堰頂高度可調(diào)的控水設(shè)備研發(fā)

謝崇寶，張國華，黃 斌，董建幸，王全民

(1.中國灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；3. 陜西興源自動化控制系統(tǒng)有限公司，西安 710016)

1 灌區(qū)水量控制關(guān)鍵技術(shù)要素

閘門是用來控制水位，調(diào)節(jié)流量的，它是蓄水及引水建筑物中必不可少的組成部分。過閘流量一般采用通過監(jiān)測過流建筑物的上下游水位及閘門開度，再選定適當(dāng)?shù)牧髁肯禂?shù)及流量公式，從而計算出流量的方法。閘門的形式有很多種，閘門的選型和布置，應(yīng)根據(jù)閘門的受力條件、控制運行要求和閘室結(jié)構(gòu)布置等因素選定。目前的閘門自動控制技術(shù)主要是在傳統(tǒng)螺桿、卷揚、液壓啟閉機的控制系統(tǒng)上增加自動控制功能，不僅可以實現(xiàn)遠(yuǎn)控、集中控制，還能根據(jù)上、下游水位，實現(xiàn)過流量、閘位開度等閉環(huán)控制。由于閘門一般位置偏遠(yuǎn)，對能源供給、防塵防水、防盜防破壞的要求較高，近年來這方面也有大量研究，尤其是太陽能光伏供電技術(shù)已比較成熟，更是有力促進(jìn)了自動控制閘門的研究和應(yīng)用。

1.1 堰上水頭

堰上水頭指上游靜水位高出堰頂?shù)纳疃取＿^閘水流形態(tài)可分為：自由堰流、淹沒堰流、自由閘孔出流和淹沒閘孔出流4種。堰流和閘孔出流是2種不同的水流現(xiàn)象，它們的水流特征及過流能力也不相同。對于同一水閘，在某種條件下出流屬于堰流，在另外的條件下可能變?yōu)殚l孔出流，這種水流的轉(zhuǎn)化條件與閘孔的相對開度以及閘底坎、閘門的形式等有關(guān)。

對分水口而言，一方面期望上游來水盡量保證水位的穩(wěn)定，另一方面，期望下游配水流量盡量穩(wěn)定。分析堰流和孔流的流量公式可知，當(dāng)上游流量增加一倍時，堰前水位只增加1.6倍，而閘前水位卻需要增加4倍，因此，堰流具有很好的穩(wěn)定水位功能，而孔流具有很好的穩(wěn)定流量功能，理想的配置是節(jié)制閘采用堰流而配水閘采用孔流。但傳統(tǒng)的堰無法靈活調(diào)節(jié)堰頂高度，實際應(yīng)用中不得已仍采用閘代替堰。若能研發(fā)一種能夠調(diào)節(jié)堰高的閘門作為節(jié)制閘來改造現(xiàn)有的渠道輸配水系統(tǒng)，實際應(yīng)用中能夠產(chǎn)生堰流，則能實現(xiàn)最理想的堰閘配置取水模式，即可穩(wěn)定干支渠的輸水水位，也可穩(wěn)定支斗渠的取水流量。

1.2 閘門開度

閘位監(jiān)測點的選擇、閘位信息的采集和閘門開度控制方式選擇是閘門開度監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的主要任務(wù)。灌區(qū)水閘設(shè)置數(shù)量的確定取決于管理方式和投資規(guī)模，設(shè)置水閘建設(shè)點的順序一般是先骨干，后分支，也有按控制區(qū)域開展，沿某一渠系(如某一支渠)自上而下成片建設(shè)。因此，在選擇閘位監(jiān)測點時應(yīng)根據(jù)灌區(qū)工程運行的實際需要，合理規(guī)劃建設(shè)閘位信息采集點。通常在沿渠泄洪閘和節(jié)制閘所在位置布置控制點，以保證渠道的安全穩(wěn)定運行和水資源的合理調(diào)度。閘位信息的采集是通過閘位傳感器來實現(xiàn)。閘位傳感器安裝于閘門啟閉機上，當(dāng)閘門處于靜止?fàn)顟B(tài)時，定時采集閘位數(shù)據(jù)。當(dāng)對閘門進(jìn)行啟閉操作時，傳感器自動實時采集閘位數(shù)據(jù)。所采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)傳設(shè)備傳輸，實現(xiàn)閘位信息的自動監(jiān)測，并據(jù)此進(jìn)行閘門的遠(yuǎn)程操作。

