一種波能驅動的水庫淤積泥沙再分布方法和裝置與流程
2023-11-04 07:41:02 3
本發明涉及一種波能驅動的水庫淤積泥沙再分布方法和裝置，是一種水工方法和裝置，是一種利用波能等自然力對水庫等較深流動水體底部所淤積的泥沙進行幹預，使泥沙順水流流走的方法和裝置。
背景技術：
水庫中淤積泥沙是自從人類開始建造水庫即開始出現的問題。在河流上修壩建庫後，庫區水位壅高，水面比降減緩，流速減小，水流挾沙能力顯著降低，促使大部分泥沙淤積在庫內。其結果不僅導致水庫有效庫容減小，降低興利效益和防洪能力，甚至將威脅水庫使用壽命及安全運行，同時水庫淤積引起回水末端上延，將擴大淹沒和浸沒面積，並將威脅上遊城鎮、工礦及交通安全，回水末端的泥沙淤積還會影響航運，庫區泥沙的大量淤積，可能造成有害物質沉積於庫底，汙染水庫和周圍環境，並且將會淤沒魚類的產卵地，影響魚類繁殖。水庫泥沙問題是一個在世界範圍內普遍存在的問題，因此，在這樣的多沙河流上修建水庫，必然會產生泥沙問題。傳統清除水庫泥沙的方法是使用大型機械設備開挖水庫清除淤泥，但是這種方法要花費大量的人力物力。為此，是否可以找到一種不使用人類的力量，而是藉助自然的力量，對水庫底部容易淤積泥沙的部位進行幹預，清除或防止泥沙的淤積，這需要一種全新的解決方案。
技術實現要素：
為了克服現有技術的問題，本發明提出了一種波能驅動的水庫淤積泥沙再分布方法和裝置。所述的方法利用水面的波動能量攪動庫底的水流，從而改變庫底指定位置的衝淤特性，並以此清除水庫庫區內淤積的泥沙。
本發明的目的是這樣實現的：一種波能驅動的水庫淤積泥沙再分布方法，所述的方法包括如下步驟：
確定防止淤積或需要清除淤積的水庫部位；
在所選定的水庫部位設置在水中的攪動陣列；
所述攪動陣列中設有多個漂浮在水面的浮子，各個所述漂浮在水面的浮子隨水面的波動做與整個攪動陣列相對的運動；
各個所述的浮子帶動各自的驅動缸驅動氣體攪動庫底的水流；
被攪動的水流將庫底的泥沙攪動起來；
被攪動陣列攪動起來的泥沙隨自然水流流走。
進一步的，所述的浮子與整個攪動陣列的相對運動是隨水面波動的上下運動或左右運動，或前後運動。
進一步的，所述的被驅動氣體，通過吸水效應，將庫底的泥沙吸至流速較大的上層水體，隨自然水流流走。
一種實現上述方法的波能驅動的水庫淤積泥沙再分布裝置，包括：錨固或漂浮在水面的攪動陣列的框架，所述的框架上設有多個攪動單元，所述的攪動單元包括：能夠與框架做相對運動的浮子，所述的浮子通過連杆與固定在框架上的驅動缸中的活塞連接，各個所述驅動缸通過管道至少與兩個逆止閥連接，所述逆止閥所連接的管道至少連接一個能夠帶動泥沙流動的出口。
進一步的，所述的驅動缸是擺動缸或直線運動缸。
進一步的，所述的驅動缸連接四個逆止閥，其中兩個逆止閥與吸進管連接，兩個逆止閥與排出管連接。
進一步的，所述的吸進管的進口設置在空氣中。
進一步的，所述的排出管的出口設置在庫底。
進一步的，所述的排出管的出口設置在一根由庫底延伸至上層水體的立管中部。
進一步的，所述的排出管的出口設有支管，所述的支管的出口設置在庫底。
本發明產生的有益效果是：本發明在水庫容易淤積泥沙的位置設置浮動體陣列並使浮動體連接水底的攪動體陣列，不使用任何人為的動力，利用波浪能量，帶動驅動缸壓縮氣體，形成射流，利用射流促使水庫底部淤積的泥沙泛起，被水流衝走。由於不使用任何人為的動力，可以節省大量能源。
附圖說明
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
圖1是本發明的實施例四所述裝置的結構平面示意圖；
圖2是本發明的實施例四所述裝置的立面結構圖，是圖1中a-a方向的放大圖；
