一种水下浮式弧形闸门分层取水系统

1.本发明涉及水利水电工程技术领域，具体涉及一种水下浮式弧形闸门分层取水系统。


背景技术：

2.水温对水生态系统中的物理、化学和生物过程起着重要作用，是水环境研究中的基本要素，影响范围极广。而分层取水是缓解水库或水电站下泄低水温影响的主要有利措施。水坝实现分层取水后，能够改善大坝下泄水温问题，保护了下游河道生物种群结构不被破坏。大流量条件下分层取水措施主要有多层取水口、叠梁门、隔水帷幕等。
3.现有技术中的叠梁门的运行原理为当水位升高后，通过下放一系列闸门拦挡在电站取水口前方的一定范围内，使电站取水高程从取水口上移至叠梁门顶，使得在库区水温分层的情况下取用上层温度较高的水体。由于叠梁门在动水中提放难度较大，在利用叠梁门进行分层取水时需预先将水流截停后再对叠梁门进行提放，操作时间较长，对各大水利工程的电力调度的影响较大；单层叠梁门高度固定，无法根据来流水温动态自适应调节，下泄水温改善效果有限。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术水利工程中的叠梁门无法在动水中提放、无法根据来流水温动态自适应调节的缺陷，从而提供一种水下浮式弧形闸门分层取水系统。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供一种水下浮式弧形闸门分层取水系统，安装在水库取水口处，包括：基座侧墙，安装在水流方向的至少一侧；叠梁门本体，沿竖直方向滑动安装在基座侧墙上；弧形闸门本体，其轴线与基座侧墙垂直，弧形闸门本体沿竖直方向滑动安装在基座侧墙上，弧形闸门本体与基座侧墙之间安装有升降装置，弧形闸门的凸面朝向来水方向设置，弧形闸门本体朝向叠梁门本体的一侧与叠梁门本体抵接。
6.可选地，升降装置包括：驱动电机和安装在驱动电机驱动轴上的升降齿轮，基座侧墙上设置有升降齿条，升降齿轮与升降齿条啮合配合。
7.可选地，升降装置还包括螺旋升降轮，基座侧墙上设有螺纹筒，螺旋升降轮与螺纹筒螺纹配合。
8.可选地，驱动电机的输出轴上安装有传动齿轮，传动齿轮上啮合安装有第一传动杆，螺旋升降轮上同轴安装有辅助齿轮，第一传动杆远离传动齿轮的一端与辅助齿轮啮合配合。
9.可选地，传动齿轮上还啮合安装有第二传动杆，第二传动杆远离传动齿轮的一端与升降齿轮啮合配合。
10.可选地，弧形闸门本体包括：第一弧形闸片，其凹面固定安装有连接件；第二弧形闸片，安装在第一弧形闸片上侧，第二弧形闸片的轴线与第一弧形闸片的轴线平行，第二弧形闸片的凹面安装有被动伸缩件，被动伸缩件一端安装在第二弧形闸片上，另一端转动安装在连接件上；驱动伸缩件，一端安装在连接件上，另一端安装在被动伸缩件上。
11.可选地，还包括水温监测装置，安装在叠梁门本体上游和/或弧形闸门本体下游。
12.可选地，还包括水温水位探测装置，安装在叠梁门本体上游的水体中。
13.可选地，叠梁门本体上游的水体中设置有拦漂排，拦漂排上间隔设置有多个水温水位探测装置。
14.可选地，弧形闸门本体安装在叠梁门本体下游。
15.本发明技术方案，具有如下优点：1.本发明提供的水下浮式弧形闸门分层取水系统，安装在水库取水口处，包括：基座侧墙，安装在水流方向的至少一侧；叠梁门本体，沿竖直方向滑动安装在基座侧墙上；弧形闸门本体，其轴线与基座侧墙垂直，弧形闸门本体沿竖直方向滑动安装在基座侧墙上，弧形闸门本体与基座侧墙之间安装有升降装置，弧形闸门的凸面朝向来水方向设置，弧形闸门本体朝向叠梁门本体的一侧与叠梁门本体抵接。