閘門是否需要實行自動控制主要是根據(jù)其調(diào)節(jié)頻繁程度確定，是否要實行遠(yuǎn)程集中控制則需要根據(jù)控制對象的相互關(guān)聯(lián)程度確定。對于灌區(qū)而言，需要進(jìn)行自動控制或遠(yuǎn)程集中控制的閘門并不普遍，對其必要性應(yīng)逐個進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟論證和方案比較。實行遠(yuǎn)程集中控制時還必須對通信可靠性、安全措施以及相關(guān)職責(zé)等進(jìn)行具體分析和調(diào)整。無論采用何種控制方式，均應(yīng)符合現(xiàn)地優(yōu)先的原則，以確保安全運行。為了優(yōu)化配置水資源，灌區(qū)實行統(tǒng)一調(diào)度是必要的，但并不一定要實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制，實踐中可根據(jù)供水條件和需水要求，合理分配用水指標(biāo)和用水時段，根據(jù)運行情況統(tǒng)一下達(dá)調(diào)度指令，各級執(zhí)行機構(gòu)按照操作規(guī)程人工或自動執(zhí)行調(diào)度指令，調(diào)度部門通過適宜的技術(shù)手段監(jiān)視調(diào)度指令的執(zhí)行情況，并對執(zhí)行效果及時跟蹤反饋。

2 底升式測控一體化控水設(shè)備研發(fā)

2.1 研發(fā)目的

在渠道輸水灌溉過程中，通常采用閘門以孔流方式進(jìn)行泄水，而在泄水時，對于灌溉分水口而言，不僅期望來自干支渠的上游來水的水位盡可能保持穩(wěn)定，還期望去往支斗渠的下游配水的流量盡可能穩(wěn)定。因此，為了保證上游來水的水位以及下游配水的流量盡可能穩(wěn)定，理想的配置是上級渠道上宜采用能夠形成堰流的控水設(shè)備(如堰)，而下級渠道上宜采用能夠形成孔流的控水設(shè)備(如配水閘)。然而，傳統(tǒng)的堰多為固定在水渠或者河道中的泄水建筑物，其堰頂?shù)母叨纫话銥楣潭ú蛔兊?，如此難以確保上游來水水位的穩(wěn)定。因此，亟須提供一種可調(diào)節(jié)堰頂高度(簡稱堰高)的堰，對于穩(wěn)定來自干支渠的上游來水的水位，以及穩(wěn)定去往支斗渠的下游配水的流量具有十分重要的意義。

