一种可控制水库分层取水的柔性浮体坝及分层取水方法

技术领域

 本发明涉及水力学及水工建筑物，特别是一种可控制水库分层取水的柔性浮体坝及分层取水方法。

背景技术

目前水电工程项目飞速发展，高坝水库工程明显增多。虽然高坝水库在防洪、发电、灌溉等各方面的利用效果显著，但也随之造成了一些生态问题。其中最为突出的是高坝库区的深水低温对鱼类栖息地环境造成的影响。高坝库区因坝体高，坝前库区水位深（有些可达200-300m），使得表层水体与深层水体间温差较大。然而，一般坝体电站取水口据水面有一定距离，造成电站所取水体温度较低，致使下游河道水温过低。对于下游河道水体中的鱼群及其他生物群体，低温环境致使其存活数量有所下降。为此，需采用一定的工程措施，实现电站的分层取水，使得电站使用上层温度较高水体进行发电，以保证下游水生生物的正常生存环境。

目前分层取水工程中采用最多的水工建筑物是叠梁门。所谓叠梁门是基于水库水位及水温的基本要求，采用一层一层叠置梁门的方法取得所需水位下的表层水体。对于叠梁门而言，一般在工程设计阶段就有所考虑，为整体水库工程的分项工程，且在水库蓄水之前即已施工完成。而对于已投入运行但未设置叠梁门的电站，如若重新设置叠梁门以实现分层取水的目的，则需针对其具体工程重新设计与建造叠梁门，且在建造过程当中需将水库放空才可完成施工。这样，不但会耗费较高的叠梁门建设费用，而且在施工过程中水库的放空会造成发电电量与灌溉用水的巨大经济损失。为此，本发明提出一种新型的水工柔性浮体坝，该浮体坝在实现不同水位分层取水的前提下，施工的适应环境范围更广，蓄水、无水环境均能施工，从而保证了水库运行的经济效益。此外，该浮体坝的建造费用极低，施工周期短，且构造简单，易于实现。

发明内容

本发明针对上述存在问题，提供一种可控制水库分层取水的柔性浮体坝及分层取水方法，该浮体坝施工的适应环境范围广，蓄水、无水环境均可施工，建设费用低，施工周期短，设计简单，便于更换，经济性好，灵活性强，经济及技术效果显著。

本发明的技术方案：

一种可控制水库分层取水的柔性浮体坝，由底部反力锚、拉力锚索、气浮舱、气浮舱配重、多层无纺土工布及连接轴承构成，底部反力锚为附配重的钢筋混凝土筒形基础或钢材单一钢材配重体，其中附配重钢筋混凝土筒形基础用于库底有较深淤泥层的水电站库区，而单一钢材配重体用于库底有浅层淤泥层或无淤泥层的水电站库区；拉力锚索为钢制材料，拉力锚索下端部埋入底部反力锚中并与底部反力锚固定连接，气浮舱与底部反力锚之间的拉力锚索包裹3-10层无纺土工布以阻止库区中部深层水体进入发电坝体段上的的电站进水口；上下串联的3-8个气浮舱设于拉力锚索的顶部并通过连接轴承将各个气浮舱固定于拉力锚索上，球形气浮舱由橡胶材料制成，其尺寸大小需要满足升力与底部反力锚稳定的要求，气浮舱侧边设有配重以保证气浮舱排出气体后可沉入水中；底部反力锚、无纺土工布拉力锚索及气浮舱的横向布置数量依据发电坝体段长度确定并保证浮体坝横向宽度大于发电坝体段坝轴线长度以降低库区边部深层水体入流影响。

一种所述可控制水库分层取水的柔性浮体坝的分层取水方法，步骤如下：

1）开启进水口闸门，水体流动使得柔性浮体坝向发电坝体方向整体倾斜；

2）调整气浮舱内部气体体积与电站进水口的水流流速，使拉力锚索及多层无纺土工布与水平面间成最佳角度40-80°，以使在取得表层水体的同时浮体坝并不阻碍水体入流流道；

