一种深层取水系统及其操作方法与流程

本发明具体涉及水利水电工程技术领域，尤其涉及一种深层取水系统及其操作方法。

背景技术：

高坝工程为我国经济社会发展带来巨大能源效益，工程放空技术是其稳定、安全运行的重要保障。但是，深层取水建筑物往往由于结构承受巨大水推力作用而无法布置在80m水深以下。导致取水深度及取水量受限于取水建筑物的布置高程、闸门尺寸、闸门结构形式及运行方式。极大影响了我国相关行业的取水范围及用水量，甚至需要布置更多的建筑物、投入更多的金属设备、时间、人力、物力成本来满足需求。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种深层取水系统及其操作方法。

本发明是通过如下技术方案予以实现的。

本发明提供了一种深层取水系统，包括隧洞，沿着所述隧洞以内水流流向，依次布置有高程逐级降低的多级1取水单元，每级取水单元均包括沿着隧洞内水流流向按照适当间距依次并列布置的多个挡水闸门装置、至少一个事故闸门装置和至少一个排空闸门装置，其中，各级取水单元以内所包含的挡水闸门装置的数量成等差数列逐渐增加，所述挡水闸门装置包括沿着隧洞内水流流向依次并列布置于河道内的检修闸井和工作闸井，检修闸井以内设置有可沿检修闸井升降滑动的检修闸门，工作闸井以内设置有可沿工作闸井升降滑动的工作闸门，所述事故闸门装置包括事故闸井，所述事故闸井以内设置有可沿着事故闸井升降滑动的事故闸门。

所述等差数列的公差为1。

当所述取水单元以内所包含的挡水闸门装置的数量大于3时，沿着隧洞内水流流向，自第2个挡水闸门装置起至最后1个挡水闸门装置止，任意相邻两个挡水闸门装置之间还布置有溢流通道，溢流通道分别与相对应的检修闸井、工作闸井连通。

所述检修闸门、工作闸门和事故闸门均为平板闸门。

所述排空闸门装置包括排空闸室，排空闸室以内设置有排空闸门，排空闸门可活动地导通或截断排空闸室以下的隧洞。

所述排空闸门为弧形闸门。

所述排空闸室与下游隧洞连接处还设置有沿河道水流流向由高至低倾斜的压坡段。

当所述取水单元以内所包含的挡水闸门装置的数量大于2时，沿着隧洞内水流流向，任意相邻两个挡水闸门装置之间还设置有溢流廊道a，溢流廊道a的两端分别与所述挡水闸门装置以内相应的检修闸井或工作闸井连通。

所述事故闸井以内还设置有补气管，补气管的一端与所述事故闸井正下方隧洞连通，补气管的另一端沿竖直向上方向延伸。

所述排空闸室两侧还设置有补气孔，补气孔设置高度相对于所述排空闸门顶面之间的高度差大于2米。

此外，本发明还提供了一种深层取水系统的操作方法，包括以下步骤：

使用所述深层取水系统，设该深层取水系统包括n级取水单元1，各级取水单元1以内所包含的挡水闸门装置3的数量成等差数列逐渐增加，设等差数列公差为△d，第1级取水单元1包括m个挡水闸门装置3，则第i级取水单元1包括k个挡水闸门装置3，其中，i＝1,2,3,…,n，k值满足以下关系式：

k＝m+(i-1)△d；

设第i级取水单元1所包括的k个挡水闸门装置3沿着隧洞2以内水流流向依次编制序号为：a1,a2,a3,…,ak，当对上述深层取水系统进行操作时，包括以下步骤：

一、蓄水阶段：

步骤一：沿着与隧洞2内水流流向相反的方向，同时关闭n级取水单元1以内的所有排空闸门装置5；

步骤二：待n级取水单元1以内的所有排空闸门装置5的上游水位达到与其对应的预设水位高度后，同时关闭n级取水单元1以内的所有编号为ak的挡水闸门装置3；

步骤三：待n级取水单元1以内的所有编号为ak的挡水闸门装置3的上游水位达到与其对应的预设水位高度后，同时关闭n级取水单元1以内的所有编号为ak-1的挡水闸门装置3；

