分层取水折叠闸门装置

技术领域

本发明涉及水利水电工程技术领域，尤其是一种分层取水折叠闸门装置。

背景技术

随着梯级水库建设向高寒高海拔河源地区的推进，影响河库水系温度节律变化的驱动力因子之间的作用关系更为复杂，使得流域水温节律演变趋于复杂。为了改善水资源开发利用对流域生态系统的不利影响，维持河流生态系统的健康和可持续发展，各国均开展了一系列水库工程及非工程生态调控措施研究，通过水库调度对水资源进行合理优化配置，满足河流生态系统的健康稳定性需求。

水利水电工程中的分层取水技术则是作为水库调控下泄水温、改善下游取水水质、维持下游河道内鱼类生存环境、满足农作物生长水温要求的重要手段。

在国内外的许多水库中，为了改善下泄水温以达到对下游生态环境的保护，主要利用水库调度和下泄水流温度控制装置(Temperature Control Device，简称TCD)等技术手段。分层取水技术有效利用了大型水库形成特有温度场的特点，对下泄水温的调控作用明显，是减缓下游水生态影响的有效措施，广泛应用于国内外的水电工程。对于水库取水，目前国内较常采用的方式为在进水口或取水口设置叠梁闸门或多层取水流道等分层取水技术，其中以叠梁闸门的应用较多，尤其在高坝大库的水电工程中更显突出，比如金沙江白鹤滩、金沙江溪洛渡、雅砻江锦屏一级等水电工程。由于目前国内已建大型水电工程的孔口数量较多，水位变幅大，机组引用流量大，由此导致叠梁闸门顶控制水深也较大，因此，操作一层的叠梁闸门次数较多，提升高度也较大，以金沙江溪洛渡水电站为例，若将同一层叠梁闸门提出孔口，需提出90节叠梁闸门门叶，其操作次数高达90次，运行繁琐且耗时过长。对于设置多层取水口的分层取水技术，需在取水口顺水流向依次从上至下设置多层取水流道，每层流道内设置闸门，通过启闭设备操控每层流道内的闸门，因每层流道闸门在顺水流向位置需错开，这会增加取水口顺水流向长度，一般适用于取水深度不大的水库，否则会因取水口长度过大而增加较多投资成本，并且虽然可以实现部分范围内取水，但因闸门启闭为动水操作，其启闭设备容量较大，电机功率大导致能耗大，启闭闸门所需时间依然较长，运行效率较低。国外某些水电工程，例如美国沙斯塔水电站中采用的百页窗式技术虽可一定范围上实现取水要求，但百叶窗长期进行水下操作容易损坏，检修维护繁琐，且该技术需用钢结构框架三面围住进水塔或取水塔，其用钢量较大，经济性较差。

公开号为CN114855722A的中国专利公开了一种根据水位变幅自动升降的浮动式分层取水闸门装置，以解决传统采用叠梁闸门分层取水技术，需逐孔逐层将叠梁闸门吊出或放入门槽，操作过程繁琐、耗时过长等技术难题。该发明的技术方案包括在水库进水口设置低于进水口底槛高程的下沉式闸门槽，在下沉式闸门槽内设置浮动式分层取水闸门装置，浮动式分层取水闸门装置由上部的浮动式箱体通过浮动式圆筒型拉杆装置与分层取水闸门连接组成，水位平衡时上部的浮动式箱体为部分淹没状态，浮动式箱体可根据库区水位变化自动调节水体淹没深度，实现随着水位变化自动升降，在满足下放表层高温水的同时，分层取水过程无需人力投入、无能耗，运行效率得到大幅提高，有效节约运行成本。

上述专利的技术方案虽然能能够实现对取水深度的自动调节，但其方案结构复杂、闸门驱动工作投入较多，不利于水下环境中的长期工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够保持表层取水深度不变、维持下游水温的分层取水折叠闸门装置，其结构简单、运行可靠。

为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：分层取水折叠闸门装置，包括至少一组门槽结构以及设置在门槽结构内并与门槽结构形成滑动配合的门叶组件，门叶组件为多个门叶可转动连接组成的可折叠结构，门槽结构在水位高程方向上从水位面上方向下延伸设置至水位面下方，还包括可活动设置在门槽结构顶部的浮箱以及固定在浮箱上的卷扬设备，卷扬设备与门叶组件的顶部连接并通过对门叶组件的提升使其在水位高程方向上滑动以展开。本发明通过分层取水折叠闸门装置中增加浮箱，利用浮箱漂浮在水库水面上作为卷扬设备工作高度的调节设备，浮箱能够随蓄水位的变化而自动调节自身高程，进而使得被浮箱支持的卷扬设备一同升降，卷扬设备作为带动门叶组件展开的提升设备而使得表层取水深度保持不变；并且能够在需要时通过卷扬设备来调节门叶组件的展开长度，从而实现不同高程的取水工作，实现对下泄水温的调节。

