一种低水头水电站用全悬挂大跨度水坝的制作方法

1.本实用新型涉及一种低水头水电站用全悬挂大跨度水坝，属于水利设备技术领域。


背景技术：

2.我国自然地理西高东低，落差极大，有天然的、巨大的水电资源。国内现有水电站大多为高水头（大势能）类型的大坝类水电站。此外，在水资源发电的利用方面，仍存有极为广泛、丰富的低水头（小势能）、大动能、大流量的水能资源值得利用。例如，大坝电站的溢水、尾水；日夜奔腾不息的峡谷江、河水。相对于光电、风电而言，光伏电站受阳光照射强度及昼夜交替的不均衡性而影响较大；风电受风力大小及有无的不均衡性而影响较大。而低水头、大动能、大流量的水能资源则比较恒定和均衡。这些水能资源若能合理的利用，既可作为高水头大坝类水电站的配合补充方案，又能充分提高水资源的利用价值。低水头水电站用全悬挂大跨度水坝是上述水能资源利用的前提条件。现有的大坝类电站，由于建重力坝的结构设计原因，容易严重影响自然原始生态环境，容易产生上游及大坝底部泥沙堆积的现象，且缺少有效的治理方法等等问题。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的，提出了一种低水头水电站用全悬挂大跨度水坝及应用。
4.本实用新型采用低水头水坝结合小势能、大动能、大流量水电机组的方法来实现低水头水能资源的利用。通过以下技术方案解决技术问题：首先，提供一种低水头水电站用全悬挂大跨度水坝，包括架设于水道上的钢桁架承载体，所述钢桁架承载体的两端由在水道两侧靠近岸边的钢筋混凝土基座支承，所述钢桁架承载体的下部设有连接设备的下弦杆结构体，所述下弦杆结构体下部悬挂连接有与水道宽度配合的全悬挂的闸板单元组，每一闸板单元均由左右对称设置、上端悬挂固定在所述下弦杆结构体上的固定悬臂，嵌套在固定悬臂内腔、经螺杆式启闭机驱动沿固定悬臂内腔上下移动的活动悬臂以及嵌套于活动悬臂之间、经卷扬式启闭机驱动沿活动悬臂上下移动的闸板构成；当所述活动悬臂伸入水下时，与安置在水下河床底部的脚锚配合嵌套连接，所述固定悬臂、活动悬臂、闸板均呈悬挂状态，其中，固定悬臂始终为静态不动，活动悬臂、闸板均为可控动态悬挂状态。可控动态悬挂状态是指活动悬臂和闸板均可以经控制沿其对应的导轨进行上下往复运动。
5.上述结构通过多个可实现单独全悬挂的闸板单元合成整个全悬挂闸板组，实现整个水坝的大跨度全悬挂。
6.本实用新型采用完全不同于传统重力坝的建坝概念，重力坝是由下而上由钢筋混凝土浇筑而成的固定的高水头大坝。而本实用新型的水坝，在技术或结构上，采用全悬挂、自上而下的建坝方式。进一步地，所述钢桁架承载体由承重受力钢质的框形桁架结构体和拱形大梁结构体一体组成。所述钢桁架承载体的下部设有连接设备的下弦杆结构体，下弦杆结构体（从俯视图看）由左、右下弦杆、以及其间的纵梁、横梁、下平纵联、结点相互连接组
成。该桁架承载体的最大优点：跨度大、质量轻，负荷承载力大，结构稳定可靠。可以大跨度的跨越峡谷江流、河流；可以在工厂内依结构组件的技术尺寸量身定制；所分解状态的桁架部件材料（以及分解状态的水坝各部件），便于在道路不良的山区运输；在水坝工地现场可以方便快捷地拼接组装，建设周期短。
7.大跨度桁架承载体（及水坝）的另一个重要目的（指标）,是可以在水道中没有任何建筑物，是最大限度地保持江流、河流水道的自然原生态（原则上不改变基本河床和岸坡。但允许固化、优化河床和岸坡）。
8.进一步地，所述固定悬臂设有固定悬臂结构体，所述固定悬臂结构体是每对固定悬臂之间由上、下横梁连接，左、右固定悬臂的背后上端分别连接与其垂直的后左横梁和后右横梁，所述后左横梁和后右横梁的末端经后横梁连接，所述后左、后右横梁与左、右固定悬臂之间分别固定斜支撑架，所述左、右固定悬臂的顶部安置螺杆式启闭机，所述上横梁上固定安置卷扬式启闭机。固定悬臂结构体能保证固定悬臂的稳定和强度。
9.所述固定悬臂（从剖面图看）具有长方形外壳，所述长方形外壳内壁的四个角均安置加强筋，所述加强筋与邻近的外壳内壁间形成45