步骤四：重复步骤三，直至关闭n级取水单元1以内的所有挡水闸门装置3，蓄水阶段结束；

二、取水阶段：

步骤一：沿着隧洞2内水流流向，同时开启n级取水单元1以内的所有编号为a1的挡水闸门装置3；

步骤二：待n级取水单元1以内的所有编号为a1的挡水闸门装置3的下游水位与其上游水位持平后，再同时开启n级取水单元1以内的所有编号为a2的挡水闸门装置3；

步骤三：重复步骤二，直至同时开启n级取水单元1以内的所有编号为ak所有挡水闸门装置3；

步骤四：待n级取水单元1以内的所有编号为ak的挡水闸门装置3的下游水位与其上游水位持平后，再同时开启n级取水单元1以内的所有排空闸门装置5，并且从第n级取水单元1的排空闸门装置5下游隧洞2以内取水。

三、挡水闸门装置3的检修：

当需要对挡水闸门装置3以内的工作闸门34进行检修时，落下检修闸门33阻断隧洞2，通过平压充水管6放水，待该挡水闸门装置3上下游水位持平后，再提起工作闸门34检修，检修完毕放下工作闸门34，通过平压充水管6向该挡水闸门装置3两侧上下游充水，待该挡水闸门装置3两侧上下游水位达到预设高度后，提起检修闸门33，完成检修；

三、排空闸门52的检修：

当需要对排空闸门52进行检修时，关闭与其相对应的事故闸门42，再提起排空闸门52进行检修，检修完毕，放下排空闸门52，通过充水管两端充水后，事故闸门装置4内上下游水位持平后，提起事故闸门42，完成检修。

本发明的有益效果在于：采用本发明的技术方案，对于80m水深以上的取水系统，在河道底部设置有截面为城门洞形状的隧洞，通过设置多级挡水闸门装置，使来自于河道上游的水压逐级降低水压，并使每个高压池内对水压的降低作用保持均衡，从而有利于减少整个放空系统中挡水闸门装置的设置级数，减少施工工程量，降低施工难度，节省施工建设成本，进一步地，通过设置多条连通管，使各个高压池相互连通，并在连通管上设置多个阀门进行控制，从而尽最大可能地使每个高压池内对水压的降低作用保持均衡，并可通过阀门的开闭对每个高压池内的水压进行调整，为完全排空水头奠定了良好的基础，此外，也保证了排空闸门装置检修操作过程中的水位平衡，另外，多级挡水闸门装置中，最后一级挡水闸门装置作为检修时使用，其还配置有相应的补气管，可以通过补气管向水体内进行补气，避免产生空化、负压等不利情况。此外，通过设置溢水廊道，保证了放空系统在运行时各个高压池内的水压不会超过限额，有利于保障放空系统安全运行。

采用本发明的技术方案，充分利用了水力学反向水推力原理,通过发挥各种闸门型式的优势分担挡水及取水功能，在满足建筑物挡水、取水的各项功能的同时，还能将建筑物布置于水下更深层，取到足够的水量，成功解决深层取水、放水的行业技术难题。本发明专利可根据取水深度要求布置不同层数的建筑物，灵活满足取水需求，突破了传统设计中布置单层建筑物不一定能满足取水需求的限制。本操作方法满足系统结构运行、检修、应急等工况下的各种操作要求，满足现有土建、金结、电气设备技术要求。本操作方法在建筑物结构设计中利用分级闸门挡水、采用平压管路、平压竖井和溢水廊道平衡水压，实现系统各个工况下的运行要求，具备极高的安全性和稳定性。进一步地，用于驱动检修闸门和工作闸门的动力设备分层地布置于相应的检修闸室或工作闸室的顶部，使检修闸门和工作闸门可彼此相对独立的使用动力，既节省了动力设备的布置空间，也相应降低了工程量和投资建设成本；排空闸室下方设置有掺气坎，保证了排空闸门和事故闸门之间隧洞段的水压气压平衡，增加了结构稳定安全性；排空闸室下游的无压洞段顶部设置压坡段，用于降低水面线，相应降低了无压洞边墙高度，节省工程量和投资；事故闸门设置相应的补气管，保证了在各种工况条件下的气压水压稳定，增加结构使用稳定性；此外，本发明提供的深层取水系统的操作方法，有效降低了建筑物结构尺寸，增加其施工运行安全性，极大增加了工程效益。

