CN114875840A

CN114875840A - 一种水库淤积泥沙的排沙装置

Info

Publication number: CN114875840A
Application number: CN202210623851.6A
Authority: CN
Inventors: 王昱; 周伟; 刘开清; 王哲辉; 齐桂花; 李金平; 任海伟; 马保龙; 王建军
Original assignee: Water Resources Utilization Center Of Taolai River Basin Water Resources Department Of Gansu Province; Lanzhou University of Technology
Current assignee: Water Resources Utilization Center Of Taolai River Basin Water Resources Department Of Gansu Province; Lanzhou University of Technology
Priority date: 2022-06-02
Filing date: 2022-06-02
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2042-06-02
Also published as: CN114875840B

Abstract

本发明提供一种水库淤积泥沙的排沙装置，涉及水利水电工程技术领域。水库淤积泥沙的排沙装置包括：至少三个设置在水库的桁架机组；任意一个桁架机组的出水口流出的水流进入下一个桁架机组的入水口；任意一个桁架机组的入水口由上一个桁架机组的出水口流出的水流进入；三个桁架机组之间流通的水流形成螺旋流，以使得水流中的泥沙排出；以实现全面高效排沙的目的。

Description

一种水库淤积泥沙的排沙装置

技术领域

本发明涉及水利水电工程技术领域，特别是涉及一种水库淤积泥沙的排沙装置。

背景技术

中国是世界上水库数量最多的国家，泥沙淤积导致的库容损失使水库的各项功能、安全保障及综合效益受到影响。水库淤积直接威胁水库和大坝以及下游地区的安全和使用寿命。在库区，淤积减少有效库容，影响水库调节性能和水力设施的正常运行，因此，深入开展水库淤积相关问题的研究，成为摆在水利工作者面前的重要课题。而中国西北内陆河含沙量大，季节性强，大部分生态环境脆弱，水库中易形成泥沙淤积，所面临的问题更加紧迫。

中国西北内陆河流发源于高山，流经山前洪积冲积平原，属季节性河流，在汛期河流泥沙含量高，粒径粗大，常被淤积于水库库区中。传统的排沙方式是利用大坝泄洪排沙孔在汛期进行直流式排沙，其排沙范围多限于排沙孔附近，排沙范围有限，对于排沙孔水力影响区以外的库区泥沙则无法排沙，从而造成水库的有效库容减小并影响水库使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种水库淤积泥沙的排沙装置，以实现全面高效排沙的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种水库淤积泥沙的排沙装置，所述排沙装置包括：至少三个设置在水库的桁架机组；

任意一个所述桁架机组的出水口流出的水流进入下一个所述桁架机组的入水口；任意一个所述桁架机组的入水口由上一个所述桁架机组的出水口流出的水流进入；三个所述桁架机组之间流通的水流形成螺旋流，以使得水流中的泥沙排出。

可选地，所述水库淤积泥沙的排沙装置，还包括：第一导流部和第二导流部；

所述第一导流部设置在所述水库的进水口的一侧的内壁上，所述第一导流部用于驱动所述水库的进水口进入的水流向目标桁架机组的进水方向流动；所述目标桁架机组为设置在所述水库的进水口的另一侧且距离所述水库的进水口最近的一个桁架机组；

所述第二导流部设置在所述水库内，所述第二导流部用于引导所述水库的进水口进入的水流进入所述目标桁架机组的入水口。

可选地，所述桁架机组具体包括：桁架、水轮机组、入口导向叶和出口导向叶；

所述桁架竖直设置在所述水库内；所述桁架上套设至少一个所述水轮机组；所述入口导向叶设置在所述桁架的入水口，所述出口导向叶设置在所述桁架的出水口；所述入口导向叶用于引导由上一个所述桁架机组的出水口流出的水流进入当前桁架机组的水轮机组；所述出口导向叶用于将当前桁架机组的水轮机组流出的水流引导至下一个所述桁架机组的入水口。

