專利名稱：壩堰結(jié)構(gòu)用的溢洪道的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壩和類似結(jié)構(gòu)用的溢洪道，它包括一個(gè)溢流檻，其檻頂設(shè)定在第一預(yù)定水位，該水位低于與設(shè)計(jì)水壩用的最大蓄水水位相對(duì)應(yīng)的第二預(yù)定水位，該第一和第二水位之差相當(dāng)于設(shè)計(jì)用的洪水位和溢流檻上的活動(dòng)式水位升高裝置的最大預(yù)定排水量。
當(dāng)前，實(shí)踐中外溢水壩是這樣設(shè)計(jì)和建造的，它們能在洪水狀態(tài)下(如百年不遇的洪水)使用，即在洪水漫涌時(shí)在壩檻上產(chǎn)生非常高的水頭(溢流檻處水深范圍是1m至5m)。
對(duì)于一個(gè)已知的泄洪量來說，自流式溢洪道對(duì)水文不定性方面(對(duì)水壩來講是最重要的危險(xiǎn)之一)比閘門泄水提供更大安全性。
與此優(yōu)點(diǎn)相比，一個(gè)完整的自流式溢洪道采用與溢流檻最大水頭水量相當(dāng)?shù)挠行钏渴遣唤?jīng)濟(jì)的，即，水位差介于上述兩個(gè)預(yù)定水位之間。蓄水量的損失因而會(huì)占總有效蓄水量的相當(dāng)大的百分比(等于、甚至大于50%)，對(duì)小到中等規(guī)模的水壩尤其如此。
本發(fā)明打算解決的問題，可以概括為以下兩個(gè)主要目標(biāo)，它們可以單獨(dú)地或綜合地實(shí)現(xiàn)。
1)在近似永久性基礎(chǔ)上，增大具有自流式溢洪道水壩的蓄水量。
2)通過允許大洪水暢通無阻地流過，使自流溢洪道的固有特點(diǎn)的運(yùn)行安全性和可靠性得到保持和(或)增加，同時(shí)容許小的或中等洪水溢出，無需外部作用或?qū)ΜF(xiàn)有結(jié)構(gòu)作任何重大變更。
對(duì)于增大水庫蓄水量已經(jīng)提出并廣泛采用了多種方法。最基本的由閘門系統(tǒng)組成，在閘門關(guān)閉時(shí)為防止水流超過壩檻。有各種閘門如自動(dòng)的或手動(dòng)操作的，通用的或充氣的閘門一般都得很高的投資費(fèi)用并且需要例行保養(yǎng)和定期檢查。它們還要求不斷的人工監(jiān)督或經(jīng)常的花費(fèi)以及由水庫水位的控制的復(fù)雜的自動(dòng)系統(tǒng)，但這也決不會(huì)完全擺脫出故障的危險(xiǎn)。最終，對(duì)于已知的泄流能力來說，閘門泄流工作的安全性和可靠性都不如自流式(無閘門)溢洪道。
臨時(shí)增大水庫蓄水量的手段有采用沙袋或泄水閘板，但它們的實(shí)用性有限而且由于在每次河流洪峰到達(dá)之前需要大量人力，因而會(huì)招致很大危險(xiǎn)。
有些大型堤壩設(shè)置有“保險(xiǎn)堤段”，這些保險(xiǎn)堤段以低于主壩的壩頂高程為頂點(diǎn)，當(dāng)一股非常大的洪水使上游水位造成較大危險(xiǎn)時(shí)，通過沖刷掉堤段的組成材料使其投入使用。這種保險(xiǎn)堤用來防止大洪水無控制的災(zāi)害性外溢超過主壩，通過把洪水的作用集中在專備用在由侵蝕沖刷掉的堤段上，從而提供了額外的泄流能力。一旦保險(xiǎn)堤段被沖毀，那末，在水壩恢復(fù)能正常使用前，必須作大量修復(fù)工作。
就本申請(qǐng)人所知，看來目前還沒有令人滿意地辦法來實(shí)現(xiàn)上述使用簡便并且花費(fèi)適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)。
按照本發(fā)明，上述問題可以這樣解決，水位升高裝置包括至少一個(gè)座落在溢洪道檻上并且靠重力固定就位的剛性沉重構(gòu)件，該構(gòu)件具有預(yù)定高度，此高度低于第一和第二預(yù)定水位間的差，而且對(duì)一個(gè)基本與第二或最大水位相等的上游水位來說此高度相當(dāng)于小于最大預(yù)定泄流量的平均洪水，該構(gòu)件的大小和重量是這樣的，由上游水施加在構(gòu)件上的力的力矩達(dá)到等于保持使構(gòu)件在壩檻上就位的重力的力矩，則在上游水達(dá)到高于構(gòu)件頂部但低于第二預(yù)定水位的第三預(yù)定水位時(shí)，必然使該構(gòu)件搖動(dòng)。
在這種狀態(tài)下，顯然水壩的蓄水量增大了相當(dāng)于水位升高構(gòu)件高度的水量。該構(gòu)件能以比閘門更低廉的成本進(jìn)行制造而且如果將這些構(gòu)件安裝在現(xiàn)有水壩的壩檻上，不需要對(duì)其作任何大變動(dòng)，下文將加以敘述。還很清楚的是在中等規(guī)模的洪汛期間，只要上游水沒有達(dá)到所述第三預(yù)定水位，實(shí)踐中，該水位可被設(shè)定成等于或略低于上述第二預(yù)定水位(即最大水位或最大水庫水位)，那么水就能溢出這些構(gòu)件，以便不破壞構(gòu)件泄掉洪水，而且也不會(huì)減少水壩中已增大的蓄水量。在大洪水期間，上游水達(dá)到上述第三預(yù)定水位，這些構(gòu)件被搖動(dòng)和拍打僅單獨(dú)受到水負(fù)荷的作用而無外部影響，因此使溢洪道恢復(fù)到其充分泄流量，該泄流量由水壩設(shè)計(jì)的壩檻上的水頭決定。