16.利用水下浮式弧形闸门分层取水系统进行取水层调节时，当水库水位开始上升或下降，导致取水层高度将要超过当前弧形闸门本体和叠梁门本体的控制范时，通过外部设备带动叠梁门本体沿基座侧墙上下滑动，使得叠梁门本体上升或下降到所需位置，然后利用升降装置带动弧形闸门本体沿基座侧墙攀爬上升或下降，将弧形闸门本体调整到所需高度。通过弧形闸门本体在叠梁门本体上方对取水高度进行控制，使得叠梁门本体所处深度位置的水体相当于静水状态，能够对叠梁门本体的高度进行直接调节，无需对水体内的水流进行截停，实现了在动水工况下对叠梁门本体高度的调节和对取水层的调节，大大缩短了对叠梁门本体高度调节所需的时间，而且在调整过程中时，水库取水口处的水流仍可以流动，水库内的发电系统无需停机等待，消除了叠梁门本体高度调节时对水利工程中的电力调度的影响。
17.2.本发明提供的水下浮式弧形闸门分层取水系统，升降装置包括：驱动电机和安装在驱动电机驱动轴上的升降齿轮，基座侧墙上设置有升降齿条，升降齿轮与升降齿条啮合配合。通过驱动电机带动升降齿轮转动，升降齿轮与基座侧墙上的升降齿条啮合配合，进而带动平板闸门本体进行升降调节，便于控制。
18.3.本发明提供的水下浮式平板闸门分层取水系统，升降装置还包括螺旋升降轮，基座侧墙上设有螺纹筒，螺旋升降轮与螺纹筒螺纹配合。通过利用螺旋升降轮与螺纹筒螺纹配合和升降齿轮与升降齿条啮合配合联动对平板闸门本体进行升降调节，提升平板闸门升降动作时的稳定性。
19.4.本发明提供的水下浮式平板闸门分层取水系统，驱动电机的输出轴上安装有传动齿轮，传动齿轮上啮合安装有第一传动杆，螺旋升降轮上同轴安装有辅助齿轮，第一传动杆远离传动齿轮的一端与辅助齿轮啮合配合。通过设置第一传动杆，利用驱动电机同时带动螺旋升降轮和升降齿轮，使螺栓升降轮与升降齿轮联动同步动作，提升平板闸门升降动
作时的稳定性。
20.5.本发明提供的水下浮式弧形闸门分层取水系统，弧形闸门本体包括：第一弧形闸片，其凹面固定安装有连接件；第二弧形闸片，安装在第一弧形闸片上侧，第二弧形闸片的轴线与第一弧形闸片的轴线平行，第二弧形闸片的凹面安装有被动伸缩件，被动伸缩件一端安装在第二弧形闸片上，另一端转动安装在连接件上；驱动伸缩件，一端安装在连接件上，另一端安装在被动伸缩件上。
21.通过将弧形闸门本体设置为分体式闸门，利用第一弧形闸片和第二弧形闸片共同对取水层高度进行调节。当下泄水流所需水温与取水层温度相差较小，即水温层需调整高度与弧形闸门本体的高度相差较小时，通过驱动伸缩件伸长或缩短，带动被动伸缩件绕连接件上的转动安装轴转动，进而带动第二弧形闸片发生摆动，从而调整弧形闸门本体整体的高度以对取水层高度进行微调，使其满足需求，进而实现对取水层高度的精确调整。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明的实施方式中提供的水下浮式弧形闸门分层取水系统的示意图。
24.图2为本发明的实施方式中提供的叠梁门本体与基座侧墙配合安装的结构示意图。
25.图3为本发明的实施方式中提供的弧形闸门本体的结构示意图。
26.图4为本发明的实施方式中提供的升降装置的结构示意图。
27.图5为本发明的实施方式中提供的叠梁门本体的结构示意图。
28.图6为本发明的实施方式中提供的基座侧墙的结构示意图。