附图说明

图1是本发明放空系统的结构示意图；

图2是本发明取水单元的结构示意图；

图3是本发明取水单元的局部放大图。

图中：1-取水单元，2-隧洞，3-挡水闸门装置，4-事故闸门装置，5-排空闸门装置，6-平压充水管，7-溢流廊道a，8-溢流廊道b，9-平压竖井，10-补气管，11-排气孔，12-大坝帷幕，21-压坡段，31-检修闸井，32-工作闸井，33-检修闸门，34-工作闸门，35-拦砂坎，41-事故闸井，42-事故闸门，51-排空闸室，52-排空闸门，53-掺气坎。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

本发明的一种深层取水系统及其操作方法，如图1、图2、图3所示，深层取水系统包括与水源连通的隧洞2以及沿着隧洞2内水流流向依次并列布置于隧洞2之上的若干级取水单元1，并且各级取水单元1布置高程逐渐降低，每级取水单元1均包括沿着隧洞2内水流流向按照适当间距依次并列布置的多个挡水闸门装置3、至少一个事故闸门装置4和至少一个排空闸门装置5，其中，沿着隧洞2内水流流向，各级取水单元1以内所包含的挡水闸门装置3的数量成等差数列逐渐增加，挡水闸门装置3包括沿着隧洞2内水流流向依次并列布置于河道内的检修闸井31和工作闸井32，检修闸井31以内设置有可沿检修闸井31升降滑动的检修闸门33，工作闸井32以内设置有可沿工作闸井32升降滑动的工作闸门34，事故闸门装置4包括事故闸井41，事故闸井41以内设置有可沿着事故闸井41升降滑动的事故闸门42。

本发明提供了一种深层取水系统及其操作方法，包括沿着隧洞2内水流流向依次并列布置于河道内的若干级取水单元，河道河床以内开凿有隧洞，所有取水单元均布置于隧洞之上，并且沿着隧洞2内水流流向，各级取水单元布置高程逐渐降低，每级取水单元均包括沿着河道水流流向按照适当间距依次并列布置的多个挡水闸门装置、至少一个事故闸门装置和至少一个排空闸门装置，其中，沿着隧洞2内水流流向，各级取水单元以内所包含的挡水闸门装置的数量成等差数列逐渐增加，挡水闸门装置包括沿着隧洞2内水流流向依次并列布置于河道内的检修闸井和工作闸井，检修闸井以内设置有可沿检修闸井升降滑动的检修闸门，工作闸井以内设置有可沿工作闸井升降滑动的工作闸门，事故闸门装置包括事故闸井，事故闸井以内设置有可沿着事故闸井升降滑动的事故闸门。优选等差数列的公差为1。

进一步地，检修闸门33、工作闸门34布置形式均为后止水形式。事故闸门42布置形式均为前止水形式。沿着隧洞2内水流流向，各级取水单元1以内最后一个挡水闸门装置3与排空闸门装置5之间还布置有大坝帷幕12。优选大坝帷幕12布置位置与排空闸门装置5之间间距为5米至6米。

当取水单元以内所包含的挡水闸门装置的数量大约3时，沿着隧洞2内水流流向，自第2个挡水闸门装置起至最后1个挡水闸门装置止，任意相邻两个挡水闸门装置之间还布置有平压充水管，平压充水管分别与相对应的检修闸井、工作闸井连通。

优选检修闸门、工作闸门和事故闸门均为平板形状。排空闸门装置包括排空闸室，排空闸室以内设置有可转动的排空闸门，排空闸门可活动地导通或截断排空闸室以下的隧洞。

此外，隧洞2底部还设置有掺气坎53，掺气坎53设置于排空闸室51的正下方。隧洞2底部还设置有拦砂坎35，沿着隧洞2以内水流流向，拦砂坎35设置于各级取水单元1以内相应的第1个挡水闸门装置3的上游入口处。

优选排空闸门外表面为圆弧形状。排空闸室与下游隧洞连接处还设置有沿河道水流流向由高至低倾斜的压坡段。

当取水单元以内所包含的挡水闸门装置的数量大约2时，沿着隧洞2内水流流向，任意相邻两个挡水闸门装置之间还设置有溢流廊道a，溢流廊道a的两端分别与挡水闸门装置以内相应的检修闸井或工作闸井连通。