盡管理論上講并非必需，一種預(yù)定高度的墩座最好設(shè)置在溢流檻的下游側(cè)底腳處而且在水位升高構(gòu)件的下游側(cè)。用以防止溢流檻上的該構(gòu)件向下游滑動(dòng)，但當(dāng)上游水位到達(dá)上述第三預(yù)定水位時(shí)則不能阻止該構(gòu)件從墩座上傾覆。當(dāng)然，墩座高度將在下面對(duì)確定構(gòu)件大小和重量的說明中給與考慮。
在溢流檻和構(gòu)件底部之間靠近該底部的上游邊緣可以設(shè)置一種密封件。然而，若構(gòu)件與溢流檻之間的泄漏很小而且該構(gòu)件所座落的溢流檻區(qū)域相當(dāng)干燥，這種密封就不是絕對(duì)需要，因此，如果不設(shè)置密封在上述構(gòu)件下方顯然也不會(huì)產(chǎn)生浮托(壓)力。如下文將說明的，為了在需要排泄掉大洪水時(shí)加速上述構(gòu)件的搖動(dòng)和傾覆，可設(shè)置裝置使其自動(dòng)在上述構(gòu)件下方產(chǎn)生浮托力。
本發(fā)明可應(yīng)用于現(xiàn)有的以及正在建造的水壩溢洪道的溢流檻上。第一種情況下，最好把現(xiàn)有溢流檻頂部截低到低于上述第一預(yù)定水位并把水位升高構(gòu)件就位在已截低的溢流檻上。在此情況下，水壩的蓄水量可以保持與壩檻截低之前的容積相同，或者被增大，這取決于構(gòu)件的高度是否為這樣的，它們的頂部齊平或者高于上述第一預(yù)定水位但低于上述第三預(yù)定水位。盡管構(gòu)件的高度在上述限定內(nèi)容以內(nèi)，但比用不截低的溢流檻更安全，因?yàn)橐缌鳈懕唤氐蜁r(shí)這些構(gòu)件翻倒后獲得的自由通道變深，于是該溢洪道能排泄比原設(shè)計(jì)泄洪量還大的洪水。
在設(shè)計(jì)一座新水壩中，第一和第二預(yù)定水位之間的水位差可以增加些(這也增加了安全性)而不降低蓄水量，因?yàn)橥ㄟ^設(shè)置一個(gè)或多個(gè)上述的水位升高構(gòu)件可以不減小安全性使蓄水量不變或者增大。
如果設(shè)置二個(gè)以上的構(gòu)件，那么一個(gè)或一組構(gòu)件可以被設(shè)計(jì)成能在比另一個(gè)或另一組件低的預(yù)定上游水位傾覆，而該另一個(gè)或另一組構(gòu)件本身也設(shè)計(jì)成能在比第三個(gè)或第三組構(gòu)件低的上游水位翻倒，依此類推。按此方式，如果需要，則可以進(jìn)一步增加泄流量以便適合河流洪水的規(guī)模。
如果大洪水已將一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件沖翻倒和沖走，那末在洪水退落以后可方便而花費(fèi)低廉地?fù)Q上新構(gòu)件無需作任何大修。
本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)可從下面僅作為舉例并結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的各實(shí)施例的說明過程中看出，附圖中

圖1是一個(gè)具有自流式溢洪道的水壩結(jié)構(gòu)的透視圖，該溢洪道可應(yīng)用于本發(fā)明;
圖2a和2b是圖1中所示水壩的自流溢洪道檻頂部的大尺寸垂直斷面圖，用以表示了兩種不同上游水位;
圖3是圖1所示溢洪道從下游側(cè)看過去的立視圖，并且設(shè)置了本發(fā)明的水位升高裝置;
圖4是圖3所示溢洪道的平面視圖。
圖5a至5e是垂直剖面圖，圖示出發(fā)明的水位升高裝置在排泄河流洪水之前，之中和之后的作用方式;
圖6是本發(fā)明使用時(shí)作用在水位升高構(gòu)件上的力的圖解表示;
圖7是表示在溢流檻上的推力和阻力與水頭的關(guān)系曲線，以及溢洪道流量與溢出的水舌厚度的關(guān)系曲線;
圖8a至8c是本發(fā)明用于不同高度的水位升高構(gòu)件(圖8a和8b)和已知的自流式溢流(圖8c)情況下最大水舌厚度相對(duì)比的橫斷面圖。
圖9是一橫斷面圖，表示加有推倒構(gòu)件的起動(dòng)裝置的本發(fā)明的水位升高構(gòu)件。
圖10a至10c是裝在圖9中所示的起動(dòng)裝置頂端的各種保護(hù)裝置的放大視圖。
圖11a至11g是本發(fā)明的水位升高構(gòu)件的各種可能實(shí)施例的透視圖。
圖12至14是本發(fā)明的水位升高構(gòu)件其他可能變形的垂直斷面圖。
圖15是圖14中所示構(gòu)件一個(gè)細(xì)部透視圖。
圖1中所示的結(jié)構(gòu)1可以是土壩或石壩，混凝土壩或混凝土塊砌壩。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，發(fā)明不限制在圖1所示類型的壩，而是相反，可應(yīng)用于任何形式的具有自流溢洪道的已知壩中。
圖1中，標(biāo)號(hào)2表示壩頂，標(biāo)號(hào)3為下游壩面，4為上游壩面，5是指溢洪道，6是溢洪道5的溢流檻，7為排水渠。溢洪道5可以定位在水壩1的中段或在該壩的一端或開在河的堤岸上均不影響本發(fā)明的應(yīng)用。
在一座具有自流溢洪道的水壩上，當(dāng)其投入使用時(shí)(同樣見圖2a)被稱作充滿水位的水位RN由溢流檻6的檻頂8決定。水位RN的高度決定了最大庫存蓄水量，也就是可由該壩所蓄欄的最大水容積。溢洪道頂8與壩頂2之間的垂直距離R，稱作出水高度(超高)，是兩項(xiàng)高度之和，即升高量h1，它是當(dāng)溢洪道排泄為此設(shè)計(jì)的最大泄流量時(shí)(圖2b)，由于河流洪水的到達(dá)使上游水位上升到最高洪水水位RN或最大水位PHE所上升的高度;另一項(xiàng)高度h2是克服在RM處水面的振動(dòng)(波浪、波動(dòng)等)以便保護(hù)壩頂2的高度。
