一种多进沙口顺序开闭的廊道自动排沙装置

摘要

本发明涉及一种多进沙口顺序开闭的廊道自动排沙装置，属于水利工程管理领域，该装置包括顶部设有多个进沙口的输沙廊道、在每个进沙口下方设置的滑板、固定在每个滑板下方中部横向对称设置的触发构件、驱动滑板沿输沙廊道纵向往复移动的牵引机构、位于滑板两侧对称设置的滑板复位装置、出口闸；其中，输沙廊道在水库坝上游河床上开挖建造，输沙廊道一端与水库坝底相连，该端通过出口闸穿过水库大坝底部，输沙廊道的另一端位于水库内；滑板下方的四角对称设有滚轮，滑板沿输沙廊道纵向往复移动。本装置运行时进沙口顺序开闭，只有一个进沙口打开，保证输沙廊道沿程的每个进沙口开启时都具有相同的作用水头，解决了远端进沙口容易堵塞的关键问题。

权利要求

1.一种多进沙口顺序开闭的廊道自动排沙装置，其特征在于,该装置包括顶部设有多个进沙口的输沙廊道、在每个进沙口下方设置的滑板、固定在每个滑板下方中部横向对称设置的触发构件、驱动滑板沿输沙廊道纵向往复移动的牵引机构、位于滑板两侧对称设置的滑板复位装置、出口闸；其中，输沙廊道在水库坝上游河床上开挖建造，输沙廊道下游端与水库大坝底相连，该输沙廊道下游端通过出口闸穿过水库大坝底部，输沙廊道的上游端封闭、位于水库内；滑板下方的四角对称设有滚轮，滑板沿输沙廊道纵向往复移动。

2.如权利要求1所述的多进沙口顺序开闭的廊道自动排沙装置，其特征在于,所述输沙廊道的横截面为上部矩形、下部梯形或半圆形的复合断面，输沙廊道顶部为平直盖板，其上表面与河床表面齐平，盖板两侧凸出于输沙廊道侧壁；在输沙廊道上游端盖板的下方中部安装一个压力弹簧；在盖板上沿输沙廊道纵向按一定间距顺序设置进沙口，进沙口为矩形，每个进沙口单独开启时都具有相同的作用水头；输沙廊道内两侧壁上按一定间距设置多个牛腿，在牛腿上安装滑轨，滑板下方四角的滚轮在所述滑轨上往复移动；在每个进沙口上、下游的输沙廊道两侧壁上对称布置触发块，上游正向触发块纵向位置离所述进沙口中心为一个滑板的长度，下游反向触发块位于进沙口中心，所述触发块的高度均与触发构件齐平。

3.如权利要求2所述的多进沙口顺序开闭的廊道自动排沙装置，其特征在于，所述输沙廊道内的最小流速大于泥沙的最大起动流速，最大流速取最小流速的2～3倍。

4.如权利要求1所述的多进沙口顺序开闭的廊道自动排沙装置，其特征在于,所述的滑板为矩形，其长度为进沙口长度的1.2倍、宽度为进沙口宽度的1.1倍，使得滑板位于进沙口正下方时，进沙口被完全封闭。

5.如权利要求2所述的多进沙口顺序开闭的廊道自动排沙装置，其特征在于,所述牵引机构由两个驱动球、两根牵引钢缆、四个定滑轮以及卷扬机构成；其中，两个驱动球严格平行，分别固定在两根牵引钢缆上；四个定滑轮成对的固定在输沙廊道的两端，其高度与触发构件齐平；卷扬机位于水库大坝顶部；牵引钢缆位于输沙廊道两侧，牵引钢缆从水库大坝顶部的卷扬机绕过输沙廊道下游端的定滑轮、依次穿过滑板下方的触发构件、绕过输沙廊道上游端的定滑轮折回、从滑板四角的滚轮上方穿过、再从输沙廊道下游端的定滑轮绕回到卷扬机，最终形成长度不变、往复拉动驱动球的环形牵引钢缆。