3）当库区水位下降过大，则排空部分气浮舱内部气体，使其因气浮舱配重而垂吊于其他气浮舱外侧，以降低浮体坝整体高度，满足低水位条件下的分层取水要求；

4）当库区水位再次上涨后，将放空的气浮舱充入气体，以升高浮体坝的整体高度，达到高水位下的分层取水要求。

一种所述可控制水库分层取水的柔性浮体坝的具体施工方法，步骤如下：

1）在近岸完成底部反力锚、拉力锚索、气浮舱、气浮舱配重、多层无纺土工布和联接轴承的预制工作；

2）将气浮舱内冲入气体以满足漂浮要求；

3）将整体预制结构吊装至预定位置，开始下沉底部反力锚；

4）随底部反力锚稳步下沉，拉力锚索、气浮舱、气浮舱配重、多层无纺土工布和联接轴承稳步进入水体中；

5）对于库底有较深淤泥层的库区，底部反力锚下部为筒形结构，将底部反力锚沉放至库底后，再依靠底部反力锚自重将筒形结构沉入淤泥层中，以增强浮体坝的整体抗拔能力；

6）对于库底淤泥层较浅或无淤泥层的库区，底部反力锚为单一配重体，依靠自重将底部反力锚1沉放至库底；

7）调平气浮舱，最终完成施工作业。

本发明的有益效果是：

该柔性浮体坝依靠气浮舱与多层无纺土工布进行挡水作业，通过调节浮体坝的倾斜角度以及气浮舱的充气数与充气量灵活的调整浮体坝的高度，从而完成不同水位条件下分层取水工作；该浮体坝相对于传统叠梁门而言，其建设环境要求低，库区蓄水及无水环境下均可施工作业；该浮体坝的结构简单，构件的设计与制造均易于实施，浮体坝的整体造价很低，仅为传统叠梁门的10-20%，而且施工周期短、构件更换方便及维护费用低，具有显著的经济效益。

附图说明

图1为该柔性浮体坝横剖面图。

图2为该柔性浮体坝局部放大俯视图。

图3为该柔性浮体坝不同水位取水示意图。

图4为该柔性浮体坝施工过程示意图。

图中 1.底部反力锚    2.拉力锚索   3.气浮舱   4.气浮舱配重

5.多层无纺土工布   6.连接轴承  7.淤泥层   8.发电坝体段  9.电站进水口。

具体实施方式

实施例：

一种可控制水库分层取水的柔性浮体坝，如图1-2所示，由底部反力锚1、拉力锚索2、气浮舱3、气浮舱配重4、多层无纺土工布5及连接轴承6构成，底部反力锚1为附配重的钢筋混凝土筒形基础或钢材单一钢材配重体，其中附配重钢筋混凝土筒形基础用于库底有较深淤泥层7的水电站库区，而单一钢材配重体用于库底有浅层淤泥层7或无淤泥层7的水电站库区；拉力锚索2为钢制材料，拉力锚索2下端部埋入底部反力锚1中并与底部反力锚1固定连接，气浮舱3与底部反力锚1之间的拉力锚索2包裹五层无纺土工布5以阻止库区中部深层水体进入发电坝体段8上的的电站进水口9；上下串联的四个气浮舱3设于拉力锚索2的顶部并通过连接轴承6将各个气浮舱2固定于拉力锚索2上，圆筒形气浮舱3由橡胶材料制成，其尺寸大小需要满足升力与底部反力锚1稳定的要求，气浮舱3侧边设有配重4以保证气浮舱3排出气体后可沉入水中；底部反力锚1、无纺土工布拉力锚索及气浮舱3的横向布置数量依据发电坝体段8长度确定并保证浮体坝横向宽度大于发电坝体段8坝轴线长度以降低库区边部深层水体入流影响。

该实施例中，实施工程为混凝土重力坝结构，坝轴线总长1000m，坝高100m，发电坝体段长100m；库区最高水位90m，最低水位60m，水位变化范围30m；电站进水口9数量2个，其顶部距发电坝体段8顶部50m；库底有淤泥层7，厚度7m。底部反力锚1为五个，采用附配重的钢筋混凝土筒形基础，筒形基础直径15m、筒深5m、配重重量2000t；拉力锚索2为五条，长80m、直径3cm；圆筒形气浮舱3每组四个，为橡胶结构，直径5m、高度50m；气浮舱配重4为长条形，单个配重重量为2t。

一种所述可控制水库分层取水的柔性浮体坝的分层取水方法，如图3所示

步骤如下：

1）开启进水口闸门，水体流动使得柔性浮体坝向发电坝体8方向整体倾斜；2）调整气浮舱3A、3B、3C、3D内部气体体积与电站进水口9的水流流速，使拉力锚索2及多层无纺土工布5与水平面间成最佳角度60°，以使得在取得表层水体的同时浮体坝并不阻碍水体入流流道；3）当库区水位下降至70m，可排空一个气浮舱3A内部气体，使其因气浮舱配重4A而垂吊于其他气浮舱3外侧，以降低浮体坝整体高度，满足低水位条件下的分层取水要求；4）当库区水位再次上涨到原位后，将放空的气浮舱3A重新充入气体，同时调整气浮舱3A、3B、3C、3D内部气体，以升高浮体坝的整体高度，达到高水位下的分层取水要求。

一种所述可控制水库分层取水的柔性浮体坝的具体施工方法，如图4所示，步骤如下：

1）在近岸完成底部反力锚1、拉力锚索2、气浮舱3、气浮舱配重4、多层无纺土工布5、联接轴承6的预制工作；2）将气浮舱3内冲入气体，满足漂浮要求；3）将整体预制结构吊装至预定位置，开始下沉底部反力锚1；4）随底部反力锚1稳步下沉，拉力锚索2、气浮舱3、气浮舱配重4、多层无纺土工布5、联接轴承6稳步进入水体中；5）将底部反力锚1沉放至库底后，依靠底部反力锚1自重将其筒形结构沉入淤泥层7中；6）调平气浮舱3，最终完成施工作业。

浮体坝的形式多样，除上述实施例外，类似形式的浮体坝及其分层取水的方法也均属于本专利的保护范围。