背景技术】
[0002]随着我国经济社会的全面发展，人们意识到水力发电在带来经济效益的同时，也对鱼类种质交流通道形成了隔阻，造成了生境的破碎化。随着环保政策的不断完善以及建设项目环境监管力度的不断加大，通过修建鱼道为鱼类提供洄游通道，已逐渐成为水电工程水生生态保护的重要措施之一。
[0003]鱼道的设计主要考虑鱼类的洄游(逆流上行或顺流下行)习性,鱼逆流上溯时,鱼类常依靠闸坝下游水流的吸引进入鱼道，鱼类在鱼道中靠自身力量克服流速溯游至上游。目前鱼道按其结构型式分为原生态式鱼道、槽式鱼道、特殊结构型式鱼道、池室式鱼道(又称隔板式鱼道)。原生态式鱼道很接近天然河道的情况，主要依靠延长水流路径和增加糙率来消能；槽式鱼道主要通过在槽壁和槽底布置间距甚密的各类阻板和砥坎，消杀能量，减低流速，但该类型鱼道水流紊动剧烈；特殊结构型式鱼道具有独特的结构型式，通常仅为那些能爬行、能粘附、善于穿越草丛缝隙的水生物上溯而设；池室式鱼道利用隔板水垫、水流对冲、扩散及沿程摩阻来消能，创造适合于鱼类洄游的流态，因此是目前国内外使用最多的鱼道型式。
[0004]目前，所采用的池室式鱼道结构包括鱼道边墙和多个隔板，所述隔板设置在鱼道边墙上，所述隔板将鱼道分成多个池室，消能过程基本依靠隔板，造成隔板前水流流态比较复杂，严重影响过鱼通道的水流，不利于鱼的洄游。例如，申请号为201210264529.5的发明专利申请，公开了一种隔板上设有透水穿孔或缝，透水穿孔或缝能透水，但不能通过鱼类。另有申请号为201120307777.4的实用新型专利，公开了一种结构简单的可调控竖缝式鱼道结构，安装于其中一侧侧壁上的隔板与另一侧侧壁之间留有间隙，该间隙与相邻两隔板之间的空隙连成“Z”字型的过鱼通道。这些鱼道结构中，隔板后的消能区严重影响过鱼廊道的水流形态，并且竖缝区正是消能区，其水流形态都很差，不利于鱼的洄游。现有技术中，鱼道设计将消能区和鱼的通道都没有区分。
【发明内容】
[0005]发明目的:本发明所要解决的技术问题是提供一种鱼道结构及其运行方式，使消能区与鱼的洄游区不重合，使鱼洄游区的水流态稳定，并提高挡板的消能效果，利于鱼的洄游。
[0006]本发明解决以上技术问题所采用的技术方案是:
[0007]一种双轴可调控竖缝式鱼道，包括侧壁、底板、齿轮轨道、纵向齿轮、若干对挡板、支墩、水平齿轮、可调开度的过水孔、过鱼廊道以及操作间；
[0008]所述的齿轮轨道分别位于侧壁靠近池室一侧的壁面上，所述的纵向齿轮位于齿轮轨道上，并可沿其运动；所述支墩通过纵向齿轮与侧壁连接，纵向齿轮转动带动挡板沿侧壁滑动，从而调节两对挡板间形成的池室的长度；
[0009]每对挡板包括长挡板和短挡板，在同一侧沿水流方向，长挡板和短挡板交替出现；长挡板和短挡板均通过水平齿轮和轴连接在支墩上，通过水平齿轮的转动带动轴转动，进而调节长挡板和短挡板与侧壁的夹角；所述长挡板和短挡板上均设有可调开度的过水孔和过鱼廊道。
[0010]其中，纵向齿轮是指齿轮轴位于水平方向，并且齿轮在竖直方向转动同时沿着位于水平面方向的齿轮轨道啮合传动的齿轮，水平齿轮是指齿轮轴位于竖直方向，并且在水平面方向转动同时沿着支墩上圆弧轨道啮合传动的齿轮。操作间位于侧壁的顶部平台上，每块挡板上设有起闭机，启闭机用于开启或关闭可调开度的过水孔以及过鱼廊道上的闸门。侧壁的上游有总闸门，通过闸门的开启和闭合来开闭来控制鱼道中的水量。