6.如权利要求5所述的多进沙口顺序开闭的廊道自动排沙装置，其特征在于，所述的触发构件包括定位块、带有滚轮的伸缩杆和压力弹簧；其中，定位块靠近输沙廊道侧壁的外侧比滑板的外侧横向缩进触发块较长宽边的距离，定位块横向铣槽放置伸缩杆和压力弹簧，定位块的上平面与滑板下平面铆接，形成由滑板与定位块横向铣槽构成的封闭空腔，伸缩杆和压力弹簧在该封闭空腔内滑动，在定位块靠近冲沙廊道侧壁的一侧纵向对称布置大口朝外的圆锥形喇叭孔和与该喇叭孔同心的圆柱形孔，供牵引钢缆和驱动球从中穿过；伸缩杆外侧端设有安装滚轮的凹槽和轮轴孔，伸缩杆后端紧靠压力弹簧，伸缩杆中部设有供牵引钢缆和驱动球穿过的圆柱形孔，该圆柱形孔直径与定位块的圆柱形孔相等、高度一致，在所述压力弹簧的推力作用下与定位块的圆柱形孔横向错位，但在触发块的挤压下将与定位块的圆柱形孔同心，以使驱动球穿过。

7.如权利要求1所述的多进沙口顺序开闭的廊道自动排沙装置，其特征在于,所述的滑板复位装置包括位于滑板两侧的多根联动绳、与每根联动绳配套设置且固定在输沙廊道盖板底部的定滑轮；其中，每根联动绳的两端绕过与其配套设置的定滑轮后，分别固定在相邻的两个滑板上，定滑轮位于进沙口下游的斜侧方；滑板复位装置在牵引机构的驱动下形成联动而使滑板复位。

8.如权利要求1所述的多进沙口顺序开闭的廊道自动排沙装置，其特征在于，所述的出口闸控制本排沙装置的出口流量以满足输沙廊道内设计流速的要求；根据排沙计划选择开启和关闭的时间。

说明书

一种多进沙口顺序开闭的廊道自动排沙装置

技术领域

[0001] 本发明属于水利工程的运行管理技术领域，特别涉及一种多进沙口顺序开闭的廊道自动排沙装置。

背景技术

[0002] 我国西北部地区水资源短缺严重制约了经济和社会的发展。西北地区的黄河干支流、新疆的内陆河流等的含沙量高、泥沙粒径粗，对水库和渠道等水利工程设施的有效运行和管理具有不利影响，如黄河三门峡水库因运行初期就产生了严重的淤积，直接威胁到关中平原的安全而只能降低其设计功能；新疆地区的一些中小水库可能在数年之内就淤损失效；引水渠道也会因泥沙淤积而减少过流能力、清出的淤沙堆积而使耕地沙化。历史上著名的引水工程“郑国渠”从洛河引水，灌区农业大发展，一度使秦国强盛而统一天下，但“郑国渠”早已因泥沙淤积掩埋而踪迹难觅。

[0003] 长期以来，工程管理、设计及研究单位都致力于水库渠道减淤、清淤措施的研究和探索，与本发明相关的冲沙洞和排沙廊道是常用的装置。

[0004] 冲沙洞：一些水库设置冲沙洞排沙，如三峡水库在主坝段设置了7个冲沙洞，在地下电厂坝段设置了3个冲沙洞。冲沙洞的进口高程一般高于初始河床的高程而低于需要其保护的电站或引水口的进口高程，随着泥沙逐渐淤积，当淤积沙面快接近进水口高程时打开出口闸冲沙，冲沙水流的初始含沙量很高、其后逐渐减少。冲刷后一般为漏斗形，以冲沙洞进口底高程为起点，形成以水下动态休止角为边坡的坝前冲刷漏斗，对保护进水口等有较好的效果。冲沙洞因其冲刷范围有限，对大规模冲刷排沙、保持水库的有效库容等方面作用不大。

[0005] 排沙廊道：谭培根的发明专利“自排沙廊道，专利号NIOIOO397OA”，提出了一种自排沙廊道。该专利由多条廊道平行布置，每条廊道的上部顺序设置多个排沙机构，在平面上形成网状分布的排沙孔，多条廊道采用统一的出口闸集中控制。该专利重点在于排沙机构的形状和结构的设计。对每个排沙机构的作用水头随离出口闸的距离而变化的影响未加考虑，使得离出口闸越远的排沙机构的进流量越小，在运行过程中远端的排沙机构会被逐渐淤塞而影响排沙效果。