作为上述方案的改进：所述门叶组件中的相邻门叶之间通过销轴连接形成可转动配合，门叶通过悬臂定轮与门槽结构形成滑动配合，且门叶可在卷扬设备的提升作用下绕悬臂定轮转动。本发明通过门叶之间的销轴配合来实现相邻门叶之间的可转动连接，从而使得相邻门叶之间能够通过转动进行折叠；通过悬臂定轮将门叶可滑动安装在门槽结构上，利用卷扬设备带动门叶顺着门槽结构的滑动来对整个门叶组件进行提升以使其整体展开。

作为上述方案的改进：所述门叶靠近门槽结构顶部一端与门叶上设置悬臂定轮处之间的距离小于门叶靠近门槽结构底部一端与门叶上设置悬臂定轮处之间的距离。本发明通过对门叶上悬臂定轮设置位置进行改进，使得门叶以悬臂定轮为基点在门叶的两端形成不同长度的力矩，使得承受正向水压时门叶组件在展开状态的面积大于其折叠状态的面积，能够在机组因负荷问题突然关闭而产生水压反击现象时使门叶组件底部呈打开状态，进而起到快速泄压的作用。

作为上述方案的改进：所述门叶组件在展开状态时，门叶组件与水平方向之间夹角的数值不超过80°。本发明通过对门叶组件展开状态时的伸直程度进行限定，以80°角度作为最大伸直角度，使得整个门叶组件不能达到完全竖直的伸直状态，门叶组件中的全部门叶都保持大角度的倾斜状态，则门叶组件能够在自身重力作用下进行折叠，不要额外施加动力。

作为上述方案的改进：所述门叶为内部设有空腔的中空结构。本发明通过在门叶内部设置空腔使得门叶的整体重量减轻，同时门叶内部存在空气的空腔能够为门叶提供一定的浮力，减轻门叶组件在水中的重量，从而能够减小浮箱的设计规模和卷扬设备的提升动力，有利于降低生产成本。

作为上述方案的改进：所述门叶组件中门叶的总数量为偶数。本发明中采用偶数数量的门叶，能够使得门叶组件中每两个相邻门叶之间形成受力平衡的配合关系，整个门叶组件对于水压受力均匀，避免因受力不平均而引起的局部损坏，有利于延长门叶组件的使用寿命。

作为上述方案的改进：还包括设置在门槽结构上游方向的拦污栅，所述拦污栅水位高程方向上从水位面上方向下延伸设置至水面下方；拦污栅与门槽结构为一一对应关系。

本发明的有益效果是：本发明通过分层取水折叠闸门装置中增加浮箱，利用浮箱漂浮在水库水面上作为卷扬设备工作高度的调节设备，浮箱能够随蓄水位的变化而自动调节自身高程，进而使得被浮箱支持的卷扬设备一同升降，卷扬设备作为带动门叶组件展开的提升设备而使得表层取水深度保持不变；并且能够在需要时通过卷扬设备来调节门叶组件的展开长度，从而实现不同高程的取水工作，实现对下泄水温的调节；本发明在运行时采用浮箱根据水位变化形成自浮式升降，无需为门槽结构顶部高程的改变而设置额外的动力单元，同时整体结构简单、运行便捷可靠。

附图说明

图1为处于正常蓄水位时本发明的取水示意图；

图2为处于中间蓄水位时本发明的取水示意图；

图3为处于最低蓄水位时本发明的取水示意图；

图4为本发明的俯视图；

图5为本发明中门叶的结构示意图。

图中标记为：100-门槽结构、200-门叶组件、210-门叶、220-销轴、230-悬臂定轮、300-浮箱、400-卷扬设备、500-拦污栅。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”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，而不是指示或暗示所指的装置或部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。

