一种适用于山区城市河流的多功能智能调控柔性坝体
技术领域
本发明涉及一种山区城市河流的坝体。特别是涉及一种结合了蓄水、防洪、水体净化和 水景观效益的综合调蓄工程设计的适用于山区城市河流的多功能智能调控柔性坝体。
背景技术
水利工程作为关乎民生、城市发展以及人民群众生命财产安全的的重要工程设施，在防 洪、治涝、航运、发电、灌溉等方面都起着重要的作用。在城市河流中，布置、设计得当的 水利工程也可以起到美化城市、净化水体、促进城市社会经济发展的作用。山区城市河流一 般具有径流季节变化性大、降雨量大等特点，往往造成汛期防洪风险高和初期降雨时期水质 较差等问题。如何在实现传统工程的拦蓄功能、行洪排涝、下游防护功能以外，达到水质净 化和景观打造的目的是众多设计师和学者追求的目标。任何一种单一的传统水工建筑物都无 法同时实现以上需求，而需要研发一种多类型水工建筑物的叠加组合，高效低成本的解决该 问题。
目前常用于城市生态景观坝建设的有水闸、橡胶坝、钢闸坝等几种类型。针对这三种常 用景观坝类型来看，传统水闸在水利工程中应用广泛、技术成熟，但其仅能起到拦蓄和泄洪 排涝的作用，无法实现较好的水质净化和景观效果；橡胶坝有一定的景观效果和泄洪能力， 但效果十分有限，且拦蓄功能较弱，运行管理较复杂且安全可靠性差，使用寿命短(约10～ 15年更换一次坝袋)以及调度灵活性较差等缺点；钢闸坝则由于底轴密封受底部河床泥沙影 响较大，泥沙的磨蚀极易造成密封失效、磨损、卡轴，且相对于其他景观闸型投资高，而应 用较少。上述传统景观坝类型，都具有较大弊端限制。
因此，本项目提出一种多功能智能调控柔性坝体；该坝面采用柔性材料布设能够实现坝 面曲面形状的变换，从而实现消能方式切换，以适应上游不同径流下的泄洪需要，达到以下 目标：大流量采用底流消能方式以减少泄洪对下游岸坡的冲刷，小流量采用挑流或扭曲面消 能方式以通过掺气和扰动实现环境改善(水质净化和空气湿度增加)和景观打造。该设计改 变传统水坝单一的坝型和消能方式，增加上游水位和流量自动监测判断以及坝型智能切换将 水坝融入城市景观，成为山区城市河流智能化调节的多功能水利工程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够解决目前城市坝体形态固定，功能单一， 效能效率低，可调节性能差等问题的适用于山区城市河流的多功能智能调控柔性坝体。
本发明所采用的技术方案是：一种适用于山区城市河流的多功能智能调控柔性坝体，包 括有设置在河流上游的主体坝和设置在河流下游的二道坝，所述主体坝和二道坝相距设定的 距离，所述的主体坝是由固定坝和连接在所述固定坝下游侧的与固定坝宽度相同的柔性坝面 构成，所述柔性坝面的一侧边固定连接在所述固定坝下游侧的上侧边上，所述柔性坝面的另 一侧边固定连接通过驱动该侧边能够使柔性坝面形成以适应上游不同径流下的泄洪需要的不 同曲面形状的消能坝型的活动支撑机构，所述的活动支撑机构的控制输入端连接控制单元， 在所述的固定坝和活动支撑机构之间，还设置有用于支撑所述柔性坝面的2个以上的固定支 撑板。
本发明的一种适用于山区城市河流的多功能智能调控柔性坝体，通过柔性坝面及智能调 节系统，智能化调整坝面的各部分高度，实现根据不同的流量水位改变消能方式，消能效率 得到提升；通过调整挑流时的挑坎高度反弧半径等，使水流流态不断变化并进行一定掺气， 在完成传统拦蓄和泄洪排涝作用外，实现一定的水质净化和景观效果；通过智能调节系统， 实时监测水力要素，实现智能化调控装置变换。本发明以挑流及底流消能方式机理及各自特 点，传统水闸及橡胶坝各自优缺点，柔性材料在坝面的应用为理论基础，智能调节系统为主 要创新，总体来说，实现拦蓄、泄洪排涝、下游防护、水质净化、景观效果等多种功能，可 调性高，具有一定的自动化和智能化，具有显著的实际运用前景。本发明能应用于解决因拦 蓄工程带来的行洪排涝不利、下游冲刷严重、河道水环境恶化，景观效果差问题，解决目前 城市坝体形态固定，功能单一，效能效率低，可调节性能差等问题，能实现水体净化、城市 美化、人与水和谐化。改变人们对传统大坝的认知，让水利工程走进城市，走进人们的生活。 填补国内外相关领域的空白。
附图说明
图1是本发明一种适用于山区城市河流的多功能智能调控柔性坝体的示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是本发明中固定连接件的结构示意图；
