本發(fā)明屬于水利工程的運行管理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多進沙口順序開閉的廊道自動排沙裝置。

背景技術(shù)：

我國西北部地區(qū)水資源短缺嚴重制約了經(jīng)濟和社會的發(fā)展。西北地區(qū)的黃河干支流、新疆的內(nèi)陸河流等的含沙量高、泥沙粒徑粗，對水庫和渠道等水利工程設(shè)施的有效運行和管理具有不利影響，如黃河三門峽水庫因運行初期就產(chǎn)生了嚴重的淤積，直接威脅到關(guān)中平原的安全而只能降低其設(shè)計功能；新疆地區(qū)的一些中小水庫可能在數(shù)年之內(nèi)就淤損失效；引水渠道也會因泥沙淤積而減少過流能力、清出的淤沙堆積而使耕地沙化。歷史上著名的引水工程“鄭國渠”從洛河引水，灌區(qū)農(nóng)業(yè)大發(fā)展，一度使秦國強盛而統(tǒng)一天下，但“鄭國渠”早已因泥沙淤積掩埋而蹤跡難覓。

長期以來，工程管理、設(shè)計及研究單位都致力于水庫渠道減淤、清淤措施的研究和探索，與本發(fā)明相關(guān)的沖沙洞和排沙廊道是常用的裝置。

沖沙洞：一些水庫設(shè)置沖沙洞排沙，如三峽水庫在主壩段設(shè)置了7個沖沙洞，在地下電廠壩段設(shè)置了3個沖沙洞。沖沙洞的進口高程一般高于初始河床的高程而低于需要其保護的電站或引水口的進口高程，隨著泥沙逐漸淤積，當淤積沙面快接近進水口高程時打開出口閘沖沙，沖沙水流的初始含沙量很高、其后逐漸減少。沖刷后一般為漏斗形，以沖沙洞進口底高程為起點，形成以水下動態(tài)休止角為邊坡的壩前沖刷漏斗，對保護進水口等有較好的效果。沖沙洞因其沖刷范圍有限，對大規(guī)模沖刷排沙、保持水庫的有效庫容等方面作用不大。

排沙廊道：譚培根的發(fā)明專利“自排沙廊道，專利號NIOIOO397OA”，提出了一種自排沙廊道。該專利由多條廊道平行布置，每條廊道的上部順序設(shè)置多個排沙機構(gòu)，在平面上形成網(wǎng)狀分布的排沙孔，多條廊道采用統(tǒng)一的出口閘集中控制。該專利重點在于排沙機構(gòu)的形狀和結(jié)構(gòu)的設(shè)計。對每個排沙機構(gòu)的作用水頭隨離出口閘的距離而變化的影響未加考慮，使得離出口閘越遠的排沙機構(gòu)的進流量越小，在運行過程中遠端的排沙機構(gòu)會被逐漸淤塞而影響排沙效果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)的不足之處，提供一種多進沙口順序開閉的廊道自動排沙裝置，本裝置運行時進沙口順序開閉，只有一個進沙口打開，保證輸沙廊道沿程的每個進沙口都具有相同的作用水頭，解決了遠端進沙口容易堵塞的關(guān)鍵問題；利用水庫落差自動排沙，節(jié)省能源，且結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟效益顯著。

本發(fā)明提出的一種多進沙口順序開閉的廊道自動排沙裝置，其特征在于,該裝置包括頂部設(shè)有多個進沙口的輸沙廊道、在每個進沙口下方設(shè)置的滑板、固定在每個滑板下方中部橫向?qū)ΨQ設(shè)置的觸發(fā)構(gòu)件、驅(qū)動滑板沿輸沙廊道縱向往復(fù)移動的牽引機構(gòu)、位于滑板兩側(cè)對稱設(shè)置的滑板復(fù)位裝置、出口閘；其中，輸沙廊道在水庫壩上游河床上開挖建造，輸沙廊道下游端與水庫大壩底相連，該端通過出口閘穿過水庫大壩底部，輸沙廊道的上游端封閉、位于水庫內(nèi)；滑板下方的四角對稱設(shè)有滾輪，滑板沿輸沙廊道縱向往復(fù)移動。

本發(fā)明的特點及效果：

在輸沙廊道進沙口的下方設(shè)置滑板，通過控制滑板的開閉，整個輸沙廊道的全部進沙口只有一個開啟，其余進沙口均關(guān)閉，使每個進沙口開啟時的作用水頭均相同，進口流速大致相等，解決了普通廊道遠端進沙口淤死的關(guān)鍵問題。利用水庫的落差自動排沙，不需要額外的動力；本裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、運行成本低廉，具有很好的社會效益和經(jīng)濟效益。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝置的整體布置縱向剖面示意圖。