在一座具有類似圖1所示結(jié)構(gòu)的自流式溢洪道的通常水壩中，充滿水位RN與最大水位RM之間的并未蓄有水量而是被消耗。因此，本發(fā)明的一個(gè)用途是在(接)近永久性基礎(chǔ)上升高水庫的充滿水位，從而增大水庫蓄水量，必須排泄大洪水時(shí)除外。
為此目的，本發(fā)明包含一種就位在溢流檻6上的水位升高裝置10，它包括至少一個(gè)構(gòu)件11，例如圖3和4中所示出的五個(gè)構(gòu)件11a-11e。水位升高裝置10或其構(gòu)件11能夠靠重力作用承受住不會(huì)由中等的外溢(排放更頻繁的洪水)產(chǎn)生的水頭而使其破裂，但在相應(yīng)于比最大水位RM低的水位N的預(yù)定水頭下就翻倒而決口并能使最大洪水泄流。
水位升高裝置中構(gòu)件11的數(shù)目不限于圖3和4中所示的五個(gè)，而是適合溢洪道5的長度(沿水壩縱長方向計(jì)算)可多可少。構(gòu)件數(shù)目最好這樣選定，使其具有便于該構(gòu)件的安裝和更換的小的單位重量。
每個(gè)水位升高構(gòu)件11設(shè)定在溢洪道檻6上并靠重力固定就位。每個(gè)構(gòu)件11在其下游底腳處最好用一個(gè)墩座12擋住而不致滑向下游。墩座12可按圖5a中舉例所示進(jìn)入溢流檻6中并且可按圖3和圖4中所示間隔開的。但如果需要，墩座12可以是連續(xù)的。如下文將說明的，墩座12的高度為預(yù)定，但也可根據(jù)與其有關(guān)的負(fù)荷和需要使每一構(gòu)件11開始翻倒的上游水位而變化。
正如圖4中所示，在每個(gè)水位升高裝置10的各端，該裝置與溢洪道5的導(dǎo)流堤14之間，設(shè)置了一種橡膠密封件13。當(dāng)水位升高裝置10是用多于一個(gè)的構(gòu)件11組成時(shí)，如圖4所示，相鄰的構(gòu)件11的豎直側(cè)面之間也設(shè)有密封件13。溢洪道檻6和水位升高構(gòu)件11的下部接近上游的邊緣16之間也設(shè)有另一密封件15，如圖4和圖5a所示例。雖然圖5c顯示的密封件15固定在水位升高構(gòu)件11上，但該密封件同樣也可裝在溢流檻6中的槽內(nèi)。如圖4中所示，當(dāng)設(shè)有密封件15時(shí)，密封件13和15安排在相同的垂直平面內(nèi)。為了在正常條件下，使水位升高裝置10下面的區(qū)域保持干燥并防止作用在構(gòu)件11上的浮托力，可以在溢洪道檻6中以已知方式另外裝入一個(gè)排水系統(tǒng)或者以該排水系統(tǒng)取代密封件15。
如圖5a中所示，本發(fā)明的水位升高裝置10把水庫的充滿水位RN提高到相應(yīng)于溢流檻6上方水位升高裝置10的高度的水位RN′，RN是沒有水位升高裝置10時(shí)溢洪道檻頂?shù)臉?biāo)高。正如下面將要說明的，每個(gè)水位升高構(gòu)件11被設(shè)計(jì)成在水負(fù)荷未超過由預(yù)定水位N產(chǎn)生的水頭的條件下是自身穩(wěn)定的，該預(yù)定水位低于最大水位RM。如果該預(yù)定水位N等于RM，那末在小到中等規(guī)模的洪水期間只要水位保持在RM之下，而且RN′與RM之間多余的水漫溢過水位升高裝置10，如圖5b所示，該裝置不會(huì)被沖走。洪水退潮之后，上游水位回落到RN′或者一個(gè)較低的水位，如果從水庫抽水的話。
然而，在上述環(huán)境下上游水位達(dá)到了等于或略低于RM的預(yù)定水位N，萬一一股大洪水或異常的洪水到達(dá)，至少一個(gè)構(gòu)成水位升高裝置10的構(gòu)件11受到水壓力而搖動(dòng)并如圖5c所示繞墩座12轉(zhuǎn)動(dòng)，已翻倒的構(gòu)件11被洪水推出并至少也被攜帶到溢洪道5底部，從而能排泄最大的洪水。一次將水位升高裝置10沖翻的大洪水退水之后，在溢流檻6處的狀態(tài)如圖5d中所示，上游水位已經(jīng)返回到RN或更低。必要時(shí)可以裝入少量總在現(xiàn)場存放的備用構(gòu)件11使得水位升高裝10保持完好，并因此而恢復(fù)到高的充滿水位RN′如圖5e所示。應(yīng)強(qiáng)調(diào)，若未能更換任何構(gòu)件，大洪水將至少一個(gè)構(gòu)件11沖翻后，一點(diǎn)也不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的使用安全。通過采用通常的上游保護(hù)技術(shù)適合各種情況可以很容易克服由漂浮物造成的堵塞危險(xiǎn)或其他形式的系統(tǒng)工作故障。這樣的保護(hù)，比如可由離溢洪道上游一定距離橫跨水庫的浮護(hù)木組成或者由水壩上游面的圍欄組成。
下面說明本發(fā)明的水位升高裝置的設(shè)計(jì)定量化實(shí)例。在正常實(shí)踐中，水壩和溢洪道的尺寸是這樣設(shè)定的，上游水位(水庫水位)達(dá)到的最大水位，在一預(yù)定洪水通過時(shí)稱為設(shè)計(jì)洪水水位。比如這可能僅是千年不遇的大洪水。
