一种淤地坝智能控制虹吸排水和柔性消力池系统
阅读说明：本技术 一种淤地坝智能控制虹吸排水和柔性消力池系统 (Intelligent control siphon drainage and flexible stilling basin system for check dam ) 是由 武颖利 李威 田保宏 郭万里 皇甫英杰 吴冠宇 梁小卫 姜纯伟 龚丽飞 陈海波 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及淤地坝、尾矿坝工程排水技术领域,且公开了一种淤地坝智能控制虹吸排水和柔性消力池系统,包括漂浮式取水箱、排水管、连接法兰、上凸式注水集气装置、下游侧排水管、坝体、柔性波纹管、柔性消力池系统和排水管浮子；所述排水管通过连接法兰与漂浮式取水箱连通,所述排水管通过排水管浮子漂浮于库区水面上,所述坝体上开设有上游排水管槽、下游排水管槽和坝顶过水涵道,所述凸式注水集气装置安装在坝体上,所述排水管和下游侧排水管分别铺设在上游排水管槽和坝顶过水涵道内。本发明适用于淤地坝、尾矿坝工程技术领域,有效的避免了现有排水系统存在的工程问题,能很好的满足淤地坝排水要求。(The invention relates to the technical field of drainage of engineering of a silt dam and a tailing dam, and discloses an intelligent control siphon drainage and flexible stilling basin system for the silt dam, which comprises a floating water taking tank, a drainage pipe, a connecting flange, an upward-protruding water injection and gas collection device, a downstream side drainage pipe, a dam body, a flexible corrugated pipe, a flexible stilling basin system and a drainage pipe floater, wherein the floating water taking tank is arranged on the upper part of the floating water taking tank; the water discharging pipe is communicated with the floating water taking tank through a connecting flange, the water discharging pipe floats on the water surface of the reservoir area through a water discharging pipe floater, an upstream water discharging pipe groove, a downstream water discharging pipe groove and a dam top water passing culvert are formed in the dam body, the convex water injection and gas collection device is installed on the dam body, and the water discharging pipe and the downstream water discharging pipe are respectively laid in the upstream water discharging pipe groove and the