如图1至图3所示，本发明所公开的分层取水折叠闸门装置包括门槽结构100、门叶组件200、浮箱300和卷扬设备400。门槽结构100作为整个分层取水折叠闸门装置的基础固定部件，门槽结构100在水位高程方向上从水位面上方向下延伸设置至水位面下方，门叶组件200安装在门槽结构100上。门叶组件200为多个门叶210组成的可折叠结构，门叶210的数量以偶数为优选方案；通过门叶组件200中门叶210顺着门槽结构100高度方向的移动使得整个门叶组件200能够展开或折叠，门叶组件200呈展开状态时对水流进行阻挡拦截，水流在门叶组件200上方未阻挡的空间可正常流动以进行取水工作，因此门叶组件200展开状态上方未遮挡处即为取水部位。卷扬设备400作为门叶组件200展开工作的驱动设备，将卷扬设备400的动力输出端与门叶组件200最上端的门叶210连接，卷扬设备400工作即可对整个门叶组件200进行提升以使其展开。本发明中为了实现根据蓄水位的变化来对应调节取水深度，在门槽结构100的顶部设置了浮箱300，浮箱300不做固定措施以使其能够随蓄水位的变化而自行升降，将卷扬设备400安装在浮箱300上，则利用浮箱300随蓄水位变化的自动升降动作来调节卷扬设备400的高度，在卷扬设备400对门叶组件200所施加提升动力不变的情况下，即可根据蓄水位的变化自行改变顶部高程，维持取水深度不变。并且，如图1至图3所示，在鱼类繁殖季节需要改善下游水温时，能够通过浮箱300上的卷扬设备400收放动作的改变来调节门叶组件200的展开程度，进而对取水深度进行调节，从而能够加大取水深度，提高下泄水温，为下游鱼类的繁殖活动提供更适宜的温度。

如图1至图3以及图5所示，本发明中所采用的门叶组件200通过与门槽结构100之间的滑动配合以及相邻门叶210之间的可转动配合来实现整体结构的伸直展开或收拢折叠。在门叶210的两端分别设置通孔以及与通孔间隙配合的销轴210，相邻门叶210之间即可通过销轴210形成可转动连接；在门叶210的中段位置安装悬臂定轮230，门槽结构100上设有沿其高度方向延伸设置的位于门叶组件200侧方的滑槽，悬臂定轮230的滚轮安装在滑槽内形成滑动配合，则在卷扬设备400的提升作用下使得各门叶210通过悬臂定轮230顺着滑槽向上滑动，同时各门叶210自身旋转以及相邻门叶210之间发生相对转动，使得整个门叶组件200最终伸直展开。门叶组件200的收拢折叠可依靠自身重力来实现，卷扬设备400停止对门叶组件200施加向上的提升力，则门叶组件200在自身重力作用下使各个门叶210顺着滑槽向下滑动，最终形成如图3所示的折叠状态；而为了使门叶组件200的折叠工作进行更加顺利，本发明使各个门叶210在门叶组件200最大展开状态时仍保持一定程度的倾斜，具体的，使门叶210与水平方向之间夹角的数值不超过80°，则整个门叶组件200不能呈完全竖直的伸直状态，促使门叶组件200利用自身重力进行收拢折叠。考虑到节省卷扬设备400的提升动力，可将门叶210设计为空心结构，即在门叶210内部设置封闭的空腔，在减轻门叶210重量的同时能够增加门叶210在水中的浮力；同时由于卷扬设备400所需动力降低，可减小卷扬设备400的容量体积，进而还能减小下方浮箱300的设计规格。

进一步的，本发明中为了实现对隧洞内存在反击现象的水压进行快速泄压，对门叶210的转动轴心位置进行了限定，即限定悬臂定轮230在门叶210上的安装位置。如图5所示，将悬臂定轮230设置在偏离门叶210中心位置处，使悬臂定轮230靠近门叶组件200的折叠方位设置；即如图5所示的L1为悬臂定轮230与门叶210靠近门槽结构100底部一端的距离，L2为悬臂定轮230与门叶210靠近门槽结构100顶部一端的距离，设定L1大于L2；当隧洞内的反向水压使门叶组件200有折叠趋势时，门叶组件200的底部呈打开状态，能够对隧洞内的反向水压进行快速泄压。

如图4所示，本发明所述的分层取水折叠闸门装置还包括设置在门槽结构100上游方向的拦污栅500，拦污栅500水位高程方向上从水位面上方向下延伸设置至水面下方；拦污栅500通过设置在门槽机构100上的拦污栅栅槽进行安装固定。拦污栅500与门槽结构100为一一对应关系，通过设置拦污栅500对门槽结构100上游来水进行拦污过滤。