水气联合平衡水力自动溢流堰的制作方法

本发明属于水利水电工程领域，具体涉及一种水气联合平衡水力自动溢流堰。

技术背景

多数中小型水库工程以水库正常蓄水位作为溢流控制堰顶高程，超过此水位高程的洪水可以通过溢洪道，或溢流坝段安全泄往下游，确保大坝工程的安全；而多数大型水利水电工程，为了提高水库工程效益，特别是增加发电水头提高发电效益，在规划时确定的正常蓄水位高于溢洪道，或溢流坝段堰顶高程，并在溢洪道，或溢流堰的堰顶设置控制闸门，实现水库的灵活防汛调度控制，达到既提高工程效益的同时，又确保大坝工程防洪安全，减小工程投资的目的。

我国中小型水电工程众多，大多数水库未实现闸门控制泄洪，水头及水资源没有得到充分地利用，造成了水能资源的浪费。如果实现闸门控制，又会受到中小型水电工程现有管理水平，包括工程管理人员的水平、闸门自动化控制水平的限制，水库闸门调度控制无法得到合理的保障，运行不合理不仅发挥不了工程效益，甚至造成水库防洪安全事故。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种水气联合平衡水力自动溢流堰，突破了传统的技术局限，以一种全新的方法解决了现有水电工程技术中水能资源没能得到充分利用，水库水资源自动化运行管理水平低下的问题。

为了实现上述目的，本发明所设计的水气联合平衡水力自动溢流堰，其特殊之处在于：包括坝体和溢流水池，所述坝体上部设置有空腔，所述空腔与坝体上游水流连通，所述空腔内设置有底部开口的浮动箱体，所述浮动箱体顶部设置有堰板，所述堰板穿过坝体顶部露于坝体外；所述溢流水池内设置有下部开口的固定箱体，所述固定箱体和浮动箱体的横截面面积相等，所述固定箱体和浮动箱体内上部空间均为气体，且通过气体连通管相互连通，浮动箱体内下部空间与空腔内水体连通，所述固定箱体内下部空间与溢流水池池内水体连通，所述溢流水池内的水体与溢流水池池面齐平。

进一步地，所述溢流水池侧壁上连接有用于溢流水池补水用的补水管。

更进一步地，为方便溢流水池内水体的补给，所述溢流水池设置在坝体下游靠近坝体处，靠连接水库生态流量泄放管补给，节约了水源。

再进一步地，所述气体连通管上还设置有带阀门的补气管，方便浮动箱体和固定箱体内气体的补给，保证了本发明溢流的正常运行。补气管通过空压机补气，空压机带有压力表，洪水期间检查压力表判断是否需要补气。

再进一步地，为防止浮动箱体发生倾覆，影响整个溢流堰的功能，所述浮动箱体与空腔侧壁之间还设置有滑动约束。

再进一步地，所述空腔侧壁靠近坝顶处设置有与坝体上游连通的进水口。

本发明的优点在于：

设计坝体空腔，溢流水池，并设计内部气体连通的浮动箱体和固定箱体。

1、利用水气联合自动溢流及水位调节，运行不需要施加额外能源，节能环保。

2、能提高中小型水库的发电水头及水能资源利用率，从而提高发电效益，具有普遍推广的价值，社会效益和经济效益巨大。

3、能够实现中小型水库不需要自动化控制装置和人工监控，通过本装置和技术，自动调节水库的水位和泄流，确保大坝安全。

附图说明

图1为本发明水气联合平衡水力自动溢流堰结构示意图

图2为本发明工作状态结构示意图。

图3为本发明另一种工作状态结构示意图。

图中：坝体1，空腔1.1，堰板2，浮动箱体3，固定箱体4，溢流水池5，进水口6，滑动约束7，气体连通管8，补气管9，补水管10，气体11，c最高挡水位，d相对恒定水位，e最低蓄水位。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如所示的水气联合平衡水力自动溢流堰，包括坝体1和溢流水池5，坝体1上部设置有空腔1.1，空腔1.1与坝体1上游水流连通，具体为，空腔1.1侧壁靠近坝顶处设置有与坝体1上游连通的进水口6，空腔1.1内设置有底部开口的浮动箱体3，浮动箱体3顶部设置有堰板2，堰板2穿过坝体1顶部露于坝体1外；溢流水池5内设置有下部开口的固定箱体4，固定箱体4和浮动箱体3的横截面面积相等，固定箱体4和浮动箱体3内上部空间均为气体11，且通过气体连通管8相互连通，溢流水池5内的水体与溢流水池5池面齐平。

溢流水池5侧壁上连接有用于溢流水池补水用的补水管10。为方便溢流水池内水体的补给，溢流水池5设置在坝体1下游靠近坝体处，靠连接水库生态流量泄放管补给，节约了水源。气体连通管8上还设置有带阀门的补气管9，方便浮动箱体和固定箱体内气体的补给，保证了本发明溢流的正常运行。补气管9通过空压机补气，空压机带有压力表，洪水期间检查压力表判断是否需要补气。为防止浮动箱体发生倾覆，影响整个溢流堰的功能，浮动箱体3与空腔1.1侧壁之间还设置有滑动约束7。其中空腔1.1侧壁靠近坝顶处设置有与坝体1上游连通的进水口6。

