一种提高大型水库分层低温水的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种提高大型水库分层低温水的装置及方法。为了改善已建水电站的下泄低温水水温低的问题，所述提高大型水库分层低温水的装置，包括设置在水库内的主要由隔水网组成的水温控制幕，竖向布置的该水温控制幕设置在水库坝前600m~1500m，且垂直于坝前泄水的取水口延伸方向；所述水温控制幕的顶部位于水库跃温层以下，该水温控制幕的底部固定在水库底部，使水库表层水和跃温层水经过水温控制幕顶端进入取水口，水库底部的低温水被水温控制幕挡在取水口处。本发明在不影响电站运行现状的的前提下，可有效提升已建电站下泄水温达3℃-5℃。
【专利说明】-种提高大型水库分层低温水的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种提高大型水库分层低温水的装置及方法，属于水利水电工程技术 领域。
【背景技术】
[0002] 高巧大库，特别是一些调节性能好的深水库，其水库库容大、流速缓，春夏之交，水 体垂向温度出现明显分层，深水层中水体温度低，且受气温变动影响小，导致水库下泄水温 低于天然河道水温，对下游农作物和鱼类产生不利影响。随着我国社会经济发展，对生态环 境问题越来越重视，为避免水库下泄低温水的不利影响，开始考虑改善水电站下泄水的水 温。目前对水电站下泄低温水的治理方法主要有叠梁口分层取水法。
[0003] 叠梁口分层取水法是在水电站原进水口的上游适当位置新建叠梁口分层取水式 进水口，根据水库水位选择启用新建的某层进水口，原进水口间口关闭，该样可W达到分层 取水的目的。但是建设叠梁口需要在电站建设期间同步实施，由于种种原因我国存在很多 已运行的存在低温水的、尚未采取治理措施的高巧大库。此类水库无法采用叠梁口方案进 行低温水整治。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述现有水电站下泄低温水治理方法存在的局限性问题，本发明旨在提 供一种提高大型水库分层低温水的装置及方法，该装置及方法在不影响电站运行现状的 的前提下，可有效提升已建电站下泄水温达：rc -5C。
[0005] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0006] 一种提高大型水库分层低温水的装置，包括设置在水库内的主要由隔水网组成的 水温控制幕，竖向布置的该水温控制幕设置在水库巧前600m?1500m，且垂直于巧前泄水 的取水口延伸方向；所述水温控制幕的顶部位于水库跃温层W下，该水温控制幕的底部固 定在水库底部，使水库位于跃温层之上的表层水和跃温层水经过水温控制幕顶端进入取水 口，水库底部的低温水被水温控制幕挡在取水口处。
[0007] W下为本发明的进一步改进的技术方案：
[0008] 为了方便固定隔水网，作为一种具体的结构形式，所述隔水网的顶部设有上纲，隔 水网的底部设有下纲，隔水网的两侧端固定在水库的坡壁上。
[0009] 优选地，所述水温控制幕的顶部位于水库水面之下20m?40m。
[0010] 所述水库的坡壁上装有导轨，所述隔水网的两侧端装有多个可沿着导轨滑动的活 动套环，在水库的岸坡上设有可驱动活动套环沿着导轨滑动的卷扬机。进一步地，所述导轨 为不镑钢绳。由此，卷扬机可W在不同水期将隔水网的顶部调至不同的高程。
[0011] 所述上纲和下纲之间连接有多根纵力纲，W提高隔水网的承压强度。
[0012] 优选地，所述隔水网的网孔为菱形孔或六边形孔，隔水网的水平缩结系数ul小于 0.707。
[0013] 为了更好地稳固隔水网，所述隔水网顶部连接有浮子，隔水网底部连接有坠子，坠 子优选为混凝±抛域。
[0014] 所述隔水网的网绳为迪尼玛绳。
[0015] 所述隔水网的透水率不大于0. 2Lu。
[0016] 进一步地，本发明提供了一种利用上述提高大型水库分层低温水的装置提高大型 水库分层低温水的方法，在水库巧前一定距离的恒温层内垂直于水流方向布设具有一定透 水率的水温控制幕，使水库表层水和跃温层水经过水温控制幕顶端进入取水口，水库底部 的低温水被水温控制幕挡在取水口处。