圖2(a)是本發(fā)明裝置的橫斷面結(jié)構(gòu)示意圖，

圖2(b)是本發(fā)明裝置的縱剖面局部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明裝置的觸發(fā)構(gòu)件示意圖，其中：圖3(a)是滑板位于進沙口正下方、驅(qū)動球剛被卡住時觸發(fā)構(gòu)件的俯視結(jié)構(gòu)示意圖，圖3(b)是滑板全開、觸發(fā)構(gòu)件釋放驅(qū)動球時的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖3(c)是定位塊的俯視結(jié)構(gòu)示意圖，圖3(d)是定位塊的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；圖3(e)是伸縮桿的俯視結(jié)構(gòu)示意圖，圖3(f)是伸縮桿的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明裝置從下游開始順序開啟進沙口時滑塊復(fù)位裝置的工作狀態(tài)示意圖，其中：圖4(a)是第一個進沙口開啟時滑塊復(fù)位裝置的工作狀態(tài)示意圖，圖4(b)是第二個進沙口開啟時滑塊復(fù)位裝置的工作狀態(tài)示意圖，圖4(c)是第三個進沙口開啟時滑塊復(fù)位裝置的工作狀態(tài)示意圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖1～附圖4及實施例對本發(fā)明的一種多進沙口順序開閉的廊道自動排沙裝置進行詳細說明。為便于文字描述，約定沿輸沙廊道1的縱向為長度L、輸沙廊道1橫截面的橫向為寬度B、垂直向上為高度或厚度H，每個器件編號的尺寸則以上述字符加附圖中對應(yīng)的數(shù)字標記表示，如輸沙廊道1的長度為L1、寬度為B1；且約定按水流的流動方向分上下游，水流從上游流向下游，面向下游分左右岸。

本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)如圖1、2所示，本裝置包括頂部設(shè)有多個進沙口3的輸沙廊道1(輸沙廊道1的長度L1和凈寬度B1應(yīng)根據(jù)工程設(shè)計確定，如只需要壩前清淤，長度為100m數(shù)量級；如需要清除淤沙保持庫容，則要長達1000m的數(shù)量級)，在每個進沙口3下方設(shè)置的滑板4，在每個滑板4下方中部橫向?qū)ΨQ設(shè)置的觸發(fā)構(gòu)件6，驅(qū)動滑板4沿輸沙廊道1縱向往復(fù)移動的牽引機構(gòu)，位于滑板4兩側(cè)對稱設(shè)置的滑板復(fù)位裝置，以及出口閘Valve；其中，輸沙廊道1在水庫大壩上游的河床(圖1中UB為上游河床、DB為下游河床)上開挖建造，輸沙廊道1下游端與水庫大壩Dam底相連，該端通過出口閘Valve穿過水庫大壩底部，輸沙廊道1上游端封閉、位于水庫內(nèi)，在輸沙廊道1頂部有淤積泥沙(圖1中DS為淤積泥沙的上表面)；滑板4下方的四角對稱設(shè)有滾輪11，滑板4沿輸沙廊道1縱向往復(fù)移動。

所述輸沙廊道1的橫截面為上部矩形、下部梯形或半圓形的復(fù)合截面，如圖2(a)所示(圖2(a)為下部梯形的輸沙廊道1的橫截面)，該截面的形狀和尺寸沿輸沙廊道1縱向不變，輸沙廊道1的縱剖面如圖2(b)所示，圖中V表示水流的流動方向，箭頭指向下游；輸沙廊道1頂部平直蓋板2的上表面與河床表面齊平，蓋板2兩側(cè)凸出于輸沙廊道1側(cè)壁，與復(fù)合截面構(gòu)成封閉的輸沙廊道1，在平直蓋板2上沿輸沙廊道縱向按一定間距(進沙口的間距根據(jù)排沙需要進行設(shè)計)順序設(shè)置矩形進沙口3(長×寬：L3×B3)，每個進沙口3開啟時都具有相同的作用水頭；每個進沙口3下方對應(yīng)設(shè)置一個滑板4，滑板4的長度為進沙口3長度的1.2倍、寬度為進沙口3寬度的1.1倍(即L4×B4＝1.2L3×1.1B3)，保證能完全封閉進沙口3，本實施例中滑板4的寬度B4＝0.95B1，由此可計算出進沙口的寬度B3＝0.86B1；在輸沙廊道1內(nèi)兩側(cè)壁上按一定間距(具體尺寸應(yīng)保證滑軌12承載后不彎曲下垂)設(shè)有多個牛腿13，在牛腿13上安裝滑軌12，滑板4下方的滾輪11在滑軌12上往復(fù)移動；在每個進沙口3上游的輸沙廊道1兩側(cè)壁上布置正向觸發(fā)塊7(其俯視圖為梯形，較寬的邊位于上游)，其縱向位置離進沙口3中心為一個滑板4的長度；在每個進沙口3的輸沙廊道1兩側(cè)壁上布置與正向觸發(fā)塊7對稱設(shè)置的反向觸發(fā)塊27(其尺寸與正向觸發(fā)塊相同，較寬的邊位于下游)，其縱向位置位于進沙口3中心，所述兩種觸發(fā)塊的高度與觸發(fā)構(gòu)件6齊平，寬邊的寬度為0.02B1。