事故闸井以内还设置有补气管，补气管的一端与事故闸井正下方隧洞连通，补气管的另一端沿竖直向上方向延伸。

排空闸室两侧还设置有补气孔，补气孔设置高度相对于排空闸门顶面之间的高度差大于2米。

本发明的有益效果在于：采用本发明的技术方案，对于80m水深以上的取水系统，在河道底部设置有截面为城门洞形状的隧洞，通过设置多级挡水闸门装置，使来自于河道上游的水压逐级降低水压，并使每个高压池内对水压的降低作用保持均衡，从而有利于减少整个放空系统中挡水闸门装置的设置级数，减少施工工程量，降低施工难度，节省施工建设成本，进一步地，通过设置多条连通管，使各个高压池相互连通，并在连通管上设置多个阀门进行控制，从而尽最大可能地使每个高压池内对水压的降低作用保持均衡，并可通过阀门的开闭对每个高压池内的水压进行调整，为完全排空水头奠定了良好的基础，此外，也保证了排空闸门装置检修操作过程中的水位平衡，另外，多级挡水闸门装置中，最后一级挡水闸门装置作为检修时使用，其还配置有相应的补气管，可以通过补气管向水体内进行补气，避免产生空化、负压等不利情况。此外，通过设置溢水廊道，保证了放空系统在运行时各个高压池内的水压不会超过限额，有利于保障放空系统安全运行。

充分利用水力学反向水推力原理,通过发挥各种闸门型式的优势分担挡水及取水功能，在满足建筑物挡水、取水的各项功能的同时，还能将建筑物布置于水下更深层，取到足够的水量，成功解决深层取水、放水的行业技术难题。本发明专利可根据取水深度要求布置不同层数的建筑物，灵活满足取水需求，突破了传统设计中布置单层建筑物不一定能满足取水需求的限制。本操作方法满足系统结构运行、检修、应急等工况下的各种操作要求，满足现有土建、金结、电气设备技术要求。本操作方法在建筑物结构设计中利用分级闸门挡水、采用平压管路、平压竖井和溢水廊道平衡水压，实现系统各个工况下的运行要求，具备极高的安全性和稳定性。对传统泄洪洞结构进行分层布置启闭机，节省了启闭机布置空间，相应降低了结构尺寸及工程量和投资造价；弧形闸门后增设补气坎、补气洞，保证了弧形闸门和事故闸门之间洞段的水压气压平衡，增加了结构稳定安全性；无压洞段顶部压坡、两侧扩散降低水面线，相应降低了无压洞边墙高度，节省工程量和投资；事故闸门布置补气、充水管，保证各工况下的气压水压稳定，增加结构使用稳定性；增设交通竖井和水平闸室、交通廊道等综合改进措施，极大的保障了各层结构的稳定安全性，为结构稳定有效运行提供更高保障。本操作方法有效降低了建筑物结构尺寸，增加其施工运行安全性，极大增加了工程效益。

进一步地，等差数列的公差为1。当取水单元1以内所包含的挡水闸门装置3的数量大约3时，沿着隧洞2内水流流向，自第2个挡水闸门装置3起至最后1个挡水闸门装置3止，任意相邻两个挡水闸门装置3之间还布置有平压充水管6，平压充水管6分别与相对应的检修闸井31、工作闸井32连通。平压充水管6数量至少为2条。

优选检修闸门33、工作闸门34和事故闸门42均为平板形状。排空闸门装置5包括排空闸室51，排空闸室51以内设置有可转动的排空闸门52，排空闸门52可活动地导通或截断排空闸室51以下的隧洞2。排空闸门52外表面为圆弧形状。

进一步地，排空闸室51与下游隧洞2连接处还设置有沿河道水流流向由高至低倾斜的压坡段21。

此外，当取水单元1以内所包含的挡水闸门装置3的数量大约2时，沿着隧洞2内水流流向，任意相邻两个挡水闸门装置3之间还设置有溢流廊道a7，溢流廊道a7的两端分别与挡水闸门装置以内相应的检修闸井31或工作闸井32连通。其中，沿着隧洞以内水流流向，各级取水单元1以内的最后一个挡水闸门装置3所包含的工作闸井32还通过溢流廊道a7与平压竖井9连通，溢流廊道a7沿着隧洞2内水流流向由高至低倾斜布置，其坡度小于3％。优选隧洞2位于挡水闸门装置3、事故闸门装置4或排空闸门装置5以下部分横断面为矩形，位于取水单元1其余部分以下的部分横断面为圆形或类似于城门洞的形状。