dam top water passing culvert. The invention is suitable for the technical field of the engineering of the silt dam and the tailing dam, effectively avoids the engineering problem of the existing drainage system, and can well meet the drainage requirement of the silt dam.)
技术领域
本发明涉及淤地坝、尾矿坝工程排水领域，尤其涉及一种淤地坝智能控制虹吸排水和柔性消力池系统。
背景技术
淤地坝是黄土高原地区水土保持、淤地造田、改善交通和保护生态的重要工程措施。我国黄土高原区沟壑纵横，侵蚀沟道分布广泛。切割强烈导致水土流失严重，植被稀疏，滑坡、泥石流灾害频发，生态环境极其脆弱，人民生活贫困。
淤地坝是西北地区先民创造的治理沟壑的水土保持工程，其历史可追述到明代。先民通过“打坝造田”，挣得了旱涝保收的口粮，同时相当一部分沟道变成了梯田，遏制了沟道的侵蚀过程。截止2019年11月，我国共有淤地坝58776座，淤地面积927.57km2。淤地坝在黄河流域生态保护和促进农村经济发展方面取得了工人的效果。
由于淤地坝多是群众自发建造的小型水利工程，相当多的坝没有泄洪设施。在极端降雨情况下，一部分淤地坝被毁，不仅其拦沙造田功能不复存在，而且可能导致人员伤亡，其安全度汛工作也成为每年汛期的防控重点。
传统的淤地坝工程，大部分均采用穿坝涵管和上游集水井结合，进行库区排水。采用传统的排水系统，经常发生管道淤堵导致丧失排水功能，从而因为无法排水导致坝体出现险情，甚至发生溃坝。同时采用穿坝涵管布置，若管道采用混凝土材质，易发生管道破裂带来安全隐患，采用铸铁材质的管道则会发生锈蚀破坏，严重影响坝体安全；上游库区布设排水井，无法有效的预防泥沙淤积，同时随着上游库区淤积，排水井亦需跟随上升，运行期管理维护困难。
由于淤地坝排水系统存在的不足，导致淤地坝水毁事故、溃坝风险远较常规土石坝严重，成为制约淤地坝事业发展的瓶颈问题。
由于淤地坝数量众多，情况复杂，缺乏专业人员管理，导致出现问题不能及时发现，发现险情后需要人员和机械设备到现场进行抢险，因信息滞后性导致险情进一步恶化。淤地坝最大的险情主要是库区在汛期排水不畅，导致库水位快速升高，危害坝体安全。因此急需一套远程智慧化管理预警系统，及时发现问题，发出预警信息的同时可远程启动排水系统，减缓险情的发展。
尾矿坝排水系统面临的实际工程问题与淤地坝类似，在此不做赘述。
为解决上述问题，本申请中提出一种淤地坝智能控制虹吸排水和柔性消力池系统。
发明内容
(一)发明目的
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种淤地坝智能控制虹吸排水和柔性消力池系统，本发明适用于淤地坝、尾矿坝工程技术领域，有效的避免了现有排水系统存在的工程问题，能很好的满足淤地坝排水要求。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供了一种淤地坝智能控制虹吸排水和柔性消力池系统，包括漂浮式取水箱、排水管、连接法兰、上凸式注水集气装置、下游侧排水管、坝体、柔性波纹管、柔性消力池系统和排水管浮子；
所述排水管通过连接法兰与漂浮式取水箱连通，所述排水管通过排水管浮子漂浮于库区水面上，所述坝体上开设有上游排水管槽、下游排水管槽和坝顶过水涵道，所述凸式注水集气装置安装在坝体上，所述排水管和下游侧排水管分别铺设在上游排水管槽和坝顶过水涵道内，并穿过坝顶过水涵道与上凸式注水集气装置相连，且上凸式注水集气装置连通下游侧排水管，所述下游侧排水管通过柔性波纹管与出水口管连通；
所述坝体上设有驱动机构，且驱动机构与柔性波纹管和出水口管连接；
所述坝体上设有智慧预警供能系统，且智慧预警供能系统与驱动机构连接；
所述柔性消力池系统设于坝体的下游侧。