29.附图标记说明：1、基座侧墙；2、叠梁门本体；3、第一弧形闸片；4、第二弧形闸片；5、驱动伸缩件；6、被动伸缩件；7、驱动电机；8、升降齿轮；9、螺旋升降轮；10、升降齿条；11、螺纹筒；12、传动齿轮；13、第一传动杆；14、辅助齿轮；15、辅助传动杆；16、第二传动杆；17、水温监测装置；18、拦漂排；19、水温水位探测装置；20、连接件；21、调节齿轮；22、传动电机。
具体实施方式
30.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相
连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
34.实施例如图1至图6所示为本实施例提供的一种水下浮式弧形闸门分层取水系统，安装在水库取水口处，包括：安装在河道内两侧的一对基座侧墙1、沿竖直方向滑动安装在基座侧墙1上的叠梁门本体2、以及沿竖直方向滑动安装在基座侧墙1上的弧形闸门本体。根据水库取水口处的地理环境，基座侧墙1也可以只设置在河道内的其中一侧，此时叠梁门本体2和平板闸门本体的另一侧可直接安装在山体等自然硬质物体上。
35.弧形闸门本体的轴线与基座侧墙1垂直，弧形闸门本体沿竖直方向滑动安装在基座侧墙1上，弧形闸门本体与基座侧墙1之间安装有升降装置，弧形闸门的凸面朝向来水方向设置。本实施例中弧形闸门本体的底部与叠梁门本体2抵接设置，以使弧形闸门本体的凹面一侧设于叠梁门本体2下游的一侧。
36.升降装置包括：驱动电机7以及安装在驱动电机7驱动轴上的升降齿轮8和螺旋升降轮9，基座侧墙1上设置有升降齿条10，升降齿轮8与升降齿条10啮合配合。基座侧墙1上还设有螺纹筒11，螺旋升降轮9与螺纹筒11螺纹配合。具体地，驱动电机7固定安装在弧形闸门本体上，驱动电机7的输出轴上直接安装有传动齿轮12，传动齿轮12一侧安装有第一传动杆13，第一传动杆13一端设有第一配合齿轮，另一端设有第二配合齿轮，第一配合齿轮与传动齿轮12啮合配合，且第一配合齿轮与传动齿轮12垂直。螺旋升降轮9上同轴安装有辅助齿轮14，在辅助齿轮14与第一传动杆13之间还安装有辅助传动杆15，辅助传动杆15两端均安装有辅助配合齿轮，其中一个辅助配合齿轮与辅助齿轮14平行啮合配合，另一个辅助配合齿轮与第二配合齿轮垂直啮合配合。传动齿轮12上还啮合安装有第二传动杆16，第二传动杆16远离传动齿轮12的一端与升降齿轮8啮合配合。具体地，第二传动杆16一端设有第三配合齿轮，另一端设有第四配合齿轮，第三配合齿轮与传动齿轮12平行啮合，第四配合齿轮与升降齿轮8平行啮合。
37.弧形闸门本体包括第一弧形闸片3、第二弧形闸片4和作为驱动伸缩件5的伸缩气缸。第一弧形闸片3凹面固定安装有作为连接件20的固定连杆。第二弧形闸片4安装在第一弧形闸片3上侧，第二弧形闸片4的轴线与第一弧形闸片3的轴线平行，第二弧形闸片4的凹面安装有作为被动伸缩件6的伸缩套杆，被动伸缩件6一端安装在第二弧形闸片4上，另一端转动安装在连接件20上。驱动伸缩件5一端安装在连接件20上，另一端安装在被动伸缩件6上。
38.在叠梁门本体2上游和弧形闸门本体下游安装有水温监测装置17。叠梁门本体2上游的水体中设置有拦漂排18，拦漂排18上间隔设置有多个水温水位探测装置19。
39.在分层取水系统运行过程中，取水系统的水温水位探测装置19可根据不同水库电站运行水位条件下，结合上下游水温、水位数据，对取水平台分层取水进行相应的调度控制，确保水库水位维持在取水平台控制的水位区间稳定运行，上述水位区间为弧形闸门本