[0017] 藉由上述结构，本发明的水温控制幕表层取水法将由高分子材料制作而成的幕布 底部固定在水底，顶部由固定绳索置于水面下一定位置，表层温度较高的水经过幕布顶端 进入取水口，底部低温水被幕布挡在取水口处，由此达到取表层温水的目的。具体而言，是 将具有一定透水率的柔性幕布遮挡于巧前一定距离的一定深度（一般设置于恒温层），通 过水温控制幕控制低温水进入巧前进水口的比例，而与下游天然河道水温接近的表层水和 跃温层水不受阻挡，打破水温控制幕布后的水温分层结构，提升巧前进水口水温。
[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是；本发明突破了传统电站下泄低温水治理 方法的局限性，改善水温的同时还能保证电站发电量，其构筑物简单、工程量小、施工周期 短，适用于已建电站工程，具有显著的经济效益和社会效益，可提高巧前进水口水温3? 5 °C，有效地改善了已建水电站的下泄低温水水温低的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1是本发明一个实施例的结构原理图；
[0020] 图2是本发明隔水网一种网孔的结构示意图。
[00川 在图中
[002引 1-隔水网；2-上纲；3-下纲；4-导轨； 5-活动套环；
[0023] 6-卷扬机；7-浮子；8-坠子；9-纵力纲；10-销杆。
【具体实施方式】
[0024] W下W国内某大型水库为例，结合附图对本发明作进一步阐述。
[00巧]本方案发明有效降低低温水对下游水生生态的影响，在4?7月份，尽量将水下 40m?70m的低温水拦截，将水库表层水下放到巧下，减少低温水进入巧前取水口流量。息 索根据水位的变化进行适当调节，隔水网一般采用高性能材料作为阻隔材料，由于受到来 水的作用，息索及隔水网在水流方向形成抛物面，需要结合隔水网受到的动水压力和静水 压力的分析具体受力。
[0026] 在分析项目的可行性和有效性的基础上，考虑保障工程的安全性和运行方便性， 方案设计时将综合考虑W下几点：
[0027] a)工程安全性保障
[0028] 本工程距离进水口直线距离约为1000m，失事会将危及电站运行和航运安全。设计 时考虑W下5个方面。
[0029] 1)考虑电站最小泄洪流量4870m3/s (其中电站满发流量870m3/s、溢洪道最小安全 下泄流量4000mVs的合计出库流量）时已基本不存在低温水问题，在参数选取过程中W电 站最小泄洪流量4870mVs情况下的流速0. 21m/s为设计流量进行计算隔水网的阻力W保 证隔水网在电站运行达到最小泄洪流量前能承受水流的冲击。
[0030] 2)网片上边缘考虑采用4倍安全储备的高强度网线进行缝合，其余H边按流速荷 载采用等强度网线缝合，网衣一旦超载，H边缝合自行脱落，掀起网衣过流。
[0031] 3)电站泄洪时，为避免水流带来巨大冲击造成安全事故，将隔水网放置于水库底 部一定高程使不受洪水影响，并保证顺利过水。同时，为保证在行洪后将沉底的抛域提起， 尽量选择砂粘±底质，同时考虑所选断面上两岸边坡的坡度平缓，库底平坦、水下无树粧、 屋基、山丘等障碍物。
[0032] 4)由于水库巧前有船运码头，需要在隔水网附近设置航道标志和信号。
[0033] 5)为保持隔水网在垂向上稳定，在底部的抛域设计中需要考虑泄洪工况下能将网 片全部沉于库底的措施。
[0034] b)运行方便性保障
[0035] 1)为保证隔水网在运行期间根据不同水位的升降，同时保障在行洪之后能将隔水 网提起至设计高程，需要在两岸拉索平台设计中考虑卷扬机等自动升降设施。
[0036] 2)根据本实施例和国内其他水库的污染物特性，污物厚度保持在水面至水面W下 1.5m。由于隔水网上纲一般设置于水面下30m，基本不会有污物和大的阻挡物的出现。但在 网线上会有微生物附着生长，随着运行时间的累积，会堵塞网孔，为此需要考虑在网线涂抹 防止微生物附着生长的无毒涂料或者在网线制作过程中添加相关成分。
[0037] 3)为方便隔水网在不同水位状况下W及泄洪前后的升降，需要沿隔水网断面两侧 设置导杆。导杆更能升降过程中隔水网的定位。
[0038] 1、隔水网选线布置
[0039] 隔水网的布置断面选择需要综合考虑幕布施工难度、经济合理、幕布受力尽量均 匀等多方面因素。为此需要选择在河道相对较窄，河道两岸及淹没区域尽量为缓坡地带且 地质条件较好的区域，避开奈流区域。此外，考虑到电站运行过程中，进水口附近水体的扰 动影响，需要远离进水口。初拟在巧前1000m地形较为狭窄处设置透水效率为10%的隔水 网水体阻隔。隔水网采用上部息索固定，下部吊装混凝±抛域方案、两侧采用钢索导轨固定 方式，其中息索布置高程为正常蓄水位W下30m，即445m高程；隔水网下端设置在建基面高 程W下10m,即395m高程。