輸沙廊道1內(nèi)的最小流速應(yīng)大于泥沙的最大起動流速V_D，最大流速可取最小流速的2～3倍；其中，g為重力加速度，D為泥沙粒徑，H為運行總水頭(即水庫上游水位與出口閘Valve中心高程之差)。

所述牽引機構(gòu)包括兩個驅(qū)動球5、兩根牽引鋼纜8、四個定滑輪9以及卷揚機10；其中，兩個驅(qū)動球5嚴格平行，分別固定在兩根牽引鋼纜8上；四個定滑輪9成對的固定在輸沙廊道1的兩端，其高度與觸發(fā)構(gòu)件齊平；卷揚機10位于水庫大壩Dam頂部；牽引鋼纜8位于輸沙廊道1兩側(cè)，牽引鋼纜8先從水庫大壩頂部的卷揚機10繞過輸沙廊道下游端的定滑輪、依次穿過滑板4下方的觸發(fā)構(gòu)件、然后繞過輸沙廊道上游端的定滑輪折回、從滑板四角的滾輪11上方穿過、再從輸沙廊道下游端的定滑輪繞回到卷揚機10，最終形成長度不變、往復(fù)拉動驅(qū)動球5的環(huán)形牽引鋼纜8。

所述觸發(fā)構(gòu)件6橫向?qū)ΨQ固定在每個滑板4下方中部，其結(jié)構(gòu)如圖3(圖中只給出了位于滑板下方一側(cè)的觸發(fā)構(gòu)件，另一側(cè)未示意)，包括定位塊14、帶有滾輪19的伸縮桿17和壓力彈簧18；其中，定位塊14為矩形，固定在滑板4下方中部的一側(cè)，在靠近輸沙廊道側(cè)壁21處、定位塊14的外側(cè)比滑板4的外側(cè)縮進觸發(fā)塊寬邊的寬度，在定位塊上平面的中部橫向銑成倒T型槽(如圖3(c)、(d)中的14-1、14-2所示)，將壓力彈簧18放入T型槽的橫向內(nèi)側(cè)段14-1、伸縮桿17放入T型槽的橫向外側(cè)段14-2，伸縮桿17后端緊靠壓力彈簧18，然后將定位塊14的上平面與滑板的下平面鉚接，則滑板與14-1和14-2形成一個封閉的腔體，伸縮桿17和彈簧18可以在此腔體中橫向滑動；在定位塊14靠近沖沙廊道1側(cè)壁的一側(cè)縱向?qū)ΨQ設(shè)有大口向外的圓錐形喇叭孔15(如圖3(c)所示)，便于引導(dǎo)固定在牽引鋼纜8上的驅(qū)動球5順利進入，位于喇叭孔15縱向內(nèi)側(cè)設(shè)有剛好供驅(qū)動球5通過且與喇叭孔15同心的圓柱形孔16，圓柱形孔16的直徑等于喇叭孔15的小口直徑；伸縮桿17為橫向內(nèi)側(cè)段17-2和橫向外側(cè)段17-3構(gòu)成的倒T型，靠近輸沙廊道側(cè)壁21的桿端(即外側(cè)端)設(shè)有安裝滾輪19的凹槽19-2和輪軸孔17-1(如圖3(e)所示)，輪軸19-1插入輪軸孔17-1后鉚接，伸縮桿17中部設(shè)有剛好供驅(qū)動球5通過的圓柱形孔20，此孔中心的高度與定位塊14的喇叭孔15的中心齊平；牽引鋼纜8穿過定位塊14的喇叭孔15、圓柱形孔16以及伸縮桿17中部的圓柱形孔20。