体及前置挡水装置所控制的垂向取水高度，并对远端拦漂排18水位、水温，进水口前水位、水温和发电下游尾水水位、水温进行实时记录、整编；然后将整编处理后的数据上传至数据处理中心，以供相关人员对水库电站的运行状态进行及时的调整。
40.拦漂排18设置于距电站进水口至少300m的位置，其主要是拦截上游河流的垃圾及漂浮物，避免对电站运行造成不利的影响；同时，在拦漂排18上游设有警示牌，确保拦漂排18及相关装置不受损坏。水温水位探测装置19设有聚乙烯滚塑悬浮球、水温水位探头、安装链、末端配重，悬浮球设置在拦漂排18上，安装链顶端固定在悬浮球，末端悬挂末端配重；水温水位探头根据垂向水温情况布设在安装链上，可按照2~10m的间距等距设置，也可根据水库垂向水温分布规律设置；一般接近水库表层水温垂向变化较大，水温分层间距约为2~5m，接近水库库底的水温垂向变化较小，水温层分布间距约为5~10m。坝前远端水温水位探测装置19主要监测远端水温、水位数据；同时下游水温水位探测装置19用于监测下游电站尾水水温、水位数据。
41.水温水位探头和水温监测装置17探头均具有远程在线传送功能，可将监测数据实时传输至数据中心。水温水位探头水温测量精度为0.01℃，测量范围为-40~90℃；水位测量精度0.01m，工作水域深度可达200m，水温、水位数据记录频率可在1min~5h范围内调节。水温水位探测装置19由安置在悬浮球内可更换的蓄电池供能，悬浮球具有密封性好，抗冲击碰撞、抗强压、抗腐蚀、抗老化等特性，同时悬浮球直径根据配重及所需浮力确定。安装链的末端配重一般采用铅球等，确保整个水温水位探测装置19保持垂向，减小水库横向水流对探测装置产生影响。所述安装链均采用钢缆制成，用于垂向安装水温水位探测装置19、前置水温监测装置17和坝后尾水水温监测装置17。
42.前置水温监测装置17固定在基座侧墙1前端，用于监测进水口垂向水温、水位数据。其内部布设有水温探头和安装链，水温监测装置17顶端高于校核洪水位，底端低于进水口2~5m；同理坝后尾水水温监测装置17顶端高度一般高于最高尾水位3~5m，底端低于最低尾水水位2~4m，使装置能够监测到各个工况下，进水口及坝后尾水水温、水位数据。
43.水温、水位监测时，通过水温水位探测装置19以及上下游两处水温监测装置17对水库水电站上下游水温、水位进行实时监测，从而可以为控制中心提供数据支撑，便于后续取水平台的调控，进而对上下游河流的水环境、水生物、水生态系统人工调控及提供数据支撑。
44.水库在蓄水后，各种热力学条件将会发生改变，水库水温结构也会发生相应的变化。而农作物的产量直接受到灌溉引水水温的影响。水稻为喜温喜湿农作物，对灌溉水温很敏感。水稻最适宜在23℃左右的温度生长，水温过高或过低都会对其产量产生明显影响。同时水库水温存在热源效应，对河流水生生物种群的多样性具有深远的影响，能够影响水生生物群落组成。在水温分层的水体中，浮游生物常常呈现分层分布，水库表层水体中的浮游生物要远远多于深水层。鱼类通常生活在15~30℃的水域中，水温超过这个范围就会导致鱼不进食，新陈代谢减缓。大多数鱼类产卵对水温的要求比较严格，当水温达不到鱼类产卵所需温度时，产卵场就会消失，鱼产量就会降低，此时对水库下泄水温的要求尤为重要。因此取水平台的取水层高度对于上下游河流水环境、水生物等都有着重要的作用。
45.水下浮式弧形闸门分层取水系统分层取水具体步骤如下：当水库水位开始下降时，根据监测装置监测到的水温、水位数据，预测监测水位将