2.2 技術(shù)方案

2.2.1 結(jié)構(gòu)組成

底升式測控一體化控水設(shè)備如圖1所示，主要包括防水控制箱、閘板、閘板滑槽、門型閘框、埋藏式閘板箱和調(diào)節(jié)螺桿。

1-防水控制箱；2-閘板；201-安裝凸臺；202-限位臺；3-閘板滑槽；4-門型閘框；5-埋藏式閘板箱；6-調(diào)節(jié)螺桿圖1 底升式測控一體化控水設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，防水控制箱包括箱體、設(shè)置在箱體內(nèi)的電動機、電源、多模式閘板控制器、閘板開度儀、通訊模塊；防水控制箱的箱體通過不銹鋼板制備得到，并采用橡膠密封；電源用于對電動機、多模式閘板控制器、閘板開度儀以及通訊模塊提供電能；多模式閘板控制器內(nèi)置控制軟件、數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)計算軟件，用于控制電動機的運行，進(jìn)而控制閘板的運動；閘板開度儀用于獲取閘板的位置信息，并通過數(shù)據(jù)線傳輸至多模式閘板控制器進(jìn)行計算，并根據(jù)計算結(jié)果控制閘板的運動；通訊模塊用于與外界終端設(shè)備連接，用于數(shù)據(jù)通信。防水控制箱的箱體通過不銹鋼板制備得到，并采用橡膠密封。閘板為實心的不銹鋼板、鋁合金板或鎂合金板；閘板的厚度為3～10 cm，具體依據(jù)強度需要確定；高度超出水渠最大深度10～20 cm。閘板的上部沿寬度方向設(shè)置有一條安裝凸臺，閘板頂部設(shè)置有兩個具有通孔的限位臺；2個調(diào)節(jié)螺桿的下端穿過限位臺上的通孔后，焊接在安裝凸臺上。閘板滑槽中設(shè)置有橡膠層。閘板頂部和埋藏式閘板箱頂部包覆有防滲布。埋藏式閘板箱采用混凝土預(yù)制成型。

埋藏式閘板箱安裝在水渠的渠底以下的土層中，門型閘框下部固定在埋藏式閘板箱中，閘板滑槽固定在門型閘框相對的左右側(cè)壁上，閘板的左右兩側(cè)分別配合地插入閘板滑槽中。防水控制箱設(shè)置在門型閘框頂部，2個調(diào)節(jié)螺桿的一端連接防水控制箱，另一端連接閘板，防水控制箱通過驅(qū)動調(diào)節(jié)螺桿，帶動閘板在閘板滑槽中上下運動。當(dāng)閘板上升至最高點時，閘板的底部與水渠的渠底持平；桑閘板下降至最低點時，閘板的頂部與水渠的渠底持平。

2.2.2 工作方式

研發(fā)的底升式測控一體化控水設(shè)備，通過在水渠的渠底以下安裝埋藏式閘板箱，使得防水控制箱驅(qū)動調(diào)節(jié)螺桿帶動閘板在閘板滑槽中上下運動，當(dāng)閘板上升至最高點時，閘板的底部與水渠的渠底持平；當(dāng)閘板下降至最低點時，閘板的頂部與水渠的渠底持平。當(dāng)需要調(diào)節(jié)水位時，通過調(diào)節(jié)閘板的高度，使閘板的高度與水位的設(shè)定高度相一致，實現(xiàn)了堰高可調(diào)節(jié)的目的。當(dāng)不需要調(diào)節(jié)水位時，可將閘板下降至最低，使其置入渠底以下的埋藏式閘板箱，從而不會對水渠的正常輸水造成影響。此外，由于水中通常含有泥沙，當(dāng)調(diào)節(jié)水位時，泥沙將沉積到閘板前方，待不需要調(diào)節(jié)水位時，閘板置于埋藏式閘板箱中，其頂部與水渠的渠底持平，所沉積的泥沙能夠隨水流流向下游，同時還解決了傳統(tǒng)堰或閘泥沙淤積的問題?，F(xiàn)場應(yīng)用方式如圖2所示。

圖2 底升式測控一體化控水設(shè)備工作狀態(tài)

3 活頁式測控一體化控水設(shè)備研發(fā)

3.1 研發(fā)目的

如前所述，針對實際應(yīng)用中缺乏能夠調(diào)節(jié)堰頂高度的節(jié)制閘或堰，除上述底升式測控一體化控水設(shè)備外，還研制一種活頁式測控一體化控水設(shè)備，進(jìn)一步拓寬閘門的功能是十分必要的。

3.2 技術(shù)方案

3.2.1 結(jié)構(gòu)組成

活頁式測控一體化控水設(shè)備如圖3所示，主要包括防水控制箱、閘板、門型閘框、調(diào)節(jié)絲杠、萬向螺母和活頁。

1-防水控制箱；2-閘板；3-門型閘框；4-調(diào)節(jié)絲杠；5-萬向螺母；6-活頁；7-太陽能板；8-堰前水位計圖3 活頁式測控一體化控水設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