发明内容

[0006] 本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种多进沙口顺序开闭的廊道自动排沙装置，本装置运行时进沙口顺序开闭，只有一个进沙口打开，保证输沙廊道沿程的每个进沙口都具有相同的作用水头，解决了远端进沙口容易堵塞的关键问题；利用水库落差自动排沙，节省能源，且结构简单，经济效益显著。

[0007] 本发明提出的一种多进沙口顺序开闭的廊道自动排沙装置，其特征在于,该装置包括顶部设有多个进沙口的输沙廊道、在每个进沙口下方设置的滑板、固定在每个滑板下方中部横向对称设置的触发构件、驱动滑板沿输沙廊道纵向往复移动的牵引机构、位于滑板两侧对称设置的滑板复位装置、出口闸；其中，输沙廊道在水库坝上游河床上开挖建造，输沙廊道下游端与水库大坝底相连，该端通过出口闸穿过水库大坝底部，输沙廊道的上游端封闭、位于水库内；滑板下方的四角对称设有滚轮，滑板沿输沙廊道纵向往复移动。

[0008] 本发明的特点及效果：

[0009] 在输沙廊道进沙口的下方设置滑板，通过控制滑板的开闭，整个输沙廊道的全部进沙口只有一个开启，其余进沙口均关闭，使每个进沙口开启时的作用水头均相同，进口流速大致相等，解决了普通廊道远端进沙口淤死的关键问题。利用水库的落差自动排沙，不需要额外的动力；本装置结构简单、操作方便、运行成本低廉，具有很好的社会效益和经济效益。

附图说明

[0010] 图1是本发明装置的整体布置纵向剖面示意图。

[0011] 图2(a)是本发明装置的横断面结构示意图，

[0012] 图2(b)是本发明装置的纵剖面局部结构示意图。

[0013] 图3是本发明装置的触发构件示意图，其中：图3(a)是滑板位于进沙口正下方、驱动球刚被卡住时触发构件的俯视结构示意图，图3(b)是滑板全开、触发构件释放驱动球时的俯视结构示意图；图3(c)是定位块的俯视结构示意图，图3(d)是定位块的侧视结构示意图；图3(e)是伸缩杆的俯视结构示意图，图3(f)是伸缩杆的侧视结构示意图。

[0014] 图4是本发明装置从下游开始顺序开启进沙口时滑块复位装置的工作状态示意图，其中：图4(a)是第一个进沙口开启时滑块复位装置的工作状态示意图，图4(b)是第二个进沙口开启时滑块复位装置的工作状态示意图，图4(c)是第三个进沙口开启时滑块复位装置的工作状态示意图。

具体实施方式

[0015] 以下将结合附图1～附图4及实施例对本发明的一种多进沙口顺序开闭的廊道自动排沙装置进行详细说明。为便于文字描述，约定沿输沙廊道1的纵向为长度L、输沙廊道1横截面的横向为宽度B、垂直向上为高度或厚度H，每个器件编号的尺寸则以上述字符加附图中对应的数字标记表示，如输沙廊道1的长度为L1、宽度为B1；且约定按水流的流动方向分上下游，水流从上游流向下游，面向下游分左右岸。

[0016] 本发明装置的结构如图1、2所示，本装置包括顶部设有多个进沙口3的输沙廊道1(输沙廊道1的长度L1和净宽度B1应根据工程设计确定，如只需要坝前清淤，长度为100m数量级；如需要清除淤沙保持库容，则要长达1000m的数量级)，在每个进沙口3下方设置的滑板4，在每个滑板4下方中部横向对称设置的触发构件6，驱动滑板4沿输沙廊道1纵向往复移动的牵引机构，位于滑板4两侧对称设置的滑板复位装置，以及出口闸Valve；其中，输沙廊道1在水库大坝上游的河床(图1中UB为上游河床、DB为下游河床)上开挖建造，输沙廊道1下游端与水库大坝Dam底相连，该端通过出口闸Valve穿过水库大坝底部，输沙廊道1上游端封闭、位于水库内，在输沙廊道1顶部有淤积泥沙(图1中DS为淤积泥沙的上表面)；滑板4下方的四角对称设有滚轮11，滑板4沿输沙廊道1纵向往复移动。