在未来12h时间内下降，且导致取水层取水范围超出当前弧形闸门本体和叠梁门本体2所控制范围，即取水高度低于弧形闸门本体和叠梁门本体2的控制高度时，水温水位探测装置19、上游水温监测装置17将监测信息实时发送至数据处理中心，提示相关人员提前采取相应措施。通过基座侧墙1顶端安装的启闭机对叠梁门本体2进行操作。对叠梁门本体2和弧形闸门本体进行调整，将其降低到所需高度，以保证水电站稳定发电。具体操作为：通过驱动电机7带动升降齿轮8和螺旋升降轮9转动，进而带动弧形闸门本体下降到所需高度，再将叠梁门本体2通过侧墙顶端启闭机启闭吊起，使得水域面表层挡水闸门为弧形闸门本体。一般弧形闸门本体顶端距离水面应保持在1~2.5m，取水层高度根据监测装置监测数据，并结合上下游河流水生态所需水温情况进行确定，同时保证水电站稳定发电，控制底层水流入下游。
46.当水库水位开始上升时，根据监测装置监测到的水温、水位数据，预测监测水位将在12h时间内快速上升，且导致取水层取水范围超过现有弧形闸门和叠梁门所控制范围，此时水温水位探测装置19、上游的水温监测装置17将监测信息实时发送至数据处理中心，提示相关人员提前采取相应措施。通过基座侧墙1顶端的启闭机对叠梁门本体2进行安装，将叠梁门本体2的高度安装至所需位置，同时驱动电机7带动螺旋升降轮9在螺纹套筒内旋转上升，驱动电机7带动升降齿轮8沿基座侧墙1的齿条攀爬上升，将弧形闸门本体提升至所需高度，进而结合叠梁门本体2的高度来控制分层取水的高度。叠梁门本体2和弧形闸门本体具体抬升高度根据上下游监测数据结合水生态需求进行确定。
47.当水库水位保持一个相对稳定状态时，根据监测装置监测到的水温、水位数据，数据中心经过分析处理后，对取水层高度进行相应的调整，以满足河流水环境需求。此时主要时通过弧形闸门进行控制取水层高度，具体分为以下情况：当下泄水流所需水温大大低于取水层水温时，即水温层调整高度大于弧形闸门本体和叠梁门本体2高度时，采取水库水位开始下降时的操作方式，对叠梁门本体2和平板闸门本体进行调整，使得取水层温度达到所需要求。
48.当下泄水流所需水温大大高于取水层水温时，即水温层调整高度大于弧形闸门本体和叠梁门本体2高度时，采取水库水位开始上升时的操作方式，对叠梁门本体2和平板闸门本体进行调整，增加取水层高度，进而降低下泄水流水温使其满足要求。
49.当下泄水流所需水温略大于或略小于取水层温度，即水温层调整高度小于弧形闸门本体高度时，在弧形闸门本体控制范围内，有三种方式进行调节：一是通过竖向设置的作为驱动伸缩件5的伸缩气缸和倾斜设置的作为被动伸缩件6的伸缩套杆伸缩带动伸缩第二弧形闸门在小幅度范围内进行调节；二是将连接件20通过转轴转动安装在基座侧墙1上，在连接件20的转轴上安装调节齿轮21，在基座挡墙上安装传动电机22，传动电机22带动调节齿轮21转动进而带动弧形闸门本体整体在较大幅度范围内进行调节；三是通过驱动电机7带动螺旋升降轮9在螺旋筒内旋转和驱动电机7带动升降齿轮8沿基座侧墙1的齿条攀爬，将弧形闸门本体提升或者下降至所需高度，进而控制分层取水的高度，以满足所需下泄水流的水温要求。
50.上述情况下调整方案，对取水层水温可以做到精准调控。此外，叠梁门本体2在调整时无需将水流截停后再进行调整，实现了叠梁门本体2在动水工况下的直接调整，大大缩
短了叠梁门本体2调整的操作时间，避免了水调和电调存在冲突的问题。可极大的提升对下泄水流水温的调控，能够更好的满足下游水环境、水生态的稳定。
51.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。