°
夹角,相邻的两个加强筋及之间的连接钢板形成约束活动悬臂升降的凹型轨道，每个加强筋上安装有与活动悬臂接触的防摩擦的工程塑料垫片条。
10.所述活动悬臂的四角与固定悬臂内加强筋的形状相配合，所述闸板单元内一对活动悬臂相向面的垂直方向的中部，具有与闸板两端形状配合的凹型轨道槽，所述凹型轨道槽将活动悬臂的内腔分成两个形状对称的腔体，所述凹形轨道槽内的径向迎水面安装有密封橡胶条，所述活动悬臂的顶部中央固定有升降螺杆，所述升降螺杆与螺杆式启闭机的升降螺母啮合，所述活动悬臂下部的迎水面固定整流三角板,起导流作用。升降螺母正向或反向旋转时，使升降螺杆上升或下降，带动活动悬臂上升或下降。
11.所述全悬挂的闸板单元组中的闸板按功能可分为智能泄流闸板、蓄水闸板和放水做功闸板，所述放水做功闸板与相应的水轮机配合安置；各闸板为钢质闸板，所述钢质闸板由内部的钢质骨架和外部的钢板焊接组成，所述钢质闸板的左右两侧具有与活动悬臂的凹型轨道槽形状配合的凸出形状部，所述钢质闸板的顶部固定有2个提升滑轮，所述提升滑轮连接卷扬式启闭机的钢缆。
12.所述脚锚为钢质，安装在水下基础正负零基准面、由技术设计确定的位置上，所述脚锚包括位于水下基础正负零基准面上、可对应嵌套在活动悬臂一个腔体之中的钢质壳体和位于水下基础正负零基准面下的钢筋混凝土锚锭。
13.所述螺杆式启闭机由电动机、减速齿轮箱和螺杆升降齿轮箱组成；所述卷扬式启闭机为双吊点卷扬式启闭机,由电动机、减速齿轮箱、制动盘、钢缆辊和钢缆组成。
14.本实用新型再进一步提供低水头水电站用全悬挂大跨度水坝的应用，所述水坝含有三个工作状态，所述工作状态分别是蓄水状态、放水做功状态和行洪排水状态；当水坝处于蓄水状态时，螺杆式启闭机驱动活动悬臂向下运动，与水下河床基准面的脚锚嵌套连接固定，卷扬式启闭机驱动闸板向下运动至河床底部位置，开始蓄水，智能泄流闸板可向上运动进行泄流，保持蓄水水位线在额定高度；当水坝处于放水做功状态时，放水做功闸板向上运动至指定高度致使低势能水流冲击水轮机转子做功发电;当水坝处于行洪排水状态时，部分或全部闸板向上运动，进行排水。所述水坝附近区域的河床和岸坡按设计要求由钢筋
混凝土进行固化和优化，脚锚的安装基础锚锭部分按设计进行定位制作，并制作钢质连接预埋件，所述预埋件为钢筋混凝土锚锭。
15.本实用新型的模拟设计的水坝高度（水头）为3.5米，宽度约为70米。如上游比较规整的水源渠道长度为1000-2000米，至少可蓄水为水头高（势能）3.5米，库容为40万
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50万立方米且始终补水的动态的水能资源。
16.本实用新型是一种与重力坝完全不同的全悬挂型的水坝体。采用的材料是钢质水闸，所建的水坝完全是一种非固定的、可控的低水头动态坝。对水道而言，可以呈有坝状态，也可以呈无坝状态。形成了一种全新的水坝存在方式和水坝利用方式。由此，带来了一系列水坝、水电开发应用方面的革命性变化。特别是避免了大坝电站建大坝所造成的严重的自然生态环境的改变或破坏，也完全避免了大坝电站的所产生的难以消弭的水坝上游及大坝底部由泥沙堆积而导致的严重影响。也由此，开拓了低水头、大动能、大流量水电站开发建设的全新途径。填补国内（国际）在这方面的空白。通过全悬挂式设计，实现低水头水坝不影响河床和岸坡，不影响江流、河流水道两岸的自然生态，不影响江河流正常的流量，实现无障碍泄洪，不涉及移民拆迁，特别巧妙地避免了大坝类电站存在的难以解决的大量泥沙沉积问题。其有益效果是：应用范围极为广泛，建造方法相对简便。为低水头、大流量、大动能水电站的开发应用提供了重要前提条件。具有极大的市场应用前景，并可能引领新型水电开发革命，带动庞大规模的新型水电产业，社会经济效益极大。
附图说明
17.图1为本实用新型一个实施例的结构示意图。
18.图2为图1的左视图。
19.图3为图1中闸板单元组的结构示意图。
20.图4为图2中固定悬臂结构组构成的结构示意图。