假定，設(shè)計(jì)洪水水位時(shí)的河水流量是200米3/秒自流式溢流檻6長40米。那么，溢流檻6上的水頭高度H(外溢水舌的深度或厚度)需要排泄的設(shè)計(jì)洪水流量必須是每溢流檻延米5米3/秒。此高度H可用下式計(jì)算Q＝1.8H …(1)由此可看出，按上述假定H近似等于2米。另外，根據(jù)這些假定，如果沒有閘門系統(tǒng)或其他防止流過溢流檻的裝置，則溢洪道5的溢流檻6的標(biāo)高須定為2米，低于最大水位RM，以便排泄掉該千年大洪水而且相應(yīng)于2米高度的水量是用于生產(chǎn)性用水的消耗量。
在設(shè)計(jì)水位升高構(gòu)件11的正確高度時(shí)，發(fā)明以這樣的事實(shí)為基礎(chǔ)，根據(jù)平均以20年為周期的觀察河流的最大泄流量比設(shè)計(jì)洪水流量少得多，在這里給出的圖例中約為50米3/秒。由公式(1)?？杀慌判沟拇肆髁烤哂薪?.8米的溢流檻上水頭。如果容許水位升高構(gòu)件11平均每二十年被沖毀一次，那么該構(gòu)件可做成1.2米高(2米-0.80米＝1.2米)使得50米3/秒的泄水隨構(gòu)件之上0.8米深的水頭溢出構(gòu)件11。在這些環(huán)境下，充滿水位RN′比沒有水位升高裝置的自流溢洪道檻6時(shí)的充滿水位RN升高了1.20米。如水位升高構(gòu)件做得高于1.2米，則溢出水水深就得低于0.8米并且還須容許所述構(gòu)件例如每十年被沖毀一次，而另一方面充滿水位甚至也得再升高。相反，如果水位升高構(gòu)件被做得低于1.2米，則溢出水深度就得高于0.8米并且所述構(gòu)件僅50年或100年才會(huì)被沖毀一次，而充滿水位就會(huì)低于前述的情況。因此水位升高構(gòu)件的選擇主要基于經(jīng)濟(jì)上的考慮。大概最好將任意兩次連續(xù)的水位升高裝置的完全毀壞之間的間隔時(shí)間定為20年，這意味著在所考慮的實(shí)例中用于構(gòu)件的理論高度為1.2米。
如果并非所有水位升高構(gòu)件11對(duì)同一水頭水位翻傾是有好處的。例如，單獨(dú)一個(gè)構(gòu)件如圖3和4中的構(gòu)件11c可安排成當(dāng)水達(dá)到近似低于最大水位RM10厘米的第一水位N1時(shí)便翻倒，至少一個(gè)其他構(gòu)件11，如構(gòu)件11b和11d可安排成當(dāng)水達(dá)到近似低于最大水位RM5厘米的第二水位N2時(shí)便翻倒，其他構(gòu)件11，如構(gòu)件11a和11e可安排成當(dāng)水達(dá)到上述最大水位RM時(shí)便翻倒。
此方式中，由中等規(guī)模的洪水使第一構(gòu)件11c消除可以充分泄掉該洪水，而上游水位中無任何升高，這就防止了構(gòu)件11a，1
11b，11d和11c的毀壞。但是，允許有10厘米余量加到溢出構(gòu)件的水舌深度上，于是所示例中構(gòu)件的高度和額外存水(RN′-RN)的高度變成1.1米(2米-0.8米-0.1米)。
水位升高構(gòu)件11的翻傾和隨后被推出是受到兩種控制(1)驅(qū)動(dòng)力矩Mm，趨于使有關(guān)構(gòu)件翻傾的力的力矩，(ⅱ)阻力矩Mr，趨于使構(gòu)件保持穩(wěn)定的力的力矩。如果不設(shè)置直接受水位控制的起動(dòng)裝置以便在精確的預(yù)定水位引起構(gòu)件翻傾，那么相對(duì)的力平衡所處的水位只能確定在不定程度范圍內(nèi)，可以是0.2米。在這些條件下，出于安全原因可能需要減少構(gòu)件11的高度量與此不定余量相同，比如說0.2米。然而，通過設(shè)置一個(gè)起動(dòng)裝置(結(jié)合圖9將在下文說明)也可以不必減少構(gòu)件的高度。
對(duì)于本例中考慮的50米3/秒流量來說，可以減小該0.8米的溢流水深度，它是水位升高構(gòu)件翻傾前水位升高裝置上的最大水頭，通過單獨(dú)或綜合考慮直線的并平行于溢洪道檻6的頂部關(guān)系將構(gòu)件11的頂部改變成非直線的形狀，例如，折線形，“之”字形或曲線形，以便增加可用于排泄上述水流量的長度。如果以此方法使該長度加倍，則50米3/秒的流量將擴(kuò)展在整個(gè)80米長度上，而不是40米了，而且水位升高裝置頂上的最大水頭從0.8米減小到0.5米。如果其他條件均保持不變，則能使水位升高構(gòu)件11作得加高0.3米，從而也增加了水庫中的蓄水量。下面參閱圖11e至11g說明用于增加溢流長度的各種構(gòu)件形式。
圖6表示可能施加在使用中的本發(fā)明水位升高構(gòu)件11上的力。以下說明中，假定構(gòu)件11是平行六面體形狀，具有寬度L(上游至下游方向的尺寸)和高度H1。圖6中，RM指定為最大水庫水位，B標(biāo)示為溢流檻6之上的墩座12的高度，H2指定為構(gòu)件11頂部上的最大水頭(構(gòu)件翻倒前的最大溢流水深度)，Z表示溢流檻6以上的水位。能使構(gòu)件11翻倒的驅(qū)動(dòng)力是作用在構(gòu)件11上游面上的水壓力P和在某些條件下作用在所述構(gòu)件11下側(cè)的浮托力U，如果水通過密封件而泄漏或者有起動(dòng)裝置存在(其作用在下文說明)，能使構(gòu)件11保持穩(wěn)定不動(dòng)的阻力是構(gòu)件11的重力與在某些條件下存于構(gòu)件11頂上的水重量之和W。
在計(jì)算P，U和W值以及相對(duì)于墩座12對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力矩與阻力矩值時(shí)，必須考慮幾個(gè)溢流檻6上方水深Z升高的條件。對(duì)于這些不同狀態(tài)下的P，U，W值與相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力矩與阻力矩值概括如下，這些值以構(gòu)件11的每單位長度表示。