可选地，所述水轮机组具体包括：座环、水泵和导叶组件；

所述座环套设在所述桁架上；所述水泵设置在所述座环内部，所述导叶组件设置在所述座环上，且与所述座环转动连接；所述水泵与所述导叶组件连接；所述水泵用于将水流抽取至所述导叶组件，以使得所述导叶组件转动，从而增加水流的流速。

可选地，所述桁架机组的入水口的高度低于所述水库的进水口的高度；所述桁架机组出水口的高度高于所述水库的排沙孔的高度。

可选地，所述第一导流部为弧形结构，所述弧形结构的开口方向与所述目标桁架机组的进水方向一致。

可选地，所述水库淤积泥沙的排沙装置，还包括：排沙池；所述排沙池设置在所述水库的排沙孔处。

可选地，所述导叶组件的转动速度和转动角度是根据所述水库的容量和所述水库的排沙孔的大小确定的。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

通过在水库设置至少三个桁架机组，使得任意一个桁架机组的出水口流出的水流进入下一个桁架机组的入水口，任意一个桁架机组的入水口由上一个桁架机组的出水口流出的水流进入，从而在水库形成螺旋流，能够带动水流中的泥沙移动，并使得泥沙排出水库，以实现全面高效排沙的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的水库淤积泥沙的排沙装置的示意图；

图2为本发明实施例提供的水库淤积泥沙的排沙装置的桁架机组结构图；

图3为本发明实施例提供的水库淤积泥沙的排沙装置的水轮机组结构图；

图4为本发明实施例提供的水库淤积泥沙的排沙装置的工作状态图。

符号说明：

上游河道-1、水库的进水口-2、桁架机组-3、水库的出水口-4、下游河道 -5、第一导流部-6、第二导流部-7、排沙孔-8、排沙池-9、桁架-10、水轮机组 -11、入口导向叶-12、出口导向叶-13、座环-14、水泵-15、导叶组件-16。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种水库淤积泥沙的排沙装置，通过在水库设置至少三个桁架机组，使得任意一个桁架机组的出水口流出的水流进入下一个桁架机组的入水口，任意一个桁架机组的入水口由上一个桁架机组的出水口流出的水流进入，从而在水库形成螺旋流，能够带动水流中的泥沙移动，并使得泥沙排出水库，以实现全面高效排沙的目的。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例的水库淤积泥沙的排沙装置包括：至少三个设置在水库的桁架机组3；设置多个桁架机组3于目标库区中，以4个为例，任意一个桁架机组3的出水口流出的水流进入下一个桁架机组3的入水口；任意一个桁架机组3的入水口由上一个桁架机组3的出水口流出的水流进入；三个桁架机组3之间流通的水流形成螺旋流，以使得水流中的泥沙排出。主要原理是通过利用水库的进水口2与排沙孔8的流速水头，让其在库区内形成一定流速、一定半径大小的可控旋流，将旋流流速分解为轴向和切向两个方向，分别控制泥沙的悬浮和运移，从而输送重载强度高、粒径大，原本直流无法输送运移的泥沙。来水从水库的进水口2进入后，流经桁架机组3加高流速，增大其紊乱程度，从库区内逐渐旋转形成旋流，带动库区内淤积的泥沙流向排沙孔8，从而达到排沙的效果。

在一种实施例中，如图1所示，排沙装置还包括：第一导流部6和第二导流部7；第一导流部6设置在水库的进水口2的一侧的内壁上，第一导流部6 用于驱动水库的进水口2进入的水流向目标桁架机组3的进水方向流动；目标桁架机组为设置在水库的进水口的另一侧且距离水库的进水口最近的一个桁架机组3；第二导流部7设置在所述水库内，第二导流部7用于引导水库的进水口2进入的水流进入所述目标桁架机组的入水口。第一导流部6和第二导流部7可以是边墙或者导流墙，也可以人为增加的结构。如水库的进水口2或排沙孔8附近设有可利用的导流墙或边墙，以便于更好的形成旋流即螺旋流。库区设置第一导流部6(如边墙)和第二导流部7(如导流墙)是为了达到更好的排沙效果。