[0017] 所述输沙廊道1的横截面为上部矩形、下部梯形或半圆形的复合截面，如图2(a)所示(图2(a)为下部梯形的输沙廊道1的横截面)，该截面的形状和尺寸沿输沙廊道1纵向不变，输沙廊道1的纵剖面如图2(b)所示，图中V表示水流的流动方向，箭头指向下游；输沙廊道1顶部平直盖板2的上表面与河床表面齐平，盖板2两侧凸出于输沙廊道1侧壁，与复合截面构成封闭的输沙廊道1，在平直盖板2上沿输沙廊道纵向按一定间距(进沙口的间距根据排沙需要进行设计)顺序设置矩形进沙口3(长×宽：L3×B3)，每个进沙口3开启时都具有相同的作用水头；每个进沙口3下方对应设置一个滑板4，滑板4的长度为进沙口3长度的1.2倍、宽度为进沙口3宽度的1.1倍(即L4×B4＝1.2L3×1.1B3)，保证能完全封闭进沙口3，本实施例中滑板4的宽度B4＝0.95B1，由此可计算出进沙口的宽度B3＝0.86B1；在输沙廊道1内两侧壁上按一定间距(具体尺寸应保证滑轨12承载后不弯曲下垂)设有多个牛腿13，在牛腿13上安装滑轨12，滑板4下方的滚轮11在滑轨12上往复移动；在每个进沙口3上游的输沙廊道1两侧壁上布置正向触发块7(其俯视图为梯形，较宽的边位于上游)，其纵向位置离进沙口3中心为一个滑板4的长度；在每个进沙口3的输沙廊道1两侧壁上布置与正向触发块7对称设置的反向触发块27(其尺寸与正向触发块相同，较宽的边位于下游)，其纵向位置位于进沙口3中心，所述两种触发块的高度与触发构件6齐平，宽边的宽度为0.02B1。

[0018] 输沙廊道1内的最小流速应大于泥沙的最大起动流速VD，最大流速可取最小流速的2～3倍；其中， g为重力加速度，D为泥沙粒径，H为运行总水头(即水库上游水位与出口闸Valve中心高程之差)。

[0019] 所述牵引机构包括两个驱动球5、两根牵引钢缆8、四个定滑轮9以及卷扬机10；其中，两个驱动球5严格平行，分别固定在两根牵引钢缆8上；四个定滑轮9成对的固定在输沙廊道1的两端，其高度与触发构件齐平；卷扬机10位于水库大坝Dam顶部；牵引钢缆8位于输沙廊道1两侧，牵引钢缆8先从水库大坝顶部的卷扬机10绕过输沙廊道下游端的定滑轮、依次穿过滑板4下方的触发构件、然后绕过输沙廊道上游端的定滑轮折回、从滑板四角的滚轮11上方穿过、再从输沙廊道下游端的定滑轮绕回到卷扬机10，最终形成长度不变、往复拉动驱动球5的环形牵引钢缆8。

[0020] 所述触发构件6横向对称固定在每个滑板4下方中部，其结构如图3(图中只给出了位于滑板下方一侧的触发构件，另一侧未示意)，包括定位块14、带有滚轮19的伸缩杆17和压力弹簧18；其中，定位块14为矩形，固定在滑板4下方中部的一侧，在靠近输沙廊道侧壁21处、定位块14的外侧比滑板4的外侧缩进触发块宽边的宽度，在定位块上平面的中部横向铣成倒T型槽(如图3(c)、(d)中的14-1、14-2所示)，将压力弹簧18放入T型槽的横向内侧段14-1、伸缩杆17放入T型槽的横向外侧段14-2，伸缩杆17后端紧靠压力弹簧18，然后将定位块14的上平面与滑板的下平面铆接，则滑板与14-1和14-2形成一个封闭的腔体，伸缩杆17和弹簧18可以在此腔体中横向滑动；在定位块14靠近冲沙廊道1侧壁的一侧纵向对称设有大口向外的圆锥形喇叭孔15(如图3(c)所示)，便于引导固定在牵引钢缆8上的驱动球5顺利进入，位于喇叭孔15纵向内侧设有刚好供驱动球5通过且与喇叭孔15同心的圆柱形孔16，圆柱形孔16的直径等于喇叭孔15的小口直径；伸缩杆17为横向内侧段17-2和横向外侧段17-3构成的倒T型，靠近输沙廊道侧壁21的杆端(即外侧端)设有安装滚轮19的凹槽19-2和轮轴孔
17-1(如图3(e)所示)，轮轴19-1插入轮轴孔17-1后铆接，伸缩杆17中部设有刚好供驱动球5通过的圆柱形孔20，此孔中心的高度与定位块14的喇叭孔15的中心齐平；牵引钢缆8穿过定位块14的喇叭孔15、圆柱形孔16以及伸缩杆17中部的圆柱形孔20。