a) ifO＜Z＜3BP＝ 1/2 ·γW·Z2(2)U＝ 1/2 ·γW·Z·L (3)W＝γb·H1·L (4)Mm＝0 (5)MmU＝ 1/3 ·γW·Z·L2(6)Mr＝ 1/2 ·γb·H1·L2+ 1/2 ·γW·Z2·(B- 2/3 ) (7)
b)如果3B＜Z＜H1P＝ 1/2 ·γW·Z2(8)U＝ 1/2 ·γW·Z·L (9)W＝γb·H1·L (10)Mm＝ 1/2 ·γW·Z2·( 2/3 -B) (11)MmU＝Mm+ 1/3 ·γW·Z·L2(12)Mr＝ 1/2 ·γb·H1·L2(13)c) ifH1＜ZP＝ 1/2 ·γW·H21+γW·H1·(Z-H1) (14)U＝ 1/2 ·γW·Z·L (15)W＝γb·H1·L+γW·(Z-H1)·L (16)Mn＝ 1/2 γW·H12·( (H1)/3 -B)+γW·H1·(z-H1)( (H1)/2 -B)(17)MmU＝Mm+ 1/3 γW·Z·L2(18)Mr＝ 1/2 γb·H1·L2+ 1/2 γW·(Z-H1)·L2(19)上面表示的公式中，把P，U，W，L，H，B和Z定為上文限定內(nèi)容的參數(shù)。Mm是無浮托力U時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩，MmU為有浮托力U存在時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩，γw是水的單位重量，γb是水位升高構(gòu)件的平均單位重量，Mr是阻力矩。
圖7中的曲線圖上，曲線A，C和D分別代表作為溢流檻6上方水深度Z的函數(shù)的Mr，Mm和MmU值，曲線E代表作為溢流水舌深度H的函數(shù)的泄流量Q值(Q＝1.8H3/2，構(gòu)件11翻倒前H等于Z-H1，該構(gòu)件11翻倒后H等于Z)。曲線A，C，D，E是由上述公式以H1＝1.2米，L＝1.1米，B＝0.15米，γw＝1，γb＝2.4標(biāo)繪而成。
由曲線A和C，可以看出，當(dāng)Z值近似為2.4時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩Mm(不具有浮托力U)達(dá)到與阻力矩Mr相同值。換句話說，在沒有浮托力U的情況下，當(dāng)水位達(dá)到溢流檻6之上2.4米的高度時(shí)水位升高構(gòu)件11將會(huì)翻倒。由曲線A和D可以看出，如果有浮托力U存在，當(dāng)Z值近似為2米(在所示例子的數(shù)字中為最大水位RM)時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩MmU達(dá)到與阻力矩相同數(shù)值。換句話說，有浮托力U存在時(shí)，當(dāng)水位達(dá)到最大水位RM時(shí)，構(gòu)件11將翻倒。由公式(17)和(19)，可以看出，若要求構(gòu)件11翻倒，在沒有浮托力U情況下而且不改變構(gòu)件11的高度H1的值，Z值為2米，即用于最大水位RM時(shí)，就必須從上面所取的數(shù)值中減小γb的值和(或)L值和(或)B值。
由此可以看出，通過適當(dāng)選擇水位升高構(gòu)件11的大小和重量以及墩座12的尺寸，可以使構(gòu)件11在一預(yù)定的上游水位翻倒。還可以看出如果構(gòu)件11已被設(shè)計(jì)成在一預(yù)定水位時(shí)翻倒，沒有任何浮托力作用在該構(gòu)件下側(cè)，而且如果構(gòu)件11與溢流檻6間的密封件并非完全有效，那么浮托(壓)力就會(huì)作用在構(gòu)件11的底部使其在低于上述預(yù)定水位的水位時(shí)就翻倒。因此，失效的水密性并沒有危險(xiǎn)，而是促使構(gòu)件翻傾的一個(gè)安全因素。
此特點(diǎn)可投入有效的利用，使得構(gòu)件11相對(duì)于預(yù)定水位更可靠和更精確地翻傾。可能有利的是，當(dāng)上游水位在一預(yù)定水位以下時(shí)使得只有一點(diǎn)或沒有浮托(壓)力U作用在構(gòu)件11上，然后，當(dāng)水位達(dá)到所述預(yù)定水位時(shí)則有一個(gè)相當(dāng)高的浮托力突然準(zhǔn)確作用在構(gòu)件11上，如此設(shè)計(jì)的構(gòu)件在此準(zhǔn)確的時(shí)刻其驅(qū)動(dòng)力矩Mm突然從比阻力矩Mr值略低的值變成比該阻力矩Mr值充分高的值MmU。為此用途，可以設(shè)置一個(gè)如圖9中所示例的起動(dòng)裝置。圖9中所示的起動(dòng)裝置基本由一根排水管21構(gòu)成，該管在正常狀態(tài)下使水位升高構(gòu)件11下面的區(qū)域保持在大氣壓力，排水管21的頂端或上端21a處在水位N，在該水位要求使構(gòu)件11翻倒。管21可以是直線的并穿過構(gòu)件11如圖9中用實(shí)線表示的，或是彎曲的，如圖9中用虛線標(biāo)出的21′，這樣其頂端位于比構(gòu)件11更靠上游處，或者該排水管還可穿過溢流檻6，如圖9中虛線標(biāo)出的21″。如果設(shè)置一個(gè)以上的水位升高構(gòu)件11并預(yù)定在不同水位如N1、N2和RM(圖3)使構(gòu)件翻倒，至少每個(gè)構(gòu)件11配備一根排水管21并且各管的水上升到與水位N1或N2或RM相等的水位N，在這些水位，相關(guān)的構(gòu)件翻倒。當(dāng)然在這種情況下，在不同水位預(yù)定翻倒的水位升高構(gòu)件下面的溢流檻6區(qū)域必須用適當(dāng)形狀的密封件互相隔離開。