图4是图3的侧视图；
图5本发明中升降装置的结构示意图；
图6是图5的侧视图；
图7是本发明中控制单元的构成示意图；
图8是本发明的柔性坝体为底流消能坝型的效果图；
图9是本发明的柔性坝体为挑坎挑流消能坝型的效果图；
图10是本发明的柔性坝体为扭曲面挑坎挑流消能坝型的效果图。
图中
A：主体坝 B：二道坝
1：固定坝 2：柔性坝面
3：活动支撑机构 3.1：升降装置
3.1.1：步进电机推杆器 3.1.2：卡槽
3.1.3：活动支撑板 4：固定支撑
5：固定连接件 5.1：柱形主体
5.2：夹板 5.3：通孔
5.4：螺栓 6：地基
7：河床 10.1：上游水位计
10.2：电脑 10.3：三轴运动控制器
10.4：驱动器 10.5：电源
10.6：下游水位计
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种适用于山区城市河流的多功能智能调控柔性坝体 做出详细说明。
本发明的一种适用于山区城市河流的多功能智能调控柔性坝体，是利用柔性坝面的可塑 性，通过电动装置改变挑坎形状，实现集多种挑坎形状于一体的多功能智能调控大坝。为保 证电动装置的安装，坝体柔性部分需局部掏空；为根据河道阶段性目标效益调整挑坎形状， 需在上游设流量及水位传感器，通过分析监测数据，赋予控制器不同参数，使电动装置产生 不同运动轨迹，电动装置带动上部支撑钢板运动，改变柔性橡胶坝面形状，达到挑流消能、 底流消能自由切换的效果，实现坝面调控的自动化、智能化。
如图1、图2所示，本发明的一种适用于山区城市河流的多功能智能调控柔性坝体，包 括有设置在河流上游的主体坝A和设置在河流下游的二道坝B，所述主体坝A和二道坝B相 距设定的距离。所述的主体坝A是由固定坝1和连接在所述固定坝1下游侧的与固定坝1宽 度相同的柔性坝面2构成，所述固定坝1的坝面形状采取WES曲线，安全可靠，耐久性好，保证整个坝体的稳定，为整个装置的固定部分。
所述柔性坝面2的一侧边固定连接在所述主体坝A下游侧的上侧边上，所述柔性坝面2 的另一侧边固定连接通过驱动该侧边能够使柔性坝面2形成以适应上游不同径流下的泄洪需 要的不同曲面形状的消能坝型的活动支撑机构3，所述的活动支撑机构3的控制输入端连接 控制单元，在所述的固定坝1和活动支撑机构3之间，还设置有用于支撑所述柔性坝面2的 2个以上的固定支撑板4。
所述的柔性坝面2是通过固定连接件5与所述固定坝1下游侧的上侧边固定连接，如图 3、图4所示，所述的固定连接件5是由柱形主体5.1和并排一体形在柱形主体5.1一侧的两 个用于夹持并固定柔性坝面2的夹板5.2，两个所述的夹板5.2上对称的形成有若干个通孔5.3， 所述的通孔5.3用于在两个所述的夹板5.2夹持住所述的柔性坝面2的侧边后，通过螺栓5.4 进行固定。
所述固定连接件5的宽度与所述固定坝1宽度相同，其中，构成固定连接件5的柱形主 体5.1固定在所述固定坝1上。
如图1所示，每个所述的固定支撑板4的宽度与所述柔性坝面2宽度相同，所述固定支 撑板4的上端连接所述柔性坝面2下端通过地基6固定在河床7上。
如图5、图6所示，所述的活动支撑机构3包括有沿着所述柔性坝面2的宽度方向并排 设置的3组结构相同的升降装置3.1，每个升降装置3.1均是由与所述控制单元相连的步进电 机推杆器3.1.1、连接在所述步进电机推杆器3.1.1输出端的卡槽3.1.2和固定在所述卡槽3.1.2 的槽内的活动支撑板3.1.3，所述活动支撑板3.1.3的上端通过螺栓与所述柔性坝面2固定连 接。
如图1所示，所述步进电机推杆器3.1.1的主体部分埋设在河床7的内部，所述步进电机 推杆器3.1.1的伸缩杆部分位于所述河床7的上部。
柔性坝面构成的坝段由柔性支撑坝面以及支撑板组成。柔性坝面下部设置柔性支撑钢板 支撑，橡胶坝段尾部打孔与钢板利用螺栓连接，支撑钢板下部设有升降装置，升降装置与支 撑钢板利用螺栓连接，调整支撑钢板高度，改变坝面形状，构成不同的坝面形式，以实现不 同功用。可实现两种消能方式为底流消能和挑流消能，实现三种不同坝型转换，分别为底流 消能坝型和两种挑流消能坝型，两种挑流消能坝型一种为一般连续挑坎，一种为扭曲面挑坎。