优选的，所述智慧预警供能系统包括太阳能光伏组件、视频监测系统、雨量水位监测仪器、通讯模块、控制器，所述控制器分别通过通讯模块与太阳能光伏组件、视频监测系统、雨量水位监测仪器和驱动机构控制连接，所述太阳能光伏组件与驱动机构电性连接。
优选的，所述上凸式注水集气装置通过排气口连通有主被动排气管，所述主被动排气管通过主动排气口与出水口管连通；
所述上凸式注水集气装置布设在坝顶靠下游侧，该装置上游侧进口低，下游侧出水位置高，形成上凸式结构，在该结构顶部设置有带阀门注水口，顶部设有排气口，并与主被动排气管相连，所述带阀门注水口与排气口均与排水管连通。
优选的，所述排水管位于漂浮式取水箱内部的一端固定安装有单向逆止阀，所述漂浮式取水箱的底部开设有安装口，且安装口处固定安装有拦污栅，所述漂浮式取水箱的内部固定安装有浮力可调节浮台，所述浮力可调节浮台的一侧开设有浮台注/排水口。
优选的，所述主被动排气管采用柔性塑料管固定在下游排水管上，主被动排气管与出水口末端连接处采用锐角设计。
优选的，所述驱动机构包括提升卷扬机、提升定滑轮、两条拉索、下降卷扬机、金属铰架、下降定滑轮和两个吊环，所述提升卷扬机、下降卷扬机和金属铰架均安装坝体上，所述提升定滑轮的轮架和下降定滑轮的轮架均与坝体固定连接，所述出水口管通过固定卡扣与过金属铰架的一侧连接，两个所述吊环分别固定安装在出水口管的两侧，一条所述拉索的一端与吊环固定连接，且拉索的另一端绕过提升定滑轮并与提升卷扬机的缠绕辊缠绕，另一条所述拉索的一端与吊环固定连接，且拉索的另一端绕过下降定滑轮并与下降卷扬机的缠绕辊缠绕，所述提升卷扬机和下降卷扬机均与控制器通讯连接，可通过调节下游出水口的高度，实现排水速度控制及关停启动功能。
优选的，所述柔性拼装式消力池采用超耐候性聚丙烯土工膜袋装填卵石进行拼装，按照-层拼装，并在上、下层袋体中间布设防渗膜。
优选的，所述坝顶过水涵道连接下游排水管槽，所述下游排水管槽设置下游消力台阶。
优选的，所述排水管采用直径20cm的pvc硬管，根据实际排水效率需求，采用3-4根排水管平行布设，且排水管共用一个漂浮式取水箱和上凸式注水集气装置。
优选的，所述坝体的顶部铺设有坝顶排水管。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
可实现淤地坝智能控制虹吸排水，由于上游取水采用漂浮式取水结构，可随上游库水位变化自由调整，避免了常规集水井需要随着库区淤积而不断升高的弊端，同时排水时抽取上游表层的清水，进一步减少泥沙流失；采用智慧预警供能系统可实现远程智能控制对下游出水口高度调节来控制排水速度以及排水的关停和启动；增加了主被动排气管，保证了装置启动过程中注水顺利，同时可实现运行过程中将管道中残存的空气有效的排出，保障虹吸排水作业的顺利进行；本发明安装后仅需一次注水即可实现连续、间断性虹吸排水作业，避免了常规虹吸管的缺陷，整个排水过程中无需额外能源，避免了常规抽水需要动力供应的问题；采用拼装式柔性消力池装置，降本增效同时可实现多次拼装调节。
附图说明
图1为本发明提出的一种淤地坝智能控制虹吸排水和柔性消力池系统的结构示意图。
图2为本发明提出的一种淤地坝智能控制虹吸排水和柔性消力池系统的部分结构示意图。
图3为本发明提出的一种淤地坝智能控制虹吸排水和柔性消力池系统中漂浮式取水箱的俯视结构示意图。
图4为本发明提出的一种淤地坝智能控制虹吸排水和柔性消力池系统中上凸式注水集气装置的俯视结构示意图。
图5为本发明提出的一种淤地坝智能控制虹吸排水和柔性消力池系统的系统图。