每根排管21的頂端可以裝上一種抗漂浮物的保護(hù)裝置以防被這些漂浮物堵塞，或裝上一種防波浪保護(hù)裝置以防一次或多次連續(xù)波浪在錯(cuò)誤時(shí)刻觸發(fā)水位升高構(gòu)件11翻倒。圖10a至10c圖示出了這些保護(hù)裝置。圖10a中所示的保護(hù)裝置基本上由一個(gè)漏斗22構(gòu)成，其頂緣23高于水位N并且在比水位N低的水位處至少有一個(gè)小孔24。圖10b中，保護(hù)裝置是由頂段被彎成虹吸管形25的排管21本體構(gòu)成。最后，圖10c中的保護(hù)裝置是由蓋在排水管21頂端21a上的帽或罩26構(gòu)成，其頂面27略高于水位N。
可能有利的是對(duì)一座現(xiàn)有的水壩改進(jìn)安全，該壩的溢流檻6最初已設(shè)定在相當(dāng)于原來估算過的設(shè)計(jì)洪水的水位并且確定了充滿水位RN(圖8c)，降低溢流檻6幾分米使其在原始水位(設(shè)定的初始水位RN)之下并在已降低的溢流檻6上設(shè)置本發(fā)明的水位升高裝置10，該裝置由至少一個(gè)構(gòu)件11構(gòu)成，構(gòu)件尺寸和重量已經(jīng)按上文所述的方式選定，當(dāng)上游水位達(dá)到一個(gè)低于相當(dāng)于設(shè)計(jì)洪水的最大水位RM的預(yù)定水位時(shí)便繞墩座12轉(zhuǎn)動(dòng)而翻倒。在這些環(huán)境下，即使異常洪水到達(dá)，水位升高裝置10的決口概率保持不變，水位升高裝置10完全毀壞后利用自由排水(壩)段實(shí)質(zhì)上將水庫水位增加到與上游水位相同，使得比水壩最初設(shè)計(jì)的泄流量更大的洪水無危險(xiǎn)地排泄掉。如果水位升高構(gòu)件11的高度等于溢流檻6被降低的量(圖8a)，其結(jié)果只是對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性有所增加，該結(jié)構(gòu)具有與溢流檻6降低前相同的充滿水位RN(圖8c)。然而，通過使水位升高構(gòu)件的高度這樣變化，即構(gòu)件頂部位于一個(gè)比RN高但低于RM的水位，可以既增加結(jié)構(gòu)的安全又把充滿水位提高到較高的水位RN′(圖8b)。
在上述說明中，假定每個(gè)水位升高構(gòu)件11是由大體為平行六面體形的塊體組成。塊體11可以是一種普通固體塊或具有平頂面(圖11a)或拱曲頂面(圖11b)的鋼筋混凝土塊。另一種結(jié)構(gòu)形狀，每個(gè)構(gòu)件11可以由如圖11c所示的空心塊組成，空心塊有一個(gè)或多個(gè)隔間，里面裝滿一種重物或鎮(zhèn)載物32如砂子，石子或其他有分量的散料。隔間裝滿填料后可配置一個(gè)蓋(未示出)把隔間31封閉。圖11c中所示的結(jié)構(gòu)形式特別適用于當(dāng)水位升高裝置10包括若干個(gè)均為相同高度的構(gòu)件11而這些構(gòu)件在不同的上游水位時(shí)翻倒的場合。在此情況下，各構(gòu)件11的重量可通過充以適當(dāng)量的填料來控制，以便保證在預(yù)定上游水位使各構(gòu)件11翻倒。
在發(fā)明的另一實(shí)施例中，每個(gè)水位升高構(gòu)件11可由混凝土，鋼或任何其他適當(dāng)剛性沉重材料制成的板組件組成。如圖11d中所示，該組件可包括一塊水平的或近似水平的矩形底板33和一塊從板33后緣或下游邊緣豎起的近似垂直的矩形板34?？梢钥闯觯诖饲闆r下，只要上游水位還沒有到達(dá)使構(gòu)件翻倒的預(yù)定水位，底板33下面水的重量便施加一種阻抗荷載W并促使構(gòu)件穩(wěn)定。
如圖11e至11g中所示，板組件可以包括若干塊大體矩形的垂直或近似垂直板34，它們的下部邊緣固定在底板33上而且它們相鄰的豎邊連接在一起形成一個(gè)重新組成的摺狀屏障。所有板34的高度相同，但寬度可以一致(圖11e)或不同(圖11f和圖11g)。在此情況下，各構(gòu)件具有非直線頂線，比如鋸齒線(圖11e)或截頭鋸齒線(圖11f)或方波線(圖11g)。不同于圖11d中從下游側(cè)觀察水位升高構(gòu)件11，在圖11e至11g中，構(gòu)件11是從上游側(cè)觀察的。圖11e至11g所示實(shí)施例引人注意的在于，它們延長了已定出的溢流長度，對(duì)于一個(gè)已知的上游水位，這將減小溢流檻上的水頭從而排泄掉小洪水和更頻繁的洪水，同時(shí)不會(huì)破壞水位升高裝置或?qū)Π踩牟焕绊?。另外，還能使水位升高構(gòu)件的高度適當(dāng)?shù)靥岣卟⑴c上游水位相匹配。例如，圖11g中所示的鋸齒狀方案使溢流長度增加三倍并因此將溢流檻上的水頭減半成低泄流量，容許水庫蓄水量相應(yīng)增大而不影響對(duì)大洪水的泄流能力。
為了增加溢流長度，可用弓形或波紋狀的板取代平面板34。