21.图5为图1中固定悬臂与活动悬臂配合的结构示意图。
22.图6为图1中活动悬臂的结构示意图。
23.图7为图1中闸板的结构示意图。
24.图8为图1中脚锚的结构示意图。
25.图9为图1中下弦杆结构体的俯视图。
具体实施方式
26.实施例1
27.本实施例的结构如图1-图9所示，一种低水头水电站用大跨度水坝，包括架设于水道上的钢桁架承载体，钢桁架承载体由预制的结构钢材拼接（包括螺栓连接、铆接、焊接）组成，钢桁架承载体由承重受力钢质的框形桁架结构体2和外形为圆柱体（或矩形）的钢质拱形大梁结构体1一体组成，其作为大跨度钢质桁架承载体的作用是承载全悬挂的钢质水坝总成。钢桁架承载体的下部是用于连接安装钢质全悬挂水坝的下弦杆结构体3，下弦杆结构体3（从俯视图看）由左下弦杆3-1、右下弦杆3-2、以及其间的纵梁3-3、横梁3-4、下平纵联3-5、结点3-6相互连接组成。钢桁架承载体的两端经安装在水道两侧靠近岸边的基座9固定支承，桁架承载体的基座，由钢筋混凝土制作而成。钢桁架承载体上设有与水道宽度配合的数
组全悬挂单元组，全悬挂某单元组与水轮机总成11配合安置，每一单元均由左右对称设置、上端固定在下弦杆结构体上的固定悬臂6，嵌套在固定悬臂内腔、经螺杆式启闭机4驱动沿固定悬臂6内腔上下移动的活动悬臂7以及套嵌于活动悬臂7之间、经卷扬式启闭机5驱动并沿活动悬臂7上下移动的闸板8构成；当活动悬臂7伸入水下固定时，与安置在水下的脚锚10配合嵌套连接。在闸板单元组中，每对固定悬臂6之间由上横梁6-1和下横梁6-2连接，左、右固定悬臂的背后上端分别连接与其垂直的后左横梁6-5和后右横梁6-6，后左横梁6-5和后右横梁6-6的末端经后横梁6-4连接，后左、后右横梁与左、右固定悬臂之间分别固定斜支撑架6-3。左、右固定悬臂的顶部安置螺杆式启闭机4，上横梁上固定卷扬式启闭机5。
28.从俯视剖面图看，固定悬臂6具有长方形外壳6-7，长方形外壳6-7内壁的四个角均安置固定悬臂加强筋6-8，该加强筋焊接于两侧钢板的直角处，加强筋与临近的外壳内壁间形成45
°
夹角, 相邻的两个加强筋6-8-1和6-8-2及之间的连接钢板6-8-3形成约束活动悬臂升降的凹型轨道，即相邻的两加强筋相对于活动悬臂45
°
切角部分为凹形导轨。每个加强筋上装有与活动悬臂接触的防摩擦的工程塑料垫片条6-9, 用于解决与活动悬臂的受力支撑和摩擦需要。固定悬臂的作用，是承载活动悬臂，具体的是，使活动悬臂安装嵌套在固定悬臂的内腔，活动悬臂可以固定悬臂的内腔中进行上下运动。闸板单元组中，每组有左右一对活动悬臂7。从俯视剖面图看，活动悬臂7的四角与固定悬臂加强筋的形状相配合，具体是活动悬臂相邻的两个角7-3-1和7-3-2与两角之间的连接面7-3-3形成活动悬臂外壳凸导轨7-3与固定悬臂加强筋和连接钢板形成的凹型轨道的形状相配合，活动悬臂相向面的垂直方向的中部具有与闸板两端凸出形状配合的凹型轨道槽7-6，该凹型轨道槽与闸板左右两侧的凸型体呈有间隙的吻合，其作用可以使闸板的凸出两端嵌于凹型轨道槽内，闸板可以在轨道槽中作上下运动。由此，使闸板起到拦水和放水的两个作用。凹型轨道槽将活动悬臂的内腔分成两个形状对称的腔体,凹形轨道槽内的径向迎水面安装有密封橡胶条13，密封橡胶条的作用是防止径向来水的过度流失和水坝内的水大量泄漏（允许少量泄漏）。活动悬臂嵌套在固定悬臂之中，可在固定悬臂内作上下运动。活动悬臂的顶部中央设有升降螺杆7-4，升降螺杆7-4与螺杆式启闭机的升降齿轮箱的升降螺母啮合，升降螺母为升降伞齿型螺母7-5，其具有伞齿7-7和齿轮垫7-8。当升降螺母由顶部减速机的驱动正向或反向旋转时，会带动升降螺杆作上、下运动，由此，带动活动悬臂作上、下运动。当活动悬臂运动至底部时，可与底部（河床底部基准面 +