如图7所示，所述的控制单元包括有：三轴运动控制器10.3，所述三轴运动控制器10.3 通过信号线连接设置在所述固定坝1上游侧的上游水位计10.1和设置在二道坝B下游侧的下 游水位计10.6用于采集上下游的水位信号，所述三轴运动控制器10.3通过数据线和USB口 连接电脑10.2用于将所采集的上下游水位信号发送给电脑10.2进行显示，并接收监测人员根 据水位信号通过电脑10.2所发出的驱动控制信号，所述三轴运动控制器10.3的控制输出端分 别通过3个结构相同的驱动器10.4连接活动支撑机构3中的3个步进电机推杆器3.1.1根据 所述的驱动控制信号驱动3个步进电机推杆器3.1.1的伸缩使所述的柔性坝面2形成不同曲面 形状的消能坝型，所述三轴运动控制器10.3的电源输入端连接电源10.5。
本发明实施例中，所述的三轴运动控制器可以选择型号为AMC4030-CONTROLLER的模块；所述的上游水位计和下游水位计可以选择型号为HW-1000C型超声波水位计或型号为CCS-II型超声波水位计；所述的驱动器可以选择型号为TB6600 32细分3.5A的驱动器。
本发明中所述的控制单元挑坎角度控制的工作原理如下：
柔性坝面挑坎末端可以通过调节三个步进电机推杆器的相互高度形成不同的水舌形态， 调节消能方式，形成水景观。根据丰水期、枯水期来水量不同，水位不同，调节挑坎角度， 变换消能方式。将测得的水位输入电脑显示，监测人员控制步进电机推杆器升降，支撑柔性 坝面挑坎末端抬高、降低，变换挑坎角度和曲面形状，实现挑流消能和底流消能的灵活变换， 同时形成扭曲面形态，水舌形态多变，形成水景观，更具观赏性。步进电机推杆器可以精准 定位，可靠度较高。步进电机推杆器的升降形成不同曲面形状的消能坝型。
本发明中所述的不同曲面形状的消能坝型包括有：底流消能坝型、一般挑坎挑流消能坝 型和扭曲面挑坎挑流消能坝型。其中，所述的：
(1)底流消能坝型
在来水较少时，当上游水位未达到设定的高度，下游水位达到设定的高度且稳定时，监 测人员通过电脑输入驱动控制信号，使三个步进电机推杆器均降到最低，使柔性坝面形成底 流消能坝型，即构成底流消能方式；
(2)挑坎挑流消能坝型
在丰水期，当上游水位达到设定的高度，下游水位未达到设定的高度或水质未达到设定 的标准时，监测人员通过电脑输入驱动控制信号，使三个步进电机推杆器升至同一高度，使 柔性坝面形成挑坎挑流消能坝型，即构成挑流消能方式，增大水与空气接触面，积增加掺气， 从而实现水质净化，提高消能效率，实现一定的社会效益和生态效益；
(3)扭曲面挑坎挑流消能坝型
在丰水期，当上游水位达到设定的最高高度，监测人员通过电脑输入驱动控制信号，使 两边的步进电机推杆器升至同一高度，使中间步进电机推杆器的高度低于两边的步进电机推 杆器的高度，使柔性坝面形成扭曲面挑坎挑流消能坝型，即构成扭曲面挑坎的挑流消能方式。 行使景观功能，同时也增加掺气，达到水质净化效果。
下面给出最佳实施方式
例如：在城市郊区河道建设水利设施，我们需要其具备拦蓄河道、水流消能、一定的水 质净化等基本功能，同时美化水利建设，形成水景观，使其更具观赏性，促进美丽城市、旅 游城市建设。通过以下方法设计多功能智能调控柔性坝体，能同时满足以上需求，在完善基 本功能的基础上，通过智能调节，形成水景观。实施方法如下：
第一，确认河段，勘察河道两岸的地质情况，判断是否有修建坝体的基本条件，进行坝 体剖面设计。根据稳定分析、应力分析、构造设计等条件确定坝体剖面的安全性和稳定性。 根据河道断面尺寸和水文数据设计坝体整体尺寸和泄水孔尺寸。
第二，根据河道具体情况，从消能效率和美观角度，设计不同的挑坎角度和曲面形状。
第三，选择柔性坝面材料和活动支撑机构，开始建设柔性坝。施工过程中注意地基处理、 步进电机推杆器的电路连接和防水处理、刚性的固定坝与柔性坝体的连接以及下游河床冲刷 等问题。
第四，施工完成，进入运行阶段。丰水期时能有效拦蓄河水、消除水流能量，枯水期时 行使景观功能。将水位数据手动输入电脑，控制步进电机推杆器升降，从而调节挑坎角度和 曲面形状，实现底流消能与挑流消能灵活切换，形成扭曲面，水舌形态多变，更具观赏性。
第五，监测和维护阶段。无需大量人力监管。通过电脑获取上游水位计和下游水位计所 采集的信息，保证大坝安全运行。注意电动控制装置的安全性，确保电动控制装置的防水效 果和足够的支撑能力。
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