[0011]进一步地，所述挡板的横截面为L形，所述长挡板和短挡板均用不锈钢钢板制成，外包有仿生防撞层，底部有仿生润滑层；在垂直水流方向，长挡板和短挡板成对出现，且两挡板与侧壁形成夹角。挡板下游面上均安装有摄像头，实时监测水流和过鱼情况。
[0012]进一步地，长挡板与短挡板的长度之和等于池室的总宽度，长挡板与短挡板合起来后可以阻止上一池室的水流入下一个池室。
[0013]进一步的，可调开度的过水孔上均设置有闸门，通过闸门的开启或闭合来控制流入下一个池室的流量；可调开度的过水孔位于长挡板和短挡板上部，其均安装有闸门。可调开度的过水孔靠近上游的一端侧均安装有拦隔网或防护网，防止鱼类进入可调开度的过水孔。同时，长挡板上可调开度的过水孔数量比短挡板上的要多；过鱼廊道位于挡板的靠近侧壁部的下方，且顺水流方向看，过鱼廊道中轴线与水流方向成锐角。同时，长挡板上的过鱼廊道尺寸比短挡板上的要大，并且过鱼廊道内的顶部面上装有吸引鱼的光源，而底部面上装有可以吸引鱼的水草，进而吸引鱼从过鱼廊道通过。
[0014]进一步地，所述的操作间内包含计算机来处理摄像头采集回的信息，以及各纵向齿轮和水平齿轮所对应的操作杆和控制各闸门的控制器。操作杆用来调节纵向齿轮和水平齿轮的转动，从而调节长短挡板的转动和移动。
[0015]本发明还提出了一种基于上述双轴可调控竖缝式鱼道的运行方法，包括以下步骤:
[0016](I)根据上下游水位差初步确定开启第一对挡板的位置，关闭第二对挡板以后的所有挡板上的可调开度的过水孔和过鱼廊道上的闸门，并调整每对挡板中长挡板(4)短挡板(5)之间的距离使其竖缝为零；
[0017](2)根据上下游水位差确定开启总闸门的大小，以及打开第一对挡板的可调开度的过水孔和过鱼廊道的闸门，通过摄像头采集第一个池室中水流的流态和过鱼情况，判断对流消能区的宽度，以及对过鱼通道的影响；
[0018](3)通过操纵杆来调节第一对长挡板和短挡板的位置，以及挡板与侧壁的夹角，使得消能区位于池室中间，并且使消能区宽度达到最窄为止，此时对过鱼通道影响最小；
[0019](4)打开第二对挡板上的可调开度的过水孔和过鱼廊道的闸门，通过摄像头采集第二个池室中水流的流态和过鱼情况，判断对流消能区与过鱼通道的位置；通过操纵杆来调节长挡板和短挡板的位置，以及挡板与侧壁的夹角，继续束窄消能区宽度至最小值为止，使得消能区与过鱼通道互不相干；
[0020](5)重复步骤(4)对下一对挡板进行调节，，直到打开所有挡板上的过鱼廊道和可调开度的过水孔上的闸门为止。此时，消能区与过鱼通道已分开，水流形态达到最佳，此时过鱼效率达到最佳。
[0021 ] 本发明的双轴可调控竖缝式鱼道及其运行方法与现有技术相比，其有益效果是:
[0022](I)本发明中的长短挡板均开有可调开度的过水孔，并且两挡板均与侧壁成一定的角度，通过可调开度的过水孔的水可以在下一个池室里进行对流消能。长挡板上的过流量比较大，对流消能后主方向沿着长挡板下泄水流方向，此水流方向正向着下一个长挡板，下一个长挡板可以再次更好地进行消能。
[0023](2)本发明中的长短挡板通过轴和水平齿轮与支墩连接，水平齿轮和轴带动挡板转动，改变挡板与侧壁的夹角，控制消能区的位置，使得消能区与过鱼通道互不影响。
[0024](3)本发明中的支墩通过纵向齿轮和侧壁连接，每个侧壁上有两条齿轮通道，可以通过纵向齿轮调节带动长短挡板在侧壁上的位置，从而调节下一个池室里对流消能区的位置，使得对流消能区与过鱼通道互不影响。