圖3是本發明的實施例五所述缸杆為水平的直線運動缸的安裝示意圖；
圖4是本發明的實施例五所述缸杆為傾斜的直線運動缸的安裝示意圖；
圖5是本發明的實施例五所述的擺杆的中間位置為水平時的擺動缸安裝示意圖；
圖6是本發明的實施例五所述的擺杆的中間位置為豎直時的擺動缸安裝示意圖；
圖7是本發明的實施例五所述的擺杆的中間位置為傾斜時的擺動缸安裝示意圖；
圖8是本發明的實施例九所述利用立管吸附泥沙的示意圖；
圖9是本發明的實施例十所述帶有支管的排出管的示意圖。
具體實施方式
實施例一：
本實施例是一種波能驅動水的庫淤積泥沙再分布方法。本實施例的基本思路是：利用水面的波浪，帶動浮子上下浮動，或橫向左右搖動，產生的動力帶動一個活塞在缸體中運動，利用活塞的運動壓縮氣體，驅動氣體運動，利用這些驅動的氣體攪動沉降的泥沙，使泥沙隨自然水流流走，避免甚至清除淤積。
所述的方法包括如下步驟：
（一）確定防止淤積或需要清除淤積的水庫部位。尋找水庫內具有確定流向的淤積泥沙的位置，以確定需要清除水庫泥沙的部位。水庫中的泥沙通常淤積在水流由激流變為緩流的位置，即由河道進入庫容的位置，那裡水流突然變緩，泥沙十分容易沉積。
（二）在所選定的水庫部位設置在水中的攪動陣列。攪動陣列即為由多個攪動體縱橫排列構成的陣列，攪動陣列使用剛性的材料，例如金屬管，或金屬型材將各個攪動體固定連接到一起。攪動陣列可以使用剛性材料完全固定在庫底或岸邊，以避免攪動陣列隨波浪產生任何位移，也可以固定在一個有較大抗風浪能力的浮動體上，只要能夠保證浮子能夠隨風浪與整個攪動陣列發生相對運動即可。
所述攪動陣列中設有多個漂浮在水面的浮子，各個所述漂浮在水面的浮子隨水面的波動做與整個攪動陣列相對的運動。設置浮子的關鍵在於使浮子能夠產生與整個攪動陣列發生相對位移，即在風浪中，攪動陣列可以隨風浪產生一定的位移，或上下浮動或左右搖晃，但由於浮子的質量遠遠小於整個攪動陣列的質量，因此在風浪中，浮子會發生於整個攪動陣列不同步的運動，這種浮子與整個攪動陣列的相對運動就可以產生一定的能量，利用這些能量促使泥沙流動，避免淤積。
（四）各個所述的浮子帶動各自的驅動缸驅動液體或氣體攪動庫底的水流。如何利用浮子與整個攪動陣列之間的相對運動所產生的能量產生驅動水流的動力，是本實施例的關鍵。
本實施例採用一種帶有活塞的驅動缸，利用浮子與固定在攪動陣列上的驅動缸的上下或左右，或前後相對運動，帶動缸體中的活塞上下或左右，或前後運動，使活塞兩側缸體的兩個腔體不斷變化，產生變化的壓力，將這兩個腔體內的變化的壓力通過管道輸出，即可以產生驅動能量。如果兩腔中充滿的是氣體，可以產生氣體射流，如果兩腔中充滿的是液體，則產生液體射流。氣體或液體射流可以通過管道直接被引導到庫底泥沙容易淤積的位置，吹其淤積的泥沙，使泥沙被自然水流流走。在一些水流運動較小的庫底，可以使用立管將射流轉換為具有吸附作用的水流，將庫底淤積的泥沙通過吸附作用，抽到流速較大的水層位置，使水流將泥沙帶走。
（五）被攪動的水流將庫底的泥沙攪動起來。如上所述，在水流能量較大的庫底可以採用直接吹動庫底泥沙的方式，將泥沙吹起，由水流帶走，在水深較大，庫底水流流速較小的情況下，可以利用立管產生的吸附作用，將庫底的泥沙抽起到接近水面水流流速較大的位置，使泥沙隨水流走。
（六）被攪動陣列攪動起來的泥沙隨自然水流流走。在水深較淺的地方，水底的水流流速較大，而當水深較深的情況下，水底的水流流速較小，因此，需要將泥沙帶動到接近水面的位置，才能是自然水流將泥沙帶走。
實施例二：
本實施例是實施例一的改進，是實施例一關於浮子運動的細化。本實施例所述的浮子的運動是隨水面波動的上下運動或左右運動，或前後運動。