防水控制箱內(nèi)設(shè)置有電連接的電源和電動機，還包括：箱體、設(shè)置在箱體內(nèi)且與電源電連接的多模式閘板控制器、閘板開度儀、通訊模塊，以及設(shè)置在箱體內(nèi)且與電動機電連接的同步器、與同步器電連接的蝸輪蝸桿減速器；多模式閘板控制器內(nèi)置控制軟件、數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)計算軟件，用于控制電動機的運行，進(jìn)而控制閘板的運動；閘板開度儀用于獲取閘板的位置信息，并通過數(shù)據(jù)線傳輸至多模式閘板控制器進(jìn)行計算，并根據(jù)計算結(jié)果控制閘板的開度；通訊模塊用于與外界終端設(shè)備電連接，用于數(shù)據(jù)通信；同步器用于將電動機的驅(qū)動力同步地傳遞至蝸輪蝸桿減速器；蝸輪蝸桿減速器用于驅(qū)動調(diào)節(jié)絲杠在萬向螺母內(nèi)旋轉(zhuǎn)。防水控制箱的箱體通過不銹鋼板制備得到，且各連接處采用橡膠密封。

閘板為實心的不銹鋼板、鋁合金板或鎂合金板；閘板的厚度根據(jù)強度需求確定為3～10 cm，高度超出水渠最大深度10～20 cm。閘板表面鍍有一層耐銹蝕涂層。在水渠的渠底設(shè)置有與閘板的外輪廓結(jié)構(gòu)相一致的閘板安放槽，當(dāng)閘板轉(zhuǎn)動至水渠的渠底時，閘板位于閘板安放槽內(nèi)，且閘板的板面與水渠的渠底持平。閘板安放槽采用混凝土預(yù)制成型。

活頁式測控一體化控水設(shè)備還包括：與電源電連接的太陽能板以及設(shè)置在水渠中且位于閘板上游的堰前水位計，堰前水位計與多模式閘板控制器電連接，用于計量堰前水位信息并傳遞至多模式閘板控制器。

在門型閘框的位于底部、左側(cè)部和右側(cè)部的內(nèi)壁上設(shè)置有止水彈性件。

防水控制箱固定在門型閘框的頂部，門型閘框的下端固定在水渠兩側(cè)的渠堤上；閘板的底部通過活頁與門型閘框的底部可轉(zhuǎn)動連接，萬向螺母設(shè)置在閘板的頂部兩側(cè)，調(diào)節(jié)絲杠的上端與電動機連接，下端與萬向螺母螺紋連接；

電動機驅(qū)動調(diào)節(jié)絲杠在萬向螺母中旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動閘板以門型閘框的底部為軸在90°～180°之間轉(zhuǎn)動，當(dāng)閘板轉(zhuǎn)動至豎直狀態(tài)時，閘板與門型閘框的底部、左側(cè)壁和右側(cè)壁密封接觸，使水流被完全切斷；當(dāng)閘板轉(zhuǎn)動至水平狀態(tài)時，閘板平放于水渠的渠底。