[0021] 根据滑板4与进沙口3相对位置的变化，触发构件6内部构件间的相对位置关系说明如下：

[0022] 当滑板4位于进沙口3的正下方时(如图3(a)所示)，进沙口3关闭，正向触发块7在滑板4的上游，反向触发块27纵向位于进沙口中心，驱动球5已进入定位块14的喇叭孔15内，伸缩杆17在压力弹簧18的作用下向靠近侧壁21的方向伸出，但其横向外侧段17-3紧靠定位块14的T型槽的横向中部段14-2而不会继续外伸；伸缩杆17中部的圆柱形孔20与定位块14中部的圆柱形孔16在横向错位(本实施例中错位宽度为0.002B4)，卡住驱动球5，在牵引钢缆8的作用下向上游方向拉动滑板4；

[0023] 当滑板4离开进沙口3使之即将全开时(如图3(b)所示)，伸缩杆17的外侧端部滚轮19开始接触正向触发块7，在正向触发块7斜面的挤压下使伸缩杆17逐渐退回并反推压力弹簧18，当伸缩杆17中部的圆柱形孔20与定位块14的圆柱形孔16对齐时，驱动球5进入圆柱形孔20(本实施例中取正向触发块7斜面的坡度为2:1，则从伸缩杆17的外侧端部滚轮19开始接触正向触发块7至伸缩杆17中部的圆柱形孔20与定位块14的圆柱形孔16对齐的长度为
0.004B4)，滑板4停留在进沙口3全开的位置，进沙口排沙(参见图1中的B位置；A位置的进沙口已完成排沙，顶部形成排沙漏斗，且该位置的滑板4已复位到关闭位置)；牵引钢缆8则拉着驱动球5往下一个滑板4移动。

[0024] 所述滑板复位装置包括位于滑板两侧的多根联动绳、与每根联动绳配套设置且固定在输沙廊道盖板底部的定滑轮22(如图2(a)、(b)所示)；其中，每根联动绳的两端绕过定滑轮22后，分别固定在相邻的两个滑板上，定滑轮22位于进沙口的下游斜侧方，距进沙口下游端0.5L4的长度；当相邻的两个滑板均位于进沙口的正下方封闭两个进沙口时，固定在所述两个滑板之间的联动绳处于松弛状态。

[0025] 图4说明了用联动绳将滑板4拉回至进沙口3关闭状态的过程：

[0026] 联动绳23在滑板4的两侧对称布置，图中只画出了一侧布置的示意图，另一侧未示意。本装置的初始工况为输沙廊道1的全部进沙口3均用滑板4封闭，驱动球5位于水库大坝前第一个进沙口3-1的下游方(图4(a)的左侧)，两侧的驱动球5严格平行；开始排沙时打开出口闸Valve，启动卷扬机10，牵引钢缆8拉动驱动球5向上游(图4(a)的右侧)移动，到第一个滑板4-1时驱动球5被卡住，拉动滑板4-1逐渐开启进沙口3-1，同时拉动联动绳23-1，并绕过定滑轮22拉紧联动绳23-2；当滑板4-1到达进沙口3-1全开的位置时，联动绳23亦刚好拉直，驱动球5也正好穿过伸缩杆17的圆柱形孔20继续前行，滑板4-1则留在进沙口3-1全开的位置，见图4(a)；牵引钢缆8拉动驱动球5继续向上游移动，到达第二个滑板4-2并将其拉开，同步拉长联动绳24-1、拉紧联动绳24-2；由于第一组联动绳23原已拉紧，在第二块滑板4-2向上游移动的同时，由于每根联动绳的长度不变，联动绳23被逆时针拉动，将第一块滑板4-1拉回到封闭第一个进沙口3-1的位置，伸缩杆也在压力弹簧18的作用下处于外伸的状态，见图4(b)；继续相同的操作，进沙口3-3被打开，滑板4-2被拉回至封闭进沙口3-2的位置，联动绳23恢复到松弛状态，联动绳25则被拉紧，见图4(c)。