波浪的運動是複雜的，是一個三維運動，但在多數情況下，波浪往往只在一個方向上產生較大的波動，而在其他兩個方向上僅產生較小的波動，如：在一些情況下，波動只是上下波動（縱波）較為強烈，而前後或左右的波動（橫波）較弱，或者前後或左右的波動強烈上下波動則比較弱。鑑於此，在波浪中浮子的運動可能同樣是十分複雜的三維運動，但由於機械結構的限制，很難做到三維運動的缸體，即便是兩維運動也很困難，也沒有必要，因此，只需要在一個方向上汲取能量已足夠了。
實施例三：
本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關於射流應用的改進。本實施例所述的被驅動的氣體（射流），通過吸水效應，將庫底的泥沙吸至流速較大的上層水體，隨自然水流流走。
將射流轉換為吸水效應，產生吸附力將泥沙從庫底抽取，可以使用立管，或類似的設施。在立管的中間位置設置一個將射流引入的岐管，岐管的出口朝向立管的上口，射流能夠促使立管中的液體向上流動，在立管的下端就會產生吸附效應，吸附庫底的泥沙。
實施例四：
本實施例是一種實現上述方法的波能驅動的水庫淤積泥沙再分布裝置，如圖1、2所示。本實施例包括：錨固或漂浮在水面的攪動陣列的框架1，所述的框架上設有多個攪動單元2，所述的攪動單元包括：能夠與框架做相對運動的浮子201，所述的浮子通過連杆202與固定在框架上的驅動缸203中的活塞204連接，各個所述驅動缸通過管道205至少與兩個逆止閥206連接，所述逆止閥所連接的管道至少連接一個能夠帶動泥沙流動的出口207，見圖2。
本實施例所述的攪動陣列可以使用金屬管或金屬型材縱橫連接，在水平面上連接框架，在縱橫的交點處設置浮子和驅動缸等設施。框架可以通過錨固的方式直接固定在庫底或水庫的岸邊，也可以固定在船隻等漂浮在水面上的漂浮物上，其條件是整個攪動陣列的波動，不能與浮子的波動同步。框架錨固在庫底，可以採用長度可調節的繩索，繩索的遠端拉住框架，另一端栓在重物（錨）上，將重物放在庫底，調節繩索的長度，使攪動單元的浮子可以隨波浪上下或左右運動即可，調節繩索的長度主要是為了適應不同的水深。
攪動單元是一個相對獨立的設施，各個單元之間沒直接的關係，各自產生攪動水流或氣流。攪動的原理是：通過浮子隨波浪的運動，帶動驅動缸中的活塞，或做直線運動或做旋轉運動，使活塞兩側的空間（腔體）發生變化，產生壓力或吸力，驅動氣體（空氣）或液體（水）產生驅動泥沙的射流。
浮子採用空心結構，並足夠大，以帶動活塞運動。
驅動缸可以是直線運動缸，也可以是擺動缸。直線運動缸可以豎直放置，也可以水平放置。
逆止閥可以安裝兩個，或四個，使一個或兩個腔體內的液體或氣體形成單向運動。
實施例五：
本實施例是實施例四的改進，是實施例四關於驅動缸的細化。本實施例所述的驅動缸是擺動缸或直線運動缸。
不論是直線運動缸或擺動缸，其安裝的方式與現場波動的方向密切相關。為獲得最大能量，應當分析安裝位置現場的波動方向主要是縱波還是橫波，或者是一種組合形式波動的波動，即波動方向是傾斜的。
當使用直線運動缸時，如果現場波動方向主要是縱波，可以將直線運動缸豎直安裝在攪動陣列上（見圖2），利用浮子與固定在攪動陣列上的缸體的上下相對運動，帶動缸體中的活塞上下運動。如果現場波動方向主要是橫波，可以將直線運動缸水平安裝在攪動陣列上，如圖3所示，利用浮子與固定在攪動陣列上的缸體的前後（或左右）相對運動，帶動缸體中的活塞前後（或左右）運動。如果現場波動主要是縱橫方向組合，即傾斜的波動方向，則應當根據波動的主要方向傾斜的安裝直線運動缸，如圖4所示。
