防止泥沙进入取水口的外置排水泵潜浮式拦沙坎的制作方法

本发明涉及水利工程、防灾减灾工程与农业水利工程等，尤其涉及一种汛期取水口前泥沙淤积较大、需临时提高拦沙坎高度的山区河流取水口的拦沙坎。

背景技术：

从山区河流中取水的方式，除了在高坝水库的中深层取水外，更多取水方式为低闸取水或无坝取水，且以取水口侧向布置为主。为了防止河道内泥沙进入取水口，合理设置取水口的位置与体型非常重要，此外，还需在取水口进口前适当的部位设置拦沙与排沙建筑物，其中拦沙建筑物以拦沙坎为主。

对于山区河流取水口，汛期内取水口前的泥沙通量可能会超过工程设计预估值，导致超量泥沙在取水口拦沙坎前落淤，可能高于泥沙淤积限制高程。对于部分河床式水电站取水口，在引水发电期，泥沙会在拦沙坎前及库区内大量淤积，当汛期降低水位排沙运行时，该部分淤积的泥沙便会大量起动或起悬，部分泥沙可能会翻越拦沙坎进入取水口。上述情况的发生会影响取水口的安全运行，目前的应对措施主要以人工疏浚为主，尚无有效的工程措施。

为了防止超量泥沙进入取水口，且考虑到运行的便捷性，本发明开发了一种外置排水泵潜浮式拦沙坎，直到本发明完成之前，发明人还未发现采用本发明所提出的拦沙坎的相关研究和工程实例。

技术实现要素：

针对山区河流取水口拦沙的需要，本发明提出了一种防止泥沙进入取水口的外置排水泵潜浮式拦沙坎，用于汛期拦挡取水口拦沙坎前超量淤积或起悬的泥沙进入取水口，以实现安全挡沙、降低维护成本及提高工程运行安全的目的。

本发明的基本思想是将拦沙坎设计成可改变高程的拦沙坎，汛期拦沙坎的高程增高，取水期拦沙坎的高程又恢复到设计高程，以解决汛期拦沙坎前超量淤积或起悬的泥沙进入取水口的问题。

本发明的基本设计是将拦沙坎设计成由固定高程的固定拦沙坎和可在水中潜浮的潜浮箱构成，通过向潜浮箱与固定拦沙坎之间的空间内灌水与排水使潜浮箱潜入或浮起，改变拦沙坎的高程，解决汛期拦沙坎前泥沙超量淤积和起悬泥沙进入取水口的问题。

本发明提供的防止泥沙进入取水口的外置排水泵潜浮式拦沙坎，其构成包括：固定设置在取水口前方底板上围腔式固定拦沙坎、位于固定拦沙坎围腔内的潜浮箱、设置在固定拦沙坎外的排水泵、监测固定拦沙坎前方泥沙沉积高度的高程传感器、监测潜浮箱起浮水位的水位传感器，以及与排水泵、高程传感器和水位传感器电信号连接的中控单元，潜浮箱的形体结构与固定拦沙坎围腔的形体结构相匹配，且潜浮箱与固定拦沙坎围腔之间留有间隙，以便水进入间隙能将潜浮箱浮起，在潜浮箱与固定拦沙坎围腔之间的间隙内设置有限制潜浮箱在上下浮动过程摆动的导向结构件、限制潜浮箱上浮距离的限位结构件和用于密封潜浮箱与固定拦沙坎围腔之间间隙的密封构件，所述固定拦沙坎的围腔设置有进气管、与排水泵进水口连通的排水管以及设置有控制阀向围腔灌水的进水管。

为了取得更好的技术效果，本发明还可进一步采取以下技术措施，以下各项技术措施可单独实施，也可组合实施，甚至一并实施。

在本发明的上述技术方案中，优先考虑在固定拦沙坎围腔底板上固定设置用于支撑潜浮箱的支撑墩；进一步地，所述支撑墩优先采取两条平行布置的条形结构的支撑墩。

在本发明的上述技术方案中，优先考虑在固定拦沙坎背流面设计支抵固定拦沙坎的支抵墩；进一步地，将支抵墩与固定拦沙坎设计为整体结构，且支抵墩优先采取上窄下宽斜坡面结构的支抵墩。固定拦沙坎一般为混泥土结构。

在本发明的上述技术方案中，优先考虑将固定拦沙坎的围腔设计为长方形结构的围腔，在围腔的四个方向均设置有限制潜浮箱在上下浮动过程摆动的导向结构件和限位结构件；进一步地，在围腔的四个方向均设置有两副导向结构件，在围腔的长边方向设置有两副限位结构件，在围腔的短边方向设置有一副限位结构件；限制潜浮箱在上下浮动过程中摆动的导向结构件，优先采用工字钢作为导向结构件，将工字钢部分嵌入拦沙坎围腔内壁面内进行固定。