[0040] 2、隔水网计算
[0041] 2. 1隔水网面积
[0042] 隔水网上下纲长度应能拦阻拦网断面的最大跨度，由于隔水网在受到来水冲力的 作用下在长度和高度方向上必然会呈现抛物线形状，所W拦网的长度和高度要比断面的宽 度和高度尺寸大。一般拦网上纲长度为拦网断面的最大跨距的长度再加上最大跨距长度的 5%，即L。^为337m ;下纲长度为最大底线长度再加上最大底线长度的5%，即Ut为219m ; 网高为实际高度再加上实际高度的5%，即53m。
[004引 2. 2隔水网网片规格
[0044] 隔水网网片由网衣、缘网组成，网衣是隔水网的主要部分，起到阻隔来水作用，缘 网是为了加强边缘强度而专口用粗线编制的网衣。
[004引 2. 2. 1隔水网网目大小和网线直径
[0046] 从市场网的编制了解，目前为菱形网和六边形网，菱形网居多。本设计中所采用网 孔为菱形网，隔水网示意如图2所示。假设隔水网的透水率与网孔空隙率相等，当隔水网透 水率为狂)10%，即；
[0047] S单网孔（单网孔面积）/S单网目（单网目面积）=1/10,其中S单网目=Si/2网线（组成单 网目的网线（半径宽）围成的面积）。
[0048] S 单网孔=e2Xsina (2.2-1)
[0049] S单网目=a2x sin a = (e+d/sin a )2x sin a (2. 2-2)
[0050] 其中e-半个网目内径；
[0051] a-目脚长度（网目中两个相邻结或连接点的中也之间当目脚充分伸直而不伸长 时的距离）；
[00閲 d-网线直径；
[0053] a-为网线的垂向夹角；
[0054] 根据网线受力，在保证网强度前提下，查相关材料性能，初步拟选择直径20mm的 聚己帰编织绳作为网线，其破断强力为4. 3ts，重量为20kg/100m。由此推算出网目内径尺 寸2e为18. 66mm，网目尺寸2a为59. 00mm。
[00巧]隔水网网片在使用过程中需要通过网片缩结实现隔水网的网目在水中张开并获 得一定的形状，并使网目在合适顶角角度时使受力最合适。缩结，是把网片拉伸后的闭合长 度加 W缩短，并均匀的固定在纲索上，使得网目张开成一定形状的工艺过程。网片缩结程度 是用缩结系数来表示，在水平方向缩结系数记为Ui，垂直方向缩结系数记为U2。
[0056] Ui = sin(a /2) (2.2-3)
[0057] U2 = cos(a /2) (2. 2-4)
[0058] 缩结系数的选择应使网片的利用率大、材料省，并使得受力最小为宜，但Ui太大， 网线的张力大，易破断，一般选择水平缩结系数Ui应小于0. 707。初步拟选本项目水平缩结 系数为0.66,则垂直缩结系数为0.75, a为82.6。。
[0059] 2. 2. 2网线用量
[0060] 根据在拉紧状态下的透水率计算隔水网网目数：
[0061 ] N 二 S 网肝 XZ/S 单网孔 （2. 2-W
[006引其中S网K一网片面积 [006引 N-网目数；
[0064] Z-透水率；
[006引透水率为10%网，过水面积为1643m2,网目数为17078551目。对于单个网目而言， 用线量为四根边线和四个网结的用线量，其中每2个网目共用一根边线，每四个网目共用 一个网结。由此得公式：
[0066] G = 4gLN(a/2+cd/4)/l〇8 (2.2-6)
[0067] 式中：G-网片用线量化g);
[006引 a-目脚（网目）长（mm);
[0069] C-网结消耗系数；死结C取14,套穿死结C取16,单线双死结C取24,双线死结C 取36,无结网C取8。
[0070] d-网线直径（mm);
[0071] -网线单位百米长度重量（g/lOOm)。
[0072] 为保证拦网网片的用线量，考虑水流冲击的影响和损耗，设计时应在计算值的基 础上加10%。
[0073] 无结网是一种使用专业机械编结出来的套环衬线网，它在很大程度上克服了有结 网的特点，例如降低了网的强力损失和水的阻力W及减少了线的使用量，还避免了网破损 之后的网目松散问题。本项目拟选无结网。由此计算得出隔水网网片重量822845kg。
[0074] 3、隔水网受力分析