當使用帶有旋轉活塞的擺動缸時，如果現場波動方向主要是縱波，則以擺杆208所帶動的旋轉活塞209的中間位置水平安裝擺動缸210，如圖5所示，利用浮子在隨波浪上下運動的時候，帶動旋轉活塞做旋轉運動。如果現場波動方向主要是橫波，則以擺杆的中間位置豎直安裝擺動缸，如圖6所示，利用浮子在隨波浪前後（左右）運動的時候，帶動旋轉活塞做旋轉運動。如果現場波動主要是縱橫方向組合，即傾斜的波動方向，則應當根據波動的主要方向，則設置擺杆的中間位置為傾斜（與主要波動一致）的狀態安裝擺動缸，如圖7所示。
實施例六：
本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關於逆止閥的細化。本實施例所述的驅動缸連接四個逆止閥，其中兩個逆止閥與吸進管連接，兩個逆止閥與排出管連接。
本實施例是兩腔使用的方案，即在驅動缸的兩腔都連接管路，再在管路上分叉，充分利用活塞運動產生的能量，如圖2所示。
實施例七：
本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關於吸進管的進口設置的細化。本實施例所述的吸進管的進口設置在空氣中。
吸進管進口設置在空氣中，見圖2，意味著驅動缸中壓縮的是氣體，最終形成的射流也是氣體。
實施例八：
本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關於排出管的出口設置的細化。本實施例所述的排出管的出口設置在庫底，如圖2所示。
本實施例利用排出口射出的射流，直接對準庫底的泥沙，利用射流的動能一方面吹動泥沙，促使泥沙流動，一方面利用射流產生攪動，產生紊流促使泥沙流動。
實施例九：
本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關於排出管的出口設置的細化。本實施例所述的排出管的出口設置在一根由庫底延伸至上層水體的立管211中部，如圖8所示。
本實施例是將射流轉換為吸附力，將庫底的泥沙吸起來，將泥沙吸到流速較大的水面附近，利用流動的水流將泥沙帶走。
射流吸附的轉換可以使用一根豎直安裝的管子中，將排出管的出口作為射流口，設置在立管的中間部位，並使用一個彎頭，將射流的方向指向水面，當氣體從排出管的出口射出時，驅動立管中的水流由下往上運動，使射流帶動管子中的水流流動形成吸附作用。
由於接近水面的上層水流流速相對較大，而接近庫底的底層水流相對流速較小，設置一根由庫底向水面延伸的立管，本身就能夠產生類似煙囪的效應，促使立管中的水流由下往上流動，而本實施例則利用空氣的射流作用，進一步促使立管中的水流由下往上流動，利用這種吸附作用，將庫底的泥沙帶到水面，並由水面較大的水流流速帶走。
為促使庫底淤積的泥沙流動，還可以在排出管上設置支管，將噴射的氣流引導到庫底，攪動庫底附近的底層水流，使泥沙泛起，便於被立管吸入，帶到上層水流中。
實施例十：
本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關於排出管的出口設置的細化。本實施例所述的排出管的出口設有支管212，所述的支管的出口設置在庫底，如圖9所示。
支管的出口可以設置在接近立管下端的位置，便於被攪動的泥沙進入立管。
最後應說明的是，以上僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳布置方案對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案（比如缸體的形狀、缸體的安裝方式、整個攪動陣列的形式等）進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。