根據(jù)滑板4與進沙口3相對位置的變化，觸發(fā)構(gòu)件6內(nèi)部構(gòu)件間的相對位置關(guān)系說明如下：

當滑板4位于進沙口3的正下方時(如圖3(a)所示)，進沙口3關(guān)閉，正向觸發(fā)塊7在滑板4的上游，反向觸發(fā)塊27縱向位于進沙口中心，驅(qū)動球5已進入定位塊14的喇叭孔15內(nèi)，伸縮桿17在壓力彈簧18的作用下向靠近側(cè)壁21的方向伸出，但其橫向外側(cè)段17-3緊靠定位塊14的T型槽的橫向中部段14-2而不會繼續(xù)外伸；伸縮桿17中部的圓柱形孔20與定位塊14中部的圓柱形孔16在橫向錯位(本實施例中錯位寬度為0.002B4)，卡住驅(qū)動球5，在牽引鋼纜8的作用下向上游方向拉動滑板4；

當滑板4離開進沙口3使之即將全開時(如圖3(b)所示)，伸縮桿17的外側(cè)端部滾輪19開始接觸正向觸發(fā)塊7，在正向觸發(fā)塊7斜面的擠壓下使伸縮桿17逐漸退回并反推壓力彈簧18，當伸縮桿17中部的圓柱形孔20與定位塊14的圓柱形孔16對齊時，驅(qū)動球5進入圓柱形孔20(本實施例中取正向觸發(fā)塊7斜面的坡度為2:1，則從伸縮桿17的外側(cè)端部滾輪19開始接觸正向觸發(fā)塊7至伸縮桿17中部的圓柱形孔20與定位塊14的圓柱形孔16對齊的長度為0.004B4)，滑板4停留在進沙口3全開的位置，進沙口排沙(參見圖1中的B位置；A位置的進沙口已完成排沙，頂部形成排沙漏斗，且該位置的滑板4已復(fù)位到關(guān)閉位置)；牽引鋼纜8則拉著驅(qū)動球5往下一個滑板4移動。

所述滑板復(fù)位裝置包括位于滑板兩側(cè)的多根聯(lián)動繩、與每根聯(lián)動繩配套設(shè)置且固定在輸沙廊道蓋板底部的定滑輪22(如圖2(a)、(b)所示)；其中，每根聯(lián)動繩的兩端繞過定滑輪22后，分別固定在相鄰的兩個滑板上，定滑輪22位于進沙口的下游斜側(cè)方，距進沙口下游端0.5L4的長度；當相鄰的兩個滑板均位于進沙口的正下方封閉兩個進沙口時，固定在所述兩個滑板之間的聯(lián)動繩處于松弛狀態(tài)。

圖4說明了用聯(lián)動繩將滑板4拉回至進沙口3關(guān)閉狀態(tài)的過程：

聯(lián)動繩23在滑板4的兩側(cè)對稱布置，圖中只畫出了一側(cè)布置的示意圖，另一側(cè)未示意。本裝置的初始工況為輸沙廊道1的全部進沙口3均用滑板4封閉，驅(qū)動球5位于水庫大壩前第一個進沙口3-1的下游方(圖4(a)的左側(cè))，兩側(cè)的驅(qū)動球5嚴格平行；開始排沙時打開出口閘Valve，啟動卷揚機10，牽引鋼纜8拉動驅(qū)動球5向上游(圖4(a)的右側(cè))移動，到第一個滑板4-1時驅(qū)動球5被卡住，拉動滑板4-1逐漸開啟進沙口3-1，同時拉動聯(lián)動繩23-1，并繞過定滑輪22拉緊聯(lián)動繩23-2；當滑板4-1到達進沙口3-1全開的位置時，聯(lián)動繩23亦剛好拉直，驅(qū)動球5也正好穿過伸縮桿17的圓柱形孔20繼續(xù)前行，滑板4-1則留在進沙口3-1全開的位置，見圖4(a)；牽引鋼纜8拉動驅(qū)動球5繼續(xù)向上游移動，到達第二個滑板4-2并將其拉開，同步拉長聯(lián)動繩24-1、拉緊聯(lián)動繩24-2；由于第一組聯(lián)動繩23原已拉緊，在第二塊滑板4-2向上游移動的同時，由于每根聯(lián)動繩的長度不變，聯(lián)動繩23被逆時針拉動，將第一塊滑板4-1拉回到封閉第一個進沙口3-1的位置，伸縮桿也在壓力彈簧18的作用下處于外伸的狀態(tài)，見圖4(b)；繼續(xù)相同的操作，進沙口3-3被打開，滑板4-2被拉回至封閉進沙口3-2的位置，聯(lián)動繩23恢復(fù)到松弛狀態(tài)，聯(lián)動繩25則被拉緊，見圖4(c)。