圖12是通過類似于圖11d至11g所示構(gòu)件中的一個(gè)水位升高構(gòu)件11取的垂直斷面圖，該構(gòu)件還有一根與圖9中相同用途的排水管21。圖12中，水平板33是這樣固定在立板34上的，將其配置在溢流檻6上方一定距離而在其上游側(cè)有一個(gè)下轉(zhuǎn)凸緣33a，密封件15設(shè)置在凸緣33a和溢流檻6之間。此方案在板33下面形成一個(gè)腔室，排水管21的下端通入該室。在板34底部開設(shè)有一個(gè)孔洞36，該洞36的直徑小于排水管21的口徑。
利用如圖12所示的水位升高構(gòu)件，當(dāng)上游水位接近但又低于水位N時(shí)，水面上的波浪可能會(huì)使水進(jìn)入排水管21，進(jìn)入的水部分地充入腔室35，同時(shí)又通過孔洞36使腔空排空。只要上游水位還沒有到達(dá)應(yīng)使水位升高構(gòu)件11翻倒的水位N，這就能防止由于波浪作用而在板33下面產(chǎn)生浮托力。因此腔室35和孔洞36增加了構(gòu)件翻傾調(diào)整的準(zhǔn)確性和精確性。當(dāng)然，也可以在圖9所示的構(gòu)件下面設(shè)置一個(gè)與室35相同的腔室，同時(shí)該腔室有一個(gè)與孔洞36相同的排水孔。
圖13是通過由一疊標(biāo)準(zhǔn)模塊11g～11j構(gòu)成水位升高構(gòu)件11的垂直斷面圖。模塊的形狀最好能互鎖以防使用時(shí)水負(fù)荷作用在模塊上時(shí)互相相對(duì)滑動(dòng)。模塊可都有相同的或不同的垂直尺寸;比如，頂部模塊11j的垂直尺寸比其他所示模塊的小。水位變得簡便，還能根據(jù)年度季節(jié)變換該裝置的高度，更無需任何專門的人工監(jiān)督。
圖14示出一個(gè)水位升高構(gòu)件11，它是一種如圖13中模塊那樣的模制件，但是由板33，34和37構(gòu)成的組件。板33和34被剛性地接到一起，如圖11d的構(gòu)件11，而板37可以按需要以臨時(shí)方式裝到板34上，用以增高該板34。利用兩個(gè)或多對(duì)魚尾板38可將板34和37固定到一起，該魚尾板38被剛性地連接在板34或37之一上(圖14和15中可看到一對(duì)魚尾板)。代替這些魚尾板38，可以采用貫連板34和37長度與寬度的條帶。板34和37之間設(shè)置有一個(gè)密封件39。當(dāng)然，可以用多塊立板代替圖14中僅表示出的兩塊板34和37。
總之，水位升高裝置10及其構(gòu)件11的高度基于以下多種因素而定經(jīng)濟(jì)上的，對(duì)不同水位升高構(gòu)件的翻倒要求的進(jìn)程，相對(duì)于預(yù)定水位翻倒的準(zhǔn)確性和精確性(通過在水位升高構(gòu)件下面設(shè)置如上文所述的輸送水的起動(dòng)裝置可以改善該準(zhǔn)確性和精確性)以及水位升高構(gòu)件頂部線的形狀，比如，可以是直線的，鋸齒形的，“之”字形的，曲線的，波浪形的。在上述例子的數(shù)字中，水位升高構(gòu)件的高度可計(jì)算為0.9米到1.5米的范圍，通過此將有45%和75%之間的水(根據(jù)最后設(shè)計(jì))可被節(jié)省，否則，在沒有水位升高裝置的情況下這些水將被浪費(fèi)掉。
根據(jù)上述，很清楚，本發(fā)明的水位升高裝置利用自流式溢流泄水工作提供給水壩或其他結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)性和準(zhǔn)永久性的增大蓄水量，同時(shí)保持和改進(jìn)了自流溢水固有的安全特性，通過自動(dòng)開口(至少一個(gè)水位升高裝置翻倒)使大洪水或異常洪水被可靠地排泄，不用人工監(jiān)視或動(dòng)手，也不用控制機(jī)構(gòu)或儀器。還清楚的是，這種水位升高構(gòu)件以比向來使用的溢流閘門低得多的成本而且不用對(duì)溢流檻作任何大變動(dòng)在水壩或其他結(jié)構(gòu)的溢流檻上建造和安裝。
令人清楚理解，上文所述本發(fā)明的實(shí)施例純粹為了解釋，決不排除其他變更形式，而且任何本領(lǐng)域的普通專業(yè)人員可以很容易地精心做出許多變更，但不偏離本發(fā)明的基本原理。例如，不用在水位升高構(gòu)件底部靠近該底部上游邊緣固定的密封件15，可使該密封件設(shè)置在底部任何其他需要的位置上。
權(quán)利要求
1.水壩和類似結(jié)構(gòu)用的溢洪道，它包括一個(gè)溢流檻(6)，其檻頂(8)設(shè)定在第一預(yù)定水位(RN)，該水位低于與設(shè)計(jì)水壩(1)用的最大蓄水水位(PHE)相對(duì)應(yīng)的第二預(yù)定水位(RM)，該第一和第二預(yù)定水位(RN和RM)之差相當(dāng)于一個(gè)設(shè)計(jì)洪水的最大預(yù)定泄流量，以及一個(gè)溢洪道(5)的溢流檻(6)上的活動(dòng)式水位升高裝置(10)，其特征在于，水位升高裝置(10)包括至少一個(gè)座落在溢流檻(6)的檻頂(8)上并靠重力固定就位的剛性沉重構(gòu)件(11)，所述構(gòu)件(11)具有預(yù)定高度H1，它低于第一和第二預(yù)定水位(RN和RM)之差，對(duì)于一個(gè)大體等于上述最大水位(RM)的上游水位該高度H1相當(dāng)于比最大預(yù)定泄流最小的預(yù)定泄流量的平均洪水，所述構(gòu)件(11)具有這樣的尺寸和重量，上游水施加在構(gòu)件(11)上的力的力矩等于使構(gòu)件在溢流檻(6)上保持就位的重力力矩，于是當(dāng)水達(dá)到高于構(gòu)件(11)頂部但又低于第二預(yù)定水位(RM)的一個(gè)第三預(yù)定水位時(shí)，必然使該構(gòu)件(11)搖動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的溢洪道，其特征在于，一個(gè)預(yù)定高度(B)的墩座(12)設(shè)置在水位升高構(gòu)件(11)的下游底腳處的溢流檻(6)上，以防止該構(gòu)件(11)從溢流檻(6)上滑向下游。