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0的设计位置）的水下钢质脚锚嵌套结合。此时，活动悬臂上部以及钢质水下脚锚形成两个面对径向来水的受力支撑点。在一对活动悬臂的共同支持下，其中的闸板下沉至底部时就起到了拦水（蓄水）的作用。在水坝体系中，活动悬臂均为成对应用。依据水坝的总宽度，可以设计为n组（对）活动悬臂。位于活动悬臂下部的迎水面上焊接固定整流三角板7-9。
29.全悬挂单元组中的闸板是基本的、重要的拦水（蓄水）或放水的坝体部件。各闸板为钢质闸板8，钢质闸板8由内部的钢质骨架和外部的钢板焊接组成，即板的内芯为钢质结构框架，外部焊接有钢板。钢质闸板8的左右两侧具有与活动悬臂的凹型轨道槽吻合的凸型部8-1，闸板可在一对活动悬臂的凹型轨道槽7-6中作上下运动。当闸板运动到底部时，起到拦水（蓄水）的作用。当闸板提升时，起到放水的作用。钢质闸板的顶部固定一对提升滑轮8-2，提升滑轮8-2的作用是用于连接升降钢缆。在固定悬臂上横梁上的卷扬启闭机的钢缆5-2牵拉下，闸板作上、下运动。
30.在水坝体系中，依据水坝的长度，可以设计有n组闸板。n组闸板作用有所不同。分为蓄水闸板8-3、智能泄流闸板8-4和放水做功闸板8-5。智能泄流闸板的作用是，当上游来水过大时，及时排放出来水，保证所蓄水的水平面高度为额定高度。所谓智能，是卷扬启闭机接受现有水坝智能控制系统的指令，提升或下降该闸板的高度。放水做功闸板的作用，是该闸板提升至指定高度打开后，所放出水能可冲击水轮机转子旋转做功，由此带动发电机发电。当在洪汛期，可以停止发电，所有闸板全部升起，可无阻碍地放水下行通过。
31.脚锚10为钢质，由钢板依技术设计要求制作而成,安装在水下基础正负零（+
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0）基准线（面）12的技术制定的位置上，脚锚10包括位于水下基础正负零基准面上、可对应嵌套在活动悬臂一个腔体之中的钢质壳体10-1和位于水下基础正负零基准面下的钢筋混凝土锚锭10-4。壳体10-1具有脚锚安装底座10-2，通过脚锚安装螺孔经脚锚安装螺栓10-3固定在钢筋混凝土锚锭10-4上。脚锚是水坝系统极为重要的受力点。其作用是，固定和稳定活动悬臂的下端，在钢质桁架和脚锚的共同作用下，使水坝系统可以承受蓄水的径向推力。蓄水的径向推力与坝体的蓄水高度成正比。钢质桁架及水下钢质脚锚的设计，抗推力冗余应显著大于蓄水的径向推力。水坝附近区域的河床和岸坡按设计要求由钢筋混凝土14进行固化和优化，脚锚的安装基础部分按设计进行定位，并制作连接预埋件10-5，钢筋混凝土锚锭10-4固定在钢筋混凝土14里。
32.水坝可以连接现有控制系统，用于控制闸板的开启和闭合。
33.螺杆式启闭机4由电动机、减速齿轮箱和螺杆升降齿轮箱组成，当电动机正向或反向转动时，活动螺母会被驱动器7-1驱动作正向或反向旋转。由此，可带动螺杆向上或向下运动。由于螺杆的向上或向下运动，可带动活动悬臂则向上或向下运动。
34.卷扬式启闭机5由电动机、减速齿轮箱、制动器、四个钢缆滑轮5-1，钢缆辊和钢缆5-2组成，电动机的正向转动，可提升闸板8。反向转动，可下降闸板8。
35.工作时，水坝具有三个工作状态，分别是蓄水状态，放水做功状态和行洪排水状态：当水坝处于蓄水状态时，操控螺杆式启闭机驱动活动悬臂向下运动，与水下的脚锚嵌套连接固定，操控卷扬式启闭机驱动闸板向下运动至指定位置（河床底部 +、
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0处），开始蓄水，最后操控智能泄流闸板向上运动，保持水位线在额定高度；当水坝处于放水做功状态时，操控放水做功闸板向上运动至指定高度致使低势能水流冲击水轮机做功发电;当水坝处于行洪排水状态时，操控部分或全部闸板向上运动，进行排水。活动悬臂和闸板的工作顺序是：蓄水时，活动悬臂先降到位，闸板后降到位；放水时，闸板先升到位，活动悬臂后升到位。
36.除上述实施外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。