[0025](4)本发明中的过鱼廊道设置在靠近底部靠近岸边的慢流速区，并且过鱼廊道有一定的长度，沿水流方向的截面，过鱼廊道沿程升高，过鱼廊道中的水流会因克服自身的重力以及下游的水压而达到消能的作用，且对水流态影响不大。
[0026](5)本发明中的长短挡板可以通过纵向齿轮沿侧壁方向移动，这样可以调节各池室的长短，从而适应不同上下游水位差，提高鱼道的过鱼能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本发明的双轴可调控竖缝式鱼道的结构图；
[0028]图2为图1中A-A剖视图；
[0029]图3为图1中B-B剖视图(模拟鱼顺流下行);
[0030]图4为图1的俯视图；
[0031]图5为本发明中鱼道池室水流示意图；
[0032]图6为本发明局部过鱼廊道内部结构示意图；
[0033]图7为本发明中长挡板与侧壁连接平面图；
[0034]图8为本发明中长挡板与侧壁连接俯视图。
[0035]附图标号说明:
[0036]I侧壁 2底板3支墩
[0037]4长挡板 5短挡板6可调开度的过水孔
[0038]7过鱼廊道 8操作间9起闭机
[0039]IOa纵向齿轮 IOb水平齿轮11齿轮轨道
[0040]12光源 13水草14摄相头
[0041]15计算机 16操作杆
【具体实施方式】
[0042]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进一步说明。[0043]如图1至8所示，本发明的双轴可调控竖缝式鱼道，包括侧壁1、底板2、支墩3、以及设置在内侧壁I上的多块长挡板4和短挡板5，支墩3上有水平齿轮IOb和轴，侧壁I的顶部平台设有操作间8，侧壁I靠池室的壁面上设有齿轮轨道11，纵向齿轮IOa位于齿轮轨道11上。在内侧壁上每块长挡板4和短挡板5交替出现。长挡板4上开有三个可调开度的过水孔6和一个过鱼廊道7，短挡板5上开有两个可调开度的过水孔6和一个过鱼廊道7，如图2所示。过鱼廊道7在每块挡板下方并且靠近侧壁，沿水流方向，过鱼廊道7的中轴线与水流方向成21ο，如图3所示。运行过程中，从长挡板4上的过鱼廊道7通过的鱼类，大多数通过下一个短挡板5上的过鱼廊道7，极少数被主流方向带走的鱼可以通过下个长挡板4上的过鱼廊道7，如图4所示。通过可调开度的过水孔6的水可以在下一个池室里进行对流消能，如图4所示。长挡板4上的过流量比较大，对流后水流的主方向为长挡板4下泄水流的方向，此水流方向正向着下一个长挡板4，下一个长挡板4可以再次更好地进行消能，如图5所示。过鱼廊道7的过鱼通道顶部面上装有吸引鱼的光源12，过鱼通道底部面上装有可以吸引鱼的水草13，如图6所示，本发明中，各挡板通过支墩3连接在侧壁I上，如图7和图8所示,通过双轴达到转动和沿侧壁方向的移动。
[0044]在上述基础上，根据鱼道设计准则，鱼道宽度设为6m，长挡板4长为3.6m,短挡板5长度为2.4m，长短挡板的长度比为3:2。考虑到拟通过鱼类胸鳍水平展开距离，设置长挡板4上的过鱼廊道宽1.5m,高lm，长1.9m,短挡板5上过鱼廊道宽lm，高0.8m,长1.7m。过鱼廊道7的中轴线与水流方向成21ο。根据各水利工程的不同，可在长短挡板4上开设有不同的可调开度的过水孔6，一般可在长挡板4上设三个可调开度的过水孔6，短挡板5上设两个可调开度的过水孔6。各可调开度的过水孔6有一定的间距，最靠近鱼道中心的过鱼廊道7跟挡板边缘有0.5m的安全距离，一般可设可调开度的过水孔6直径尺寸为0.6m。考虑到消能区对过鱼通道的影响，消能区宽度一般为1.5m?2.5m。两条齿轮轨道11位于侧壁I垂直面上且与底板2平行，两条齿轮轨道11的中心线位于挡板垂直方向的三等分处。