在本发明的上述技术方案中，限位结构件可采取由固定设置在固定拦沙坎围腔内壁面上部的第一限位卡和固定设置在潜浮箱外壁面下部的第二限位卡构成。限位结构件的形式还有其他多种结构形式，如将限位与导向结合在一起的导向限位杆组件等。当限位结构件采取由所述第一限位卡和所述第二限位卡构成，第一限位卡于固定拦沙坎围腔内壁面上部的位置为潜浮箱在导向结构组件的限制下摆动不超过设计的幅度。

在本发明的上述技术方案中，用于密封潜浮箱与固定拦沙坎围腔之间间隙的密封构件优先采用橡胶充气管，橡胶充气管可通过充气与排气改变密封状态。作为密封构件的橡胶充气管设置在导向构件上方的围腔内壁面上。

在本发明的上述技术方案中，潜浮箱的高度优先设计成，在潜浮箱沉潜于固定拦沙坎围腔内，潜浮箱的箱顶与固定拦沙坎的坎顶齐平。

在本发明的上述技术方案中，所述排水泵优先考虑设置在靠近沉浮式拦沙坎的堤岸上。

在本发明的上述技术方案中，所述中控单元包括微处理器、水位监控平台和泥沙监控平台。

本发明提供的防止泥沙进入取水口的外置排水泵潜浮式拦沙坎，其运行包括上浮过程和下潜过程。上浮过程的初始状态，潜浮箱支撑在固定拦沙坎围腔内的支撑墩上，当泥沙监控仪监测到拦沙坎前的泥沙淤积高程高于设计限制高程，如果坎前泥沙仍持续淤积或出现部分翻越的情况，则启动本发明增高拦沙坎的高程挡沙。

潜浮箱的上浮过程：打开进水管上的控制阀，使河道内水流逐渐灌入固定拦沙坎围腔内并抬高其内部水位，当固定拦沙坎围腔内水位高于起浮水位后，潜浮箱所受浮力大于其重力，潜浮箱随围腔内的水位升高而沿工字钢导轨逐渐上浮，直至潜浮箱上的第二限位卡接触围腔上的第一限位卡。此外，固定拦沙坎围腔内的最高水位为设计的止浮水位，由水位监测仪、进水管上的控制阀共同控制。上浮的最大高度为两限位卡的高差。需要注意的是，在潜浮箱启动上浮之前，需打开橡胶充气管的排气阀门，排出橡胶充气管内的气体。灌水过程中的浮力与重力计算可由式(1)～式(7)所示公式进行计算。上浮过程的控制条件为f＞g。

潜浮箱的下潜过程：当本发明的潜浮式拦沙坎临时挡沙任务完成之后，则需将潜浮箱下潜并置于固定拦沙坎围腔内，即恢复到初始状态。关闭橡胶充气管的排气阀门，向橡胶充气管充气，减少水进入围腔。启动控制单元内的排水泵逐渐排出固定拦沙坎围腔内的水，使围腔内的水位逐渐降低，潜浮箱随围腔内的水位降低而下潜。当固定拦沙坎围腔内水位低于起浮水位之后，潜浮箱重力大于所受浮力(即g＞f)，潜浮箱在其自身重力作用下逐渐下沉恢复至初始状态。然后向橡胶充气管充气至密封状态，以减小顶部渗水量。下潜过程中的浮力与重力计算可由式(1)～式(5)所示公式计算。其基本控制条件为f<g。

此外，需要说明的是，由于本发明所述沉浮式拦沙坎长期潜于水下，且受固定拦沙坎围腔与潜浮箱衔接部位渗流以及橡胶充气管的密封性等因素影响，不可避免的可能会有水流渗入固定拦沙坎围腔内，如果水位传感器监测到固定拦沙坎围腔内水位接近起浮水位后，需及时启动排水泵降低该水位。

本发明主要具有以下优点：

(1)本发明通过控制潜浮箱升高而增加取水口前拦沙坎的挡沙高程，可以起到临时挡沙的作用。

(2)本发明仅通过向围腔内灌水和排水泵排水等操作便可以实现潜浮箱的上浮与下沉，具有操作简单、可行性强、适用范围广等优点。

(3)本发明采用橡胶充气管作为密封固定拦沙坎围腔与潜浮箱之间间隙的密封构件，结构十分巧妙，潜浮箱上浮时，排出橡胶充气管内的空气，密封失效，水从间隙和进水管进入围腔，将潜浮箱浮起；潜浮箱下沉时，橡胶充气管充气，即实现对固定拦沙坎围腔与潜浮箱之间间隙的密封，由排水泵排出围腔内的水，潜浮箱逐渐下沉，回复到原来的位置。