具体地，第一导流部6可以为弧形结构，弧形结构的开口方向与目标桁架机组的进水方向一致，以便于引流。如可在水库的进水口2与排沙孔8附近布设几处导流墙，将部分边墙或导流墙设为弧形结构，水库的进水口2与排沙孔 8附近的边墙为弧形边墙或可人为控制。

在一种实施例中，如图2所示，桁架机组3具体包括：桁架10、水轮机组11、入口导向叶12和出口导向叶13；桁架10竖直设置在所述水库内；桁架10上套设至少一个水轮机组11；入口导向叶12设置在桁架10的入水口，出口导向叶13设置在桁架10的出水口；入口导向叶12用于引导由上一个桁架机组3的出水口流出的水流进入当前桁架机组3的水轮机组11；出口导向叶13用于将当前桁架机组3的水轮机组11流出的水流引导至下一个桁架机组 3的入水口。

具体地，如图2和图3所示，水轮机组11具体包括：座环14、水泵15 和导叶组件16；座环14套设在桁架10上；水泵15设置在座环14内部，导叶组件16设置在座环14上，且与座环14转动连接；水泵15与导叶组件16 连接；水泵15用于将水流抽取至导叶组件16，以使得导叶组件16转动，从而增加水流的流速。此外，水库的进水口2或者排沙孔8也可加装水泵15或水轮机，获得更高流速而达到预想流态。桁架10上加装的水轮机组11的功率各不相同，可逐步逐级增加螺旋流流速和流域半径。

具体地，导叶组件16的转动速度和转动角度是根据所述水库的容量和所述水库的排沙孔9的大小确定的。

在一种实施例中，桁架机组3的入水口的高度低于水库的进水口2的高度；桁架机组3出水口的高度高于水库的排沙孔8的高度。如可采用在库区底部不同区域设有坡降的方式实现。

在一种实施例中，排沙装置还包括排沙池9；排沙池9设置在水库的排沙孔8处。水库的进水口2与排沙孔8相距较远，且排沙孔8中有闸门控制，所述库区底部不同区域略有坡降(或人为增加)，所述库区内部进水口或排沙孔 8附近有可利用的导流墙或边墙，以便于更好的形成旋流，水库的进水口2或水库的闸门可通过设置水轮机组11增加水流的流速，以便于达到更加理想的流态，所述桁架10上加装水轮机组11或水泵15以便更好的对水流做推动和流态控制。

水流螺旋流的流速可分解为轴向与切向流速即轴向平直流与强制涡流的合成。螺旋流输送原理就是用纵向流速度承担输移任务而涡流承担悬浮作用从而使重载而缓行的输移方式成为可能。本发明的水流导向装置属于水力排沙清淤且结合这两种流速的不同功能而得。通过设置多个桁架10于目标库区中，暂以三个为例，如图4所示，利用桁架10上的座环14、水泵15和导叶组件 16组成的水轮机组11，使得目标水域中形成一个漩涡流即螺旋流，且每个水轮机组11方向可微调，通过实验可以得出目标水库的确定容量，同时本装置需测定库区排沙孔8的有效排沙范围以及排沙速率，从而确定机组的运行速率以及运转角度，进而控制螺旋流的流速和半径，利用进水方向和出水方向的切速度，使得形成的涡流达到最佳排沙率和最低耗能。本装置易于安装和拆卸，对于已建成且淤积严重的库区，有较好的适用性。其中单个桁架10及其水轮机组11的工作原理如下：水泵15安装在水轮机组11内部，使其能够符合工作荷载需要，且桁架10进水口与出水口处皆有导向叶，即有入口导向叶12和出口导向叶13以便更为精确的控制进水口与出水口的方向。