3.如權(quán)利要求1或2所述的溢洪道，其特征在于，在現(xiàn)有溢洪道(5)的情況下，溢流檻(6)的檻頂(8)被降低到低于所述第一預(yù)定水位(RN)的一個(gè)水位，水位升高構(gòu)件(11)安裝在已降低的溢流檻上并這樣設(shè)定高度，其頂部處于水位RN′，該水位至少等于所述第一預(yù)定水位(RN)但又低于所述第三預(yù)定水位(N)。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的溢洪道，其特征在于，在溢流檻(6)和水位升高構(gòu)件(11)的底部的靠近上游邊緣(16)之間設(shè)置一個(gè)密封件(15)。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的溢洪道，其特征在于，所述水位升高構(gòu)件(11)具有大體為平行六面體固體塊的材料形狀。
6.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的溢洪道，其特征在于，所述水位升高構(gòu)件(11)具有大體為平行六面體空心塊，其內(nèi)裝有鎮(zhèn)載材料(32)的材料形狀。
7.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的溢洪道，其特征在于，所述水位升高(11)是由一套板組件(33，34)組成，它包括至少一塊大體水平的底板(33)和至少一塊大體垂直的并立在底板(33)的矩形板(34)。
8.如權(quán)利要求7所述的溢洪道，其特征在于，垂直板(34)立在底板(33)的上游邊緣。
9.如權(quán)利要求7所述的溢洪道，其特征在于，所述板組件包含許多塊大體為矩形并大體垂直的板(34)，以其下部邊緣連接到底板(33)，而其鄰接的立緣接到一起從而構(gòu)成一種摺狀屏障。
10.如權(quán)利要求1至9所述的溢洪道，其特征在于，所述水位升高構(gòu)件(11)呈現(xiàn)非直線的頂部線。
11.如權(quán)利要求1至10所述的溢洪道，其特征在于，它包括至少一根排水管(21)，在正常使用條件下該管使水位升高構(gòu)件(11)的下面的區(qū)域保持大氣壓力，排水管(21)具有一個(gè)上端，它處于與所述第三預(yù)定水位(N)相等的水位并垂直向上或處于水位升高構(gòu)件(11)的上游側(cè)。
12.如權(quán)利要求1至11所述的溢洪道，其特征在于，沿溢流檻(6)的檻頂一個(gè)挨一個(gè)地設(shè)置多個(gè)水位升高構(gòu)件(11)，這些構(gòu)件(11)的相鄰側(cè)面之間設(shè)有密封件(13)。
13.如權(quán)利要求12所述的溢洪道，其特征在于，水位升高構(gòu)件(11)的尺寸和重量是這樣的，當(dāng)上游水到達(dá)所述第三預(yù)定水位(N1)時(shí)至少水位升高構(gòu)件(11)中的第一個(gè)(11c)被搖動(dòng);該第三水位低于所述第二預(yù)定水位(RM)，當(dāng)上游水到達(dá)第二和第三預(yù)定水位(RM和N1)之間的第四預(yù)定水位(N2)時(shí)至少水位升高構(gòu)件(11)中的第二個(gè)(11b或11d)被搖動(dòng);當(dāng)上游水達(dá)到高于第四水位(N2)但低于第二預(yù)定水位(RM)的第五預(yù)定水位時(shí)，至少水位升高構(gòu)件(11)中的第三個(gè)(11a，11e)被搖動(dòng)。
14.如權(quán)利要求1至13所述的溢洪道，其特征在于，在水位升高構(gòu)件(11)底部，該構(gòu)件與溢流檻(6)之間設(shè)置一個(gè)腔室(35)，并在該構(gòu)件(11)的下游側(cè)開設(shè)一個(gè)孔洞(36)以便為所述室(35)排水。
15.如權(quán)利要求11和14所述的溢洪道，其特征在于，排水管(21)的下端通入所述腔室(35)。
16.如權(quán)利要求1至15所述的溢洪道，其特征在于，水位升高構(gòu)件(11)還包括若干疊垛起的部件(11g-11j，34，37)。
全文摘要
為實(shí)現(xiàn)正常蓄水水庫的水位似永久性的升高并能在大洪水通過之后增大水庫的蓄水量，本發(fā)明由安裝在溢洪道(5)的溢流檻(6)上的水位升高裝置(10)組成，裝置(10)包括至少一個(gè)沉重構(gòu)件(11)，該裝置(10)或水位升高構(gòu)件(11)靠其自重在溢出中等水頭時(shí)能夠承受住水荷載，(用以排泄重復(fù)發(fā)生間隔的洪水)，但在相當(dāng)于水位(N1，N2)又低于預(yù)定最大水位(RM)的預(yù)定水位時(shí)便翻倒而決口以便排泄大洪水。
文檔編號(hào)E02B9/04GK1052914SQ90110139
公開日1991年7月10日 申請(qǐng)日期1990年12月20日 優(yōu)先權(quán)日1989年12月21日
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