本发明中，堰板2采用矩形薄壁堰板，堰板2固定在坝内自由浮动箱体3上，堰板2高为L，随浮动箱体3一起升降，浮动箱体3在四周边壁滑动约束7的情况下，可以自由上下浮动。固定箱体4置于坝下游处，固定在溢流水池5中，固定箱体4截面面积与浮动箱体3截面面积相等，均为S，坝内浮动箱体3中的气体连接固定箱体4中的气体，形成一个连通器。由于滑动约束7中滑轮仅防箱体倾覆，所以产生滑动摩阻力很小，可以忽略不计，坝内浮动箱体3受箱内气体浮托力作用rSHA以及箱体自重G、箱体上部水重rSL和坝体1对浮动3的压力F1而平衡，坝外固定箱体4内气体压强与坝内浮动箱体3内气体压强相等。

当水库水位位于相对恒定水位d时，坝内浮动箱体3的受力平衡：

F1+G+rSL＝rSHA (1)

此时，HA＝(F1+G+rSL)/rS，浮动箱体3和固定箱体4的气体压强相等：

rHA＝rHB (2)

如图2所示，当水库因降雨来水增加时，假定水位上升h1，此时浮动箱体3上部水重增加，内部气体压强增大，浮动箱体3受力平衡：

F1+G+rS(L+h1)＝rS(HA+h1) (3)

浮动箱体3和固定箱体4气体压强不相等：

r(HA+h1)>RhB (4)

先假定箱内气体不可压缩，为了维持浮动箱体3与固定箱体4的气体压强的平衡，浮动箱体3中的气体向固定箱体4移动，浮动箱体3内水位上升x，浮动箱体3不动，固定箱体4内水位下降x，气体体积不变，为了维持浮动箱体3与固定箱体4的气体压强相等，此时浮动箱体3与固定箱体4的气体压强相等:

此时浮动箱体3的受力平衡：

当h1满足h1＝2F1/rS时，F＝0，浮动箱体3处于临界平衡状态，当水位继续上升时，

因此浮动箱体3下沉，假设浮动箱体3下沉一个微小量y，此时浮动箱体3中的水面将下降固定箱体4中的液面下降浮动箱体3和固定箱体4的气体压强维持相等：

此时浮动箱体3的受力不平衡：

因此，浮动箱体3将持续下沉至底部，水库泄洪达到最大，此时浮动箱体3的受力为：

浮动箱体3和固定箱体4的气体压强相等：

因此，当水位上升超过h1时，高于最高挡水位c时，浮动箱体3下沉至底部。

当洪水过后，水库水位开始下降，当水库水位降至相对恒定水位d以下D时，浮动箱体3和固定箱体4的气体压强相等，浮动箱体3内液面下降固定箱体4内液面上升浮动箱体3和固定箱体4的气体压强维持相等：

浮动箱体3所受的向下的力为G+rS(L+L-D)，所受的浮托力为rS由式(1)得：HA＝(F1+G+rSL)/rS，所以所受的浮托力为当D<L-h1时：

当D＝L-h1时，浮动箱体3受力达到临界平衡:

此时水库水位继续下降，D>L-h1时，浮动箱体3受力为：

此时，浮动箱体3将上升，假设浮动箱体3上升一个微小量a，此时浮动箱体3中的水面将上升固定箱体4中的液面上升浮动箱体3和固定箱体4的气体压强维持相等：

此时浮动箱体3受力为：

因此，浮动箱体3将持续上升，浮动箱体3上升至顶部，拦蓄部分洪水尾水。

因此，当水库水位下降至最低蓄水位e时，浮动箱体3上升。

在前面分析中，假定气体不可压缩，而事实上箱内气体具有可压缩性，当水库水位上升h1-2ΔZ时，箱内气体压强增大，箱内气体压缩，为了维持两空箱内气体压强一致，两空箱内气体同时压缩ΔZ。假设浮动箱体3内水位下降浮动箱体3不动，固定箱体4水位下降此时浮动箱体3和固定箱体4的气体压强相等，浮动箱体3受力平衡：

由此可知，当水库来流增加时，浮动箱体3下降，溢流堰板2随之下降，水库泄流增加，由于浮动箱体3内气体具有可压缩性，水库水位随之下降，并维持水位的相对恒定。当水库来流减小时，浮动箱体3随之上升，溢流堰板2随之上升，减少水库泄流，水库水位随之上升，维持水位的相对恒定。

本发明的水气联合平衡水力自动溢流堰，可以通过水和气的联合内部平衡机制，自动升降调节溢流堰堰顶高程，实现中小型水库水位的相对恒定的自动调节，提高水库的正常蓄水位，增加发电水头，拦截部分洪水尾部洪量，减小水库水能资源浪费，从而增加工程的发电效益，并为电站提供了相对恒定水头的良好运行条件。