附图标记：1、漂浮式取水箱；2、排水管；3、单向逆止阀；4、拦污栅；5、连接法兰；6、浮力可调节浮台；7、浮台注/排水口；8、上凸式注水集气装置；9、带阀门注水口；10、排气口；11、主被动排气管；12、下游侧排水管；13、坝体；14、上游排水管槽；15、坝顶过水涵道；16、下游消力台阶；17、下游排水管槽；18、提升卷扬机；19、提升定滑轮；20、拉索；21、下降卷扬机；22、金属绞架；23、下降定滑轮；24、吊环；25、主被动排气口；26、固定卡扣；27、柔性波纹管；28、柔性消力池系统；29、排水管浮子；30、出水口管；31、坝顶排水管；32、通讯模块、33、视频监测系统、34、雨量水位监测仪器、35、太阳能光伏组件；36、控制器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1-5所示，本发明提出的一种淤地坝智能控制虹吸排水和柔性消力池系统，包括漂浮式取水箱1、排水管2、连接法兰5、上凸式注水集气装置8、下游侧排水管12、坝体13、柔性波纹管27、柔性消力池系统28和排水管浮子29；
排水管2通过连接法兰5与漂浮式取水箱1连通，排水管2通过排水管浮子29漂浮于库区水面上，坝体13上开设有上游排水管槽14、下游排水管槽17和坝顶过水涵道15，凸式注水集气装置8安装在坝体13上，排水管2和下游侧排水管12分别铺设在上游排水管槽14和坝顶过水涵道15内，并穿过坝顶过水涵道15与上凸式注水集气装置8相连，且上凸式注水集气装置8连通下游侧排水管12，下游侧排水管12通过柔性波纹管27与出水口管30连通，形成完整的虹吸排水结构；
坝体13上设有驱动机构，且驱动机构与柔性波纹管27和出水口管30连接；
坝体13上设有智慧预警供能系统，且智慧预警供能系统与驱动机构连接；
柔性消力池系统28设于坝体13的下游侧。
在一个可选的实施例中，智慧预警供能系统包括太阳能光伏组件35、视频监测系统33、雨量水位监测仪器34、通讯模块32、控制器36，控制器36分别通过通讯模块32与太阳能光伏组件35、视频监测系统33、雨量水位监测仪器34和驱动机构控制连接，太阳能光伏组件35与驱动机构电性连接，通过对采集数据进行处理和分析，控制器36通过控制驱动机构，以调节出水口管30的高度，实现远程智能的对淤地坝库区排水速度控制和启动-关停等控制，并根据监测数据分析提供预警功能。
在一个可选的实施例中，上凸式注水集气装置8通过排气口10连通有主被动排气管11，主被动排气管11通过主动排气口25与出水口管30连通；可方便启动时对管路注水集气，并配合主被动排气管11将管道中的气体排出；
上凸式注水集气装置8布设在坝顶靠下游侧，该装置上游侧进口低，下游侧出水位置高，形成上凸式结构，在该结构顶部设置有带阀门注水口9，顶部设有排气口10，并与主被动排气管11相连，带阀门注水口9与排气口均与排水管2连通，通过注水口9对排水管2内部注水，并通过排气口10将排水管2内空气排出，实现虹吸排水功能。
在一个可选的实施例中，排水管2位于漂浮式取水箱1内部的一端固定安装有单向逆止阀3，漂浮式取水箱1的底部开设有安装口，且安装口处固定安装有拦污栅4，漂浮式取水箱1的内部固定安装有浮力可调节浮台6，浮力可调节浮台6的一侧开设有浮台注/排水口7，可通过调整浮力可调节浮台的浮力，实现在工作时取水口没入水下。在检修工况以及冬季不运行期间，提高浮台6浮力使取水口1脱离水面实现放水功能，防止冬季管路冻裂。
在一个可选的实施例中，主被动排气管11采用柔性塑料管固定在下游排水管2上，主被动排气管11与出水口末端连接处采用锐角设计，当水流沿下游排水管2快速排出时，在主被动排气管11与出水口末端连接处由于流速差异形成负压，将上凸式注水集气装置8中残存的空气吸出，保障虹吸排水系统顺利高效运行。
在一个可选的实施例中，驱动机构包括提升卷扬机18、提升定滑轮19、两条拉索20、下降卷扬机21、金属铰架22、下降定滑轮23和两个吊环24，提升卷扬机18、下降卷扬机21和金属铰架22均安装坝体13上，提升定滑轮19的轮架和下降定滑轮23的轮架均与坝体13固定连接，出水口管30通过固定卡扣26与过金属铰架22的一侧连接，两个吊环24分别固定安装在出水口管30的两侧，一条拉索20的一端与吊环24固定连接，且拉索20的另一端绕过提升定滑轮19并与提升卷扬机18的缠绕辊缠绕，另一条拉索20的一端与吊环24固定连接，且拉索20的另一端绕过下降定滑轮23并与下降卷扬机21的缠绕辊缠绕，提升卷扬机18和下降卷扬机21均与控制器36通讯连接，通过对金属铰架22进行翻折或松下，可通过调节下游出水口的高度，实现排水速度控制及关停启动功能；