[0045]本发明的双轴可调控竖缝式鱼道运行方法，包括以下步骤:
[0046]将本发明应用于国内某库区的某个支流上，按图1所示安装好结构，在上下游水位差为65m，鱼道下泄流量为60m3/s的工况下，来自上游的水体，一部分通过长挡板4的可调开度的过水孔6，一部分通过短挡板5的可调开度的过水孔6，还有一部分通过竖缝。三者在下一个池室对流消能，关闭第二对挡板以后的所有挡板上的可调开度的过水孔6上的闸门，并调整每对挡板间的竖缝使其基本为零。通过摄像头14采集第一个池室中水流的流态，当长短挡板与侧壁的夹角为43°时，此时消能区宽度约为2.lm，过鱼通道受流消能区的影响最小。打开第二对挡板上的可调开度的过水孔6的闸门，通过操纵杆16来调节长挡板4和短挡板5与侧壁I的夹角，继续束窄消能区宽度，当调整夹角为43°左右时，池室长度为Sm左右时，第一池室中消能区宽度为1.6m左右，此时过鱼通道不受对流消能区的影响。
[0047]通过摄像头14采集第二个池室中水流的流态，打开第三对挡板上的可调开度的过水孔6的闸门，通过操纵杆16来调节长挡板4和短挡板5与侧壁I的夹角并且调整两挡板与侧壁I的夹角，当调整夹角为40°左右时，池室长度为7m左右时，第二池室中消能区宽度为1.Sm左右，此时过鱼通道不受对流消能区的影响。
[0048]继续打开第四对挡板上的可调开度的过水孔6的闸门，通过摄像头14采集第三个池室中水流的流态，操纵杆16来调节长挡板4和短挡板5与侧壁I的夹角，当调整夹角为40°左右、池室长度为7m左右时，第三池室中消能区宽度为1.7m左右，此时过鱼通道不受对流消能区的影响。鱼类通过过鱼廊道7洄游或下游，穿过大过鱼廊道7的鱼有些会被主流方向带到下游另一侧的大过鱼廊道7上。过鱼通道没有受消能区的影响，过鱼效率比较闻。
[0049]可见，本发明将消能区与过鱼通道分开，使消能区不影响过鱼通道的水流形态，保证了过鱼廊道7的水流形态，并且使过鱼通道水流流速减小，提高了鱼道的过鱼效率。应用前景好。
[0050]尽管参照特定的实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
【权利要求】
1.一种双轴可调控竖缝式鱼道，其特征在于:包括侧壁(I)、底板(2)、齿轮轨道(11)、纵向齿轮(10a)、若干对挡板、支墩(3)、水平齿轮(10b)、可调开度的过水孔(6)、过鱼廊道(7)以及操作间⑶； 所述的齿轮轨道分别位于侧壁(I)靠近池室一侧的壁面上，所述的纵向齿轮(IOa)位于齿轮轨道(11)上，并可沿其运动；所述支墩⑶通过纵向齿轮(IOa)与侧壁⑴连接，纵向齿轮(IOa)转动带动挡板沿侧壁(I)滑动，从而调节两对挡板间形成的池室的长度； 每对挡板包括长挡板(4)和短挡板(5)，在同一侧沿水流方向，长挡板(4)和短挡板(5)交替出现；长挡板(4)和短挡板(5)均通过水平齿轮(IOb)和轴连接在支墩(3)上，水平齿轮(IOb)的转动带动轴转动，进而调节长挡板(4)和短挡板(5)与侧壁(I)的夹角； 所述长挡板(4)和短挡板(5)上均设有可调开度的过水孔(6)和过鱼廊道(7)。