牽引鋼纜8拉動驅(qū)動球5往水庫上游方向移動，依次打開各個進沙口3，始終保持只有一個進沙口3開啟排沙，其余進沙口3均在聯(lián)動繩反拉的作用下復(fù)位關(guān)閉，解決了普通輸沙廊道1遠端進沙口3淤死的關(guān)鍵問題。

當驅(qū)動球5到達輸沙廊道1上游端開啟最遠一個進沙口4后，驅(qū)動球5穿過最遠一個滑板4的觸發(fā)構(gòu)件；在輸沙廊道1上游端蓋板2的下方正中安裝一個壓力彈簧28(如圖1所示)，當觸發(fā)構(gòu)件釋放驅(qū)動球5后，該壓力彈簧28將滑板4向下游反推一個微小距離，使伸縮桿17的桿端滾輪脫離正向觸發(fā)塊7，伸縮桿17回復(fù)到外伸狀態(tài)；卷揚機10反向運轉(zhuǎn)往回拉動驅(qū)動球5，驅(qū)動球5被輸沙廊道上游端滑板4的觸發(fā)構(gòu)件卡住后將滑板拉回至輸沙廊道上游端進沙口3的正下方，同時反向觸發(fā)塊27擠壓伸縮桿17，釋放驅(qū)動球5，輸沙廊道上游端滑板4停留在上游端進沙口3的正下方將其封閉，繼續(xù)往下游拉動驅(qū)動球5，由于滑板4復(fù)位時，伸縮桿17已外伸，其中部圓柱形孔20與定位塊14的圓柱形孔16錯位，回拉驅(qū)動球5至進沙口3的中心位置時被卡住，同時伸縮桿17的外側(cè)端部滾輪19亦接觸反向觸發(fā)塊27，在反向觸發(fā)塊27斜面的擠壓下使伸縮桿17逐漸退回，當伸縮桿17中部的圓柱形孔20與定位塊14的圓柱形孔16對齊時，驅(qū)動球5穿過觸發(fā)構(gòu)件繼續(xù)往下游移動，滑板4則停留在進沙口3偏下游(0.004B4)的位置，由于滑板4的長度為1.2倍的進沙口3的長度(B4＝1.2B3)，偏下游(0.004B4)同樣可以完全封閉其對應(yīng)的進沙口3。驅(qū)動球5逐一穿過每個滑板的觸發(fā)構(gòu)件，驅(qū)動球5最后回到壩前的位置，等待下一次排沙。

每個進沙口3的排沙時間由排沙效果而定，當進沙口3上方淤積的泥沙基本排出、排沙水流的含沙量明顯降低時即交換至下一個進沙口3排沙。每個進沙口3的排沙時間大致為驅(qū)動球5在兩個進沙口3之間的移動時間，可以調(diào)節(jié)卷揚機10的速度來控制；如單個進沙口3需要的排沙時間較長，也可以在驅(qū)動球5位于兩個進沙口3之間時停留一定時間。

在本實施例中，設(shè)計輸沙廊道1(圖2)的上口凈寬B1＝1.6m、矩形高0.7m、梯形高1.0m、底寬0.6m，過水面積2.22m²、輸沙廊道內(nèi)流速2.50m/s，排沙流量5.55m³/s，進沙口3的寬度B3＝0.86B1＝1.38m、長度取L3＝1.6m，進沙口3的進口面積為2.20m²，由此可以計算滑板4的尺寸，寬度B4＝1.1B3＝1.52m，長度L4＝1.2L3＝1.92m。設(shè)每個進沙口3的間距20m、布置50個進沙口，可以清除水庫內(nèi)1000m范圍內(nèi)淤積的泥沙。

本裝置適合于長條形的水庫。如在水庫建設(shè)時在水庫床面上同步建設(shè)本發(fā)明的排沙裝置，當設(shè)計死庫容的淤沙厚度為20m，淤積泥沙的水下動休止角為30度，在一定的淤積厚度時及時排沙，則排沙的有效寬度可維持在70m左右。

對于大型水庫，可以在壩前布置多套獨立的裝置，如三峽右岸地下電廠已建造了3條沖沙洞，可以將沖沙洞的進口閘做為本裝置的出口閘，實現(xiàn)向水庫內(nèi)縱深延續(xù)沖沙的目標。