上述实施例的排沙装置具有如下优点：

主要利用水库的进水口2和排沙孔8的自然水动力，并设置一定的引水导流设施，第一导流部6和第二导流部7(如引水渠、边墙或者导流墙等)和水流导向设备(水轮机组11和水泵15)实现库区泥沙清淤目的。在水库清淤时，开启水库的排沙孔8闸门，并根据库区中所含泥沙的泥沙粒径和泥沙含量自行调整设定水流导向设备的角度、设备运转时间，利用所形成的螺旋流将库区泥沙搅拌流动至排沙孔8排沙漏斗范围内，经由排沙孔8排出至排沙池9，并且水流到下游河道5。针对水库其淤积泥沙的固粒粒径与级配设置此设置，以便充分发挥排沙孔8的效用，减轻或消除库区泥沙淤积对水库所带来的损害，本发明利用库区排沙孔8的自然水动力条件，属于水力排沙清淤，不适用机械清淤，避免了机械清淤的弊端。该排沙装置能减少人力，高效排沙，同时水流导向设备安装拆卸方便成本相对较低，为水库的长效运行提供保障。

本实施例的排沙装置的一个更为具体的实施过程如下：

水库的进水口2处一侧有第一导流部6(如边墙)和其后第二导流部7(如导流墙)，用于粗略控制水体方向，而后通过桁架机组3，对水流进行细致导向，而后通过桁架机组3将多余水流导向水库的进水口2处。桁架机组3处有与来水方向相同的坡降，使得库区内更易形成旋流。桁架机组3到排沙孔8 处，有从高到低的水力坡降，使得泥沙易于堆积在排沙孔8附近，易于排沙孔 8发挥其功效排沙。桁架10上的水轮机组11功率各不相同，通过对各桁架10 上机组功率的控制，进而达到控制旋流流速和旋流半径的效果，同时，使得机组耗能更低。

关闭水库的出水口4的闸门，暂停向下游河道5排水，水体自上游河道1 中而来，经过水库的进水口2加大流速，高流速下更有利于水体流动带动粒径较大的泥沙，水体通过水库的进水口2后接触第二导流部7，可以是导流墙后继续流动，通过桁架机组3对进入的流体即水流作进一步的导向，使得水体即水流形成初步的旋转，同时利用靠近第二导流部7那一侧的桁架机组3使得水体加速，而后接触到第一导流部6(如边墙)后形成一个循环，加速旋流搅动泥沙的效果产生，而排沙孔8处可以设置水泵15或者水轮机，此时排沙孔8 中的水泵15(或水轮机)启动，加大排沙孔8周围的水动力，带走已经被旋流带起的泥沙，通向排沙池9，进行下一步处理，从而达到带动整个库区泥沙清理的作用，以实现全面高效排沙的目的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种水库淤积泥沙的排沙装置，其特征在于，所述排沙装置包括：至少三个设置在水库的桁架机组；

2.根据权利要求1所述的一种水库淤积泥沙的排沙装置，其特征在于，还包括：第一导流部和第二导流部；

3.根据权利要求1所述的一种水库淤积泥沙的排沙装置，其特征在于，所述桁架机组具体包括：桁架、水轮机组、入口导向叶和出口导向叶；

4.根据权利要求3所述的一种水库淤积泥沙的排沙装置，其特征在于，所述水轮机组具体包括：座环、水泵和导叶组件；

5.根据权利要求1所述的一种水库淤积泥沙的排沙装置，其特征在于，所述桁架机组的入水口的高度低于所述水库的进水口的高度；所述桁架机组出水口的高度高于所述水库的排沙孔的高度。

6.根据权利要求2所述的一种水库淤积泥沙的排沙装置，其特征在于，所述第一导流部为弧形结构，所述弧形结构的开口方向与所述目标桁架机组的进水方向一致。

7.根据权利要求5所述的一种水库淤积泥沙的排沙装置，其特征在于，还包括：排沙池；所述排沙池设置在所述水库的排沙孔处。

8.根据权利要求4所述的一种水库淤积泥沙的排沙装置，其特征在于，所述导叶组件的转动速度和转动角度是根据所述水库的容量和所述水库的排沙孔的大小确定的。