2.根据权利要求1所述一种双轴可调控竖缝式鱼道，其特征在于:所述挡板的横截面为L形，所述挡板均为钢材制成，外包有仿生防撞层，底部有仿生润滑层；在垂直水流方向，长挡板(4)和短挡板(5)成对出现，且两挡板与侧壁(I)形成夹角，两挡板下游面上安装有摄像头(14)，实时监测水流和过鱼情况。
3.根据权利要求1所述一种双轴可调控竖缝式鱼道结构，其特征在于:可调开度的过水孔(6)上均设置有 闸门，通过闸门的开启或闭合来控制流入下一个池室的流量；可调开度的过水孔(6)上游侧设置有拦隔网，防止鱼从可调开度的过水孔(6)通过；长挡板(4)上的可调开度的过水孔(6)的数量比短挡板(5)上的要多。
4.根据权利要求1所述一种双轴可调控竖缝式鱼道，其特征在于:所述过鱼廊道(7)位于挡板的靠近侧壁(I)的下方，且顺水流方向看，过鱼廊道(X)的中轴线与水流方向成锐角；长挡板⑷上的过鱼廊道(7)的尺寸比短挡板(5)上的要大。
5.根据权利要求1或4所述一种双轴可调控竖缝式鱼道，其特征在于:所述过鱼廊道(7)上游侧设置有闸门，通过闸门的开启或闭合来控制过鱼廊道(7)的流量；所述的过鱼廊道(7)内的顶部面上装有吸引鱼的光源(12)，而底部面上装有吸引鱼的水草(13)，进而吸引鱼从过鱼廊道(7)通过。
6.根据权利要求2所述一种双轴可调控竖缝式鱼道，其特征在于:所述的操作间(8)内包含用于处理摄像头(14)采集回的信息的计算机(15)以及各纵向齿轮(IOa)和水平齿轮(IOb)所对应的操作杆(16);所述操作杆(16)用来调节纵向齿轮(IOa)和水平齿轮(IOb)的转动，从而调节挡板的转动和移动。
7.根据权利要求1所述一种双轴可调控竖缝式鱼道，其特征在于:长挡板(4)与短挡板(5)的长度之和等于池室的总宽度，长挡板(4)与短挡板(5)合起来后可以阻止上一池室的水流入下一个池室。
8.一种基于权利要求6所述的双轴可调控竖缝式鱼道的运行方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)根据上下游水位差初步确定开启第一对挡板的位置，关闭第二对挡板以后的所有挡板上的可调开度的过水孔(6)和过鱼廊道(7)上的闸门，并调整每对挡板中长挡板(4)和短挡板(5)之间的距离使其竖缝为零； (2)根据上下游水位差确定开启总闸门的大小，以及打开第一对挡板的可调开度的过水孔(6)和过鱼廊道(7)的闸门，通过摄像头(14)采集第一个池室中水流的流态，判断对流消能区的宽度，以及对过鱼通道的影响； (3)通过操纵杆来调节第一对长挡板⑷和短挡板(5)的位置，以及挡板与侧壁⑴的夹角，使得消能区位于池室中间，并且使消能区宽度达到最窄为止，此时对过鱼通道影响最小; (4)打开第二对挡板上的可调开度的过水孔(6)和过鱼廊道(7)的闸门，通过摄像头(14)采集第二个池室中水流的流态，判断对流消能区与过鱼通道的位置；通过操纵杆来调节长挡板(4)和短挡板(5)的位置，以及挡板与侧壁(I)的夹角，使得消能区宽度继续束窄到最小值为止，此时消能区与过鱼通道互不相干； (5)重复步骤(4)对下一对挡板进行调节，直到打开所有挡板上的可调开度的过水孔(6)和过鱼廊道(7)上的闸门为止；此时，消能区与过鱼通道已分开，水流形态达到最佳，此时过鱼效率 达到最佳。
【文档编号】E02B8/08GK104018473SQ201410284670
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】戴会超, 闫杰, 张鸿清, 毛劲乔, 赵倩 申请人:河海大学