本发明工程实施用到的计算公式有：

f＝ρgvap……………………………………………(1)

ga＝ρagva……………………………………………(2)

va＝sa*da…………………………………………(3)

gb＝ρagvb……………………………………………(4)

g＝ga+gb……………………………………………(5)

vap＝s1h1……………………………………………(6)

h＝h1+h2……………………………………………(7)

vc＝vap+vab…………………………………………(8)

上述公式含义如下：

f—潜浮箱所受浮力，n；

ρ—水的密度，kg/m³；

g—重力加速度，9.8m/s²；

vap—潜浮箱排开水的体积，m³；

ga—潜浮箱的重力，n；

ρa—钢板密度，kg/m³；

va—潜浮箱的体积，m³；

sa—潜浮箱的外表面积，m²；

da—潜浮箱的厚度，m；

gb—下部限位重力，n；

vb—下部限位体积，m³；

g—潜浮箱系统的总重力，n；

s1—固定拦沙坎内空间的横截面积，m²；

h1—潜浮箱上浮时，水位距潜浮箱底部的垂向距离，m；

h2—潜浮箱上浮时，潜浮箱底部距固定拦沙坎内壳底部的垂向距离，m；

h—固定拦沙坎内的水位，m；

vab—潜浮箱上浮时，潜浮箱底部平面与固定拦沙坎内壳之间的体积，m³；

vc—潜浮箱外壳与固定拦沙坎内壳之间水的体积，m³；

附图说明

图1为设置有本发明潜浮式拦沙坎的取水口设施的平面示意图。

图2为设置有本发明潜浮式拦沙坎的取水口设施的剖面示意图。

图3-1为图1中ⅰ-ⅰ向剖视潜浮箱下潜在固定拦沙坎围腔内的结构示意图。

图3-2为图1中ⅰ-ⅰ向剖视潜浮箱于固定拦沙坎围腔内上浮至限位位置的结构示意图。

图4为图3-1中ⅱ-ⅱ向剖视结构示意图。

图5图1中局部a的放大示意图。

图6为图4中ⅲ-ⅲ向剖视结构示意图。

图7为图5中局部b剖视结构示意图。

在附图中，各图示标号的标识对象是：1-进气管；2-排水管；2-进水管；4-潜浮箱；5-取水口；6-大坝；7-控制阀；8-水位监控平台；9-泥沙监控平台；10-排水泵；11-高程传感器；12-水位传感器；13-橡胶充气管；14-固定拦沙坎；15-闸门启闭机；16-闸门；17-第一限位卡；18-工字钢；19-第二限位卡；20-支抵墩；21-支撑墩；22-河道。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的具体实施方式，并通过具体实施方式对本发明提供的防止泥沙进入取水口的外置排水泵潜浮式拦沙坎作进一步的说明。需要特别指出的是，本发明的具体实施方式不限于实施例所描述的形式。

在下面所述具体实施方式中，所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用方向用语是为了便于说明本发明，并非用来限制本发明。

本实施例的防止泥沙进入取水口的外置排水泵潜浮式拦沙坎，其结构如附图1-附图7所示，由固定设置在取水口5前方水渠底板上围腔式固定拦沙坎14、位于固定拦沙坎围腔内的潜浮箱4、设置在靠近固定拦沙坎堤岸上的排水泵10、设置在固定拦沙坎前方监测泥沙沉积高度的高程传感器11、监控潜浮箱起浮水位的水位传感器12，以及与排水泵、高程传感器和水位传感器电信号连接的中控单元，固定拦沙坎设计有与其为一体的支抵墩20，固定拦沙坎长方形围腔底板上固定设置有两条平行布置的用于支撑潜浮箱的条形支撑墩21；潜浮箱的形体结构与固定拦沙坎围腔的形体结构相匹配，且潜浮箱与固定拦沙坎围腔之间留有足够大的间隙，以便水进入间隙能将密闭钢制的潜浮箱浮起，在潜浮箱与固定拦沙坎围腔之间，每一方竖直设置两根作为导轨的工字钢18，在长边一方即拦沙坎宽度方向设置两副限位结构件，在短边一方即拦沙坎厚度方向设置一副限位结构件，所述限位结构件由固定设置在固定拦沙坎围腔内壁面上部的第一限位卡17和固定设置在潜浮箱外壁面下部的第二限位卡19构成；监控潜浮箱起浮水位的水位传感器12和用于密封围腔与潜浮箱之间间隙的橡胶充气管13设置在固定拦沙坎围腔的上部；所述固定拦沙坎的围腔设置有进气管1、与排水泵进水口连通的排水管2以及向围腔灌水的进水管3，进水管上设置有控制阀7；在固定拦沙坎背流面设计支抵固定拦沙坎的支抵墩21，所述支抵墩与固定拦沙坎为由混泥土构筑的整体结构，支抵墩的结构为上窄下宽斜坡面结构的支抵墩。包括微处理器、水位监控平台8和泥沙监控平台9的中控单元设置在靠近固定拦沙坎的堤岸上。