[0027] 牵引钢缆8拉动驱动球5往水库上游方向移动，依次打开各个进沙口3，始终保持只有一个进沙口3开启排沙，其余进沙口3均在联动绳反拉的作用下复位关闭，解决了普通输沙廊道1远端进沙口3淤死的关键问题。

[0028] 当驱动球5到达输沙廊道1上游端开启最远一个进沙口4后，驱动球5穿过最远一个滑板4的触发构件；在输沙廊道1上游端盖板2的下方正中安装一个压力弹簧28(如图1所示)，当触发构件释放驱动球5后，该压力弹簧28将滑板4向下游反推一个微小距离，使伸缩杆17的杆端滚轮脱离正向触发块7，伸缩杆17回复到外伸状态；卷扬机10反向运转往回拉动驱动球5，驱动球5被输沙廊道上游端滑板4的触发构件卡住后将滑板拉回至输沙廊道上游端进沙口3的正下方，同时反向触发块27挤压伸缩杆17，释放驱动球5，输沙廊道上游端滑板4停留在上游端进沙口3的正下方将其封闭，继续往下游拉动驱动球5，由于滑板4复位时，伸缩杆17已外伸，其中部圆柱形孔20与定位块14的圆柱形孔16错位，回拉驱动球5至进沙口3的中心位置时被卡住，同时伸缩杆17的外侧端部滚轮19亦接触反向触发块27，在反向触发块27斜面的挤压下使伸缩杆17逐渐退回，当伸缩杆17中部的圆柱形孔20与定位块14的圆柱形孔16对齐时，驱动球5穿过触发构件继续往下游移动，滑板4则停留在进沙口3偏下游(0.004B4)的位置，由于滑板4的长度为1.2倍的进沙口3的长度(B4＝1.2B3)，偏下游(0.004B4)同样可以完全封闭其对应的进沙口3。驱动球5逐一穿过每个滑板的触发构件，驱动球5最后回到坝前的位置，等待下一次排沙。

[0029] 每个进沙口3的排沙时间由排沙效果而定，当进沙口3上方淤积的泥沙基本排出、排沙水流的含沙量明显降低时即交换至下一个进沙口3排沙。每个进沙口3的排沙时间大致为驱动球5在两个进沙口3之间的移动时间，可以调节卷扬机10的速度来控制；如单个进沙口3需要的排沙时间较长，也可以在驱动球5位于两个进沙口3之间时停留一定时间。

[0030] 在本实施例中，设计输沙廊道1(图2)的上口净宽B1＝1.6m、矩形高0.7m、梯形高1.0m、底宽0.6m，过水面积2.22m2、输沙廊道内流速2.50m/s，排沙流量5.55m3/s，进沙口3的宽度B3＝0.86B1＝1.38m、长度取L3＝1.6m，进沙口3的进口面积为2.20m2，由此可以计算滑板4的尺寸，宽度B4＝1.1B3＝1.52m，长度L4＝1.2L3＝1.92m。设每个进沙口3的间距20m、布置50个进沙口，可以清除水库内1000m范围内淤积的泥沙。

[0031] 本装置适合于长条形的水库。如在水库建设时在水库床面上同步建设本发明的排沙装置，当设计死库容的淤沙厚度为20m，淤积泥沙的水下动休止角为30度，在一定的淤积厚度时及时排沙，则排沙的有效宽度可维持在70m左右。

[0032] 对于大型水库，可以在坝前布置多套独立的装置，如三峡右岸地下电厂已建造了3条冲沙洞，可以将冲沙洞的进口闸做为本装置的出口闸，实现向水库内纵深延续冲沙的目标。