3.2.2 工作方式

在電動機的驅(qū)動下，調(diào)節(jié)絲杠可在萬向螺母中旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動閘板以門型閘框的底部為底軸在0°～90°之間轉(zhuǎn)動。當(dāng)需要完全擋水時，使閘板由下自上轉(zhuǎn)動至閘板為豎直狀態(tài)，即閘板與水流方向成90°夾角，使活頁式測控一體化控水設(shè)備處于完全關(guān)閉狀態(tài)，此時閘板進(jìn)入門型閘框中，并和門型閘框的底部、左側(cè)壁和右側(cè)壁密封接觸，水渠中的水流將被活頁式測控一體化控水設(shè)備完全切斷，如圖4(a)所示。當(dāng)堰頂需要溢流時，且不苛求閘板兩側(cè)精確止水時(這是因為在頂面溢流的情況下閘板兩側(cè)精確止水的實際意義不大)，此時通過實際擋水需求，使閘板自上而下轉(zhuǎn)動特定的角度以對應(yīng)特定的開度，同時達(dá)到堰高可調(diào)的目的，進(jìn)而實現(xiàn)對水流流量的調(diào)節(jié)與控制，如圖4(b)和圖4(c)所示。當(dāng)閘板運動至水平狀態(tài)時，閘板將平放于水渠的渠底，此時閘板與水流方向成0°夾角，如圖4(d)所示，此時不僅可使水渠正常輸水，也便于將沉積在水渠渠底的泥沙隨水流排向下游?，F(xiàn)場應(yīng)用方式如圖4所示。絲杠連接有多種形式，圖4弧形框架連接為其中一種方式，實際應(yīng)用中可根據(jù)加工及生產(chǎn)條件合理選擇。

圖4 活頁式測控一體化控水設(shè)備工作狀態(tài)

4 結(jié) 語

(1)底升式測控一體化控水設(shè)備，通過在水渠的渠底以下安裝埋藏式閘板箱，使得防水控制箱驅(qū)動調(diào)節(jié)螺桿帶動閘板在閘板滑槽中上下運動，當(dāng)閘板上升至最高點時，閘板的底部與水渠的渠底持平；當(dāng)閘板下降至最低點時，閘板的頂部與水渠的渠底持平。當(dāng)需要調(diào)節(jié)水位時，通過調(diào)節(jié)閘板的高度，使閘板的高度與水位的設(shè)定高度相一致，實現(xiàn)了堰高可調(diào)節(jié)的目的。當(dāng)不需要調(diào)節(jié)水位時，可將閘板下降至最低，使其置入渠底以下的埋藏式閘板箱，從而不會對水渠的正常輸水造成影響。此外，由于水中通常含有泥沙，當(dāng)調(diào)節(jié)水位時，泥沙將沉積到閘板前方，待不需要調(diào)節(jié)水位時，閘板置于埋藏式閘板箱中，其頂部與水渠的渠底持平，所沉積的泥沙能夠隨水流流向下游，解決了傳統(tǒng)堰或閘泥沙淤積的問題。

(2)活頁式測控一體化控水設(shè)備，可在電動機的驅(qū)動下，使調(diào)節(jié)絲杠在萬向螺母中旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動閘板以門型閘框的底部為底軸在0°～90°之間轉(zhuǎn)動。當(dāng)需要完全擋水時，使閘板由下自上轉(zhuǎn)動至閘板為豎直狀態(tài)，即閘板與水流方向成90°夾角，使該水流控制堰處于完全關(guān)閉狀態(tài)，此時閘板進(jìn)入門型閘框中，并和門型閘框的底部、左側(cè)壁和右側(cè)壁密封接觸，水渠中的水流將被完全切斷；當(dāng)堰頂需要溢流時，實際上并不苛求閘板兩側(cè)精確止水，閘板自上而下轉(zhuǎn)動到特定的角度以對應(yīng)特定的開度，達(dá)到堰高可調(diào)的目的，進(jìn)而實現(xiàn)對水流流量的調(diào)節(jié)與控制。當(dāng)閘板運動至水平狀態(tài)時，閘板將平放于水渠的渠底，此時閘板與水流方向成0°夾角，不僅可使水渠正常輸水，也便于將沉積在水渠渠底的泥沙隨水流排向下游?；铐撌綔y控一體化控水設(shè)備，對傳統(tǒng)閘門止水理念進(jìn)行了創(chuàng)新，基于簡單的構(gòu)造實現(xiàn)堰高可調(diào)節(jié)，對于穩(wěn)定來自干支渠的上游來水的水位，以及穩(wěn)定去往支斗渠的下游配水的流量具有重要的意義。

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