在一个可选的实施例中，柔性拼装式消力池28采用超耐候性聚丙烯土工膜袋装填卵石进行拼装，按照2-3层拼装，并在上、下层袋体中间布设防渗膜。方便快捷节约成本的同时，在下游发生淤积的情况下，可将块体重新拼装，减少二次施工成本。
在一个可选的实施例中，坝顶过水涵道15连接下游排水管槽17，下游排水管槽17设置下游消力台阶16，以预防在极端降雨工况下，库区泄洪需求，防止因库水位过高发生漫坝风险，提高坝体抗风险能力。
在一个可选的实施例中，排水管2采用直径20cm的pvc硬管，根据实际排水效率需求，采用3-4根排水管2平行布设，且排水管2共用一个漂浮式取水箱1和上凸式注水集气装置8。
在一个可选的实施例中，坝体13的顶部铺设有坝顶排水管31。
通过提升卷扬机18和下降卷扬机21实现对出水口管30的抬升。
需要说明的是，将漂浮式取水箱1通过连接法兰5与排水管2相连后，使该部分连同部分排水管2漂浮在坝体13的上游侧水面上，排水管2放置在坝体13的上游排水管槽14中，并通过坝顶过水涵道15，通过连接法兰5连接到上凸式注水集气装置8，并通过连接法兰5与下游侧排水管12相连，下游侧排水管12连接到柔性波纹管27连接至出水口，形成完整的虹吸排水结构。
虹吸结构首次启动需要对管道注水，注水前先通过驱动系统的提升卷扬机18，结合提升定滑轮19和拉索20，将出水口管30抬升至竖直方向，此时水口管30处于最高点，之后采用外接抽水泵通过上凸式注水集气装置8上带阀门注水口9对管道进行注水，由于上凸式注水集气装置8的上凸式结构设计，注入管道中的水先流入上游侧排水管2，由于漂浮式取水箱1中设置了单向逆止阀3，此时单向逆止阀3处于关闭状态，可保证所注水体充满上游侧的排水管2，之后所注水翻过上凸式注水集气装置8进入下游侧排水管12，由于上凸式注水集气装置8上设置的排气口10所连接的主被动排气管11直接与出水口管30上的主被动排气口25相连，可保证在下游侧排水管12注水过程中，气体顺利排出，当下游侧排水管12中水体高度与水口管30齐平时，注水结束。
需要说明的是，完成注水后，实现虹吸排水功能，具体如下：
通过下降卷扬机21驱动拉索20，拉索20通过下降定滑轮23牵引出水口管30的下降至最低点，此时水口管30与漂浮式取水箱1存在明显的水位差，实现对淤地坝库区的排水功能,同时由于主被动排气口25与出水口管30之间的角度设置，在高速水流流经主被动排气口25时产生负压，将下游侧排水管12中残留在上凸式注水集气装置8中的空气通过主被动排气管11排出管道以外。
在一个可选的实施例中，本实施例上述不同之处在于，通过智慧预警供能系统实现对虹吸排水系统的排水速度调节及关闭功能。具体如下：
通提升卷扬机18驱动，将出水口管30抬高，减小水口管30与漂浮式取水箱1之间的水位差，减小排水速度，亦可通过控制水口管30的高度，控制淤地坝排水的最低水位，当上游库区水位与水口管30的高度一致时，虹吸排水系统自动停止排水。
当需要关停虹吸排水系统时，只需通过提升卷扬机18驱动，将出水口管30抬高至最高点，此时由于漂浮式取水箱1中设置的单向逆止阀3作用，当出水口管30高度高于漂浮式取水箱1时，单向逆止阀3自动关闭，确保整个虹吸管道中处于满水状态，方便下次再次启动运行。
在一个可选的实施例中，本实施例的不同之处，通过智慧预警供能系统对虹吸排水系统进行放空。具体实施如下：
为了对系统进行维护检修以及冬季防冻，需将虹吸排水系统中的水进行放空。首先将漂浮式取水箱1中的水通过浮台注/排水口7排出，使浮力可调节浮台6浮力增加，漂浮式取水箱1上浮，使漂浮式取水箱1的进水口脱离水面。此时驱动下降卷扬机21，将出水口管30放置最低位，可将虹吸排水系统中的所有水体实现放空。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
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