进一步地，当取水单元1以内所包含的挡水闸门装置3的数量大约1时，排空闸门装置5上游隧洞2与下游隧洞2之间还通过溢流廊道b8连通。当取水单元1以内所包含的挡水闸门装置3的数量大约3时，取水单元1以内最后一个挡水闸门装置3还通过平压竖井9与溢流廊道b8连通。

优选事故闸井41以内还设置有补气管10，补气管10的一端与事故闸井41正下方隧洞2连通，补气管10的另一端沿竖直向上方向延伸。排空闸室51两侧还设置有补气孔11，补气孔11设置高度相对于排空闸门52顶面之间的高度差大于2米。

此外，设上述深层取水系统包括n级取水单元1，各级取水单元1以内所包含的挡水闸门装置3的数量成等差数列逐渐增加，设等差数列公差为△d，第1级取水单元1包括m个挡水闸门装置3，则第i级取水单元1包括k个挡水闸门装置3，其中，i＝1,2,3,…,n，k值满足以下关系式：

k＝m+(i-1)△d；

设第i级取水单元1所包括的k个挡水闸门装置3沿着隧洞2以内水流流向依次编制序号为：a1,a2,a3,…,ak，当对上述深层取水系统进行操作时，包括以下步骤：

一、蓄水阶段：

步骤一：沿着与隧洞2内水流流向相反的方向，同时关闭n级取水单元1以内的所有排空闸门装置5；

步骤二：待n级取水单元1以内的所有排空闸门装置5的上游水位达到与其对应的预设水位高度后，同时关闭n级取水单元1以内的所有编号为ak的挡水闸门装置3；

步骤三：待n级取水单元1以内的所有编号为ak的挡水闸门装置3的上游水位达到与其对应的预设水位高度后，同时关闭n级取水单元1以内的所有编号为ak-1的挡水闸门装置3；

步骤四：重复步骤三，直至关闭n级取水单元1以内的所有挡水闸门装置3，蓄水阶段结束；

二、取水阶段：

步骤一：沿着隧洞2内水流流向，同时开启n级取水单元1以内的所有编号为a1的挡水闸门装置3；

步骤二：待n级取水单元1以内的所有编号为a1的挡水闸门装置3的下游水位与其上游水位持平后，再同时开启n级取水单元1以内的所有编号为a2的挡水闸门装置3；

步骤三：重复步骤二，直至同时开启n级取水单元1以内的所有编号为ak所有挡水闸门装置3；

步骤四：待n级取水单元1以内的所有编号为ak的挡水闸门装置3的下游水位与其上游水位持平后，再同时开启n级取水单元1以内的所有排空闸门装置5，并且从第n级取水单元1的排空闸门装置5下游隧洞2以内取水。

三、挡水闸门装置3的检修：

当需要对挡水闸门装置3以内的工作闸门34进行检修时，落下检修闸门33阻断隧洞2，通过平压充水管6放水，待该挡水闸门装置3上下游水位持平后，再提起工作闸门34检修，检修完毕放下工作闸门34，通过平压充水管6向该挡水闸门装置3两侧上下游充水，待该挡水闸门装置3两侧上下游水位达到预设高度后，提起检修闸门33，完成检修；

三、排空闸门52的检修：

当需要对排空闸门52进行检修时，关闭与其相对应的事故闸门42，再提起排空闸门52进行检修，检修完毕，放下排空闸门52，通过充水管两端充水后，事故闸门装置4内上下游水位持平后，提起事故闸门42，完成检修。

本申请的技术方案由中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司投入实施应用，在实施中，受贵州省科技支撑计划科技项目黔科合支撑[2017]2865的资助、中国电建科研项目dj-zdxm-2017-05的资助，在实施后，取得了上述有益的技术效果，同时社会效益良好。