[00巧]隔水网总阻力为网衣、息索和浮子阻力相加，再加上其它物体阻力等因素10%为 拦网的总阻力。
[0076] 3. 1网片阻力
[0077] 隔水网在水中受到水流的冲击，其所受的作用力，除自重外，最主要的受力为水的 阻力。近似把组成网片的网线等同圆柱体，把结节等同球体。
[0078] R网肝=KqXKiXS网线 xy2 巧-1)
[007引其中R酣一网片阻力
[0080] K。一圆柱体阻力系数，雷诺数Re在102?2X 102范围内，K。= 62 ;雷诺数Re在 2X102 ?2X105 范围内，K。= 55 ;
[0081] Ki-差额系数，网线阻力比同样条件下圆柱体阻力增大10%?25%，对于合成纤 维，在低速时（雷诺数Re在102?2 X 102范围内）取1. 2,在高速时（雷诺数Re在2 X 102? 2X105范围内）取1. 12 ;
[008引 V-网前流速，近似考虑隔水网减小断面后流速。
[008引 由于隔水网透水率为10%，则网线面积为14790m2，；断面流速考虑电站最小泄洪 流量4870mVs时网前流速0. 45m/s，此时K0取62, Ki取1. 2。贝1J，R网肝为199784kg。
[0084] 3. 2息索阻力
[0085] 由于考虑在不同水期需要将幕布吊置不同高程，需要上息索长度有一定可调范 围。直径约96mm的十二股迪尼玛绳索（由超高分子量聚己帰纤UHMWPE材料），UHMWPE赋 予其优异的使用性能，而且属于价格适中、性能优良的热塑性工程塑料。它几乎集中了各种 塑料的优点，具有普通聚己帰和其它工程塑料无可比拟的耐磨、耐冲、自润滑、耐腐蚀、吸水 冲击能、耐低温、卫生消毒、不易粘附、不易吸水、密度较小等综合功能。查阅相关参数资料， 此绳索断裂拉力为50化，线密度为4450g/m，目前此类已越来越广泛地得到应用，如江阴大 跨初级放线及次级牵引。由于此绳索具有较好柔初度，收缩性强，便于在行洪期间将网收至 底部。考虑在运行检修期间的上部纲索受力情况，将上部息索采用两根96mm的十二股迪尼 玛绳索。经计算上下息索重量分别为3234kg、1819kg。
[0086] 在水平上阻力由于水流与绳索的冲角与网衣相同，故应按绳索垂直阻力公式计 算，即：
[0087] R纲=K2XLXdXy2 (3-2)
[008引式中：R索一息索阻力化g);
[0089] 馬一息索阻力系数；（L/S = 0. 95时，馬为70, L/S = 0. 9时馬为65)
[0090] L一息索投影长度（m);
[00川 d-息索直径（m);
[009引 V-水流速度（m/s)。
[0093] R 上纲=870kg, R 下纲=43化g
[0094] 3. 3浮坠子及相关阻力
[0095] a)浮坠子计算
[0096] 隔水网在水中的重量可用下式计算：
[0097] G*= GiQi+Gaqa (3-3)
[009引式中；Gi-网衣总重量化g)
[009引 Gs-息索总重量化g)
[0100] qi-网衣材料沉降率
[0101] 屯一息索材料沉降率
[0102] 其中聚己帰的沉降率为一0. 0526,锦绝线为0. 1228,己维混合抢线为0. 0566,钢 丝索为0.866。
[0103] 经计算第隔水网在水中的重量为-43462kg，即隔水网在水中为上浮力。
[0104] 隔水网在水流作用下在垂向上为类似抛物线形状，致使上纲向下压Te，下纲向上 提的作用力T^，根据抛物线的水平张力近似为：
[0105]
【权利要求】
1. 一种提高大型水库分层低温水的装置，其特征在于，包括设置在水库内的主要由隔 水网组成的水温控制幕，坚向布置的该水温控制幕设置在水库坝前600nTl500m，且垂直于 坝前泄水的取水口延伸方向；所述水温控制幕的顶部位于水库跃温层以下，该水温控制幕 的底部固定在水库底部，使水库位于跃温层之上的表层水和跃温层水经过水温控制幕顶端 进入取水口，水库底部的低温水被水温控制幕挡在取水口处。
2. 根据权利要求1所述的提高大型水库分层低温水的装置，其特征在于，所述隔水网 的顶部设有上纲，隔水网的底部设有下纲，隔水网的两侧端固定在水库的坡壁上。
3. 根据权利要求1所述的提高大型水库分层低温水的装置，其特征在于，所述水温控 制幕的顶部位于水库水面之下20nT40m。
4. 根据权利要求2所述的提高大型水库分层低温水的装置，其特征在于，所述水库的 坡壁上装有导轨，所述隔水网的两侧端装有多个可沿着导轨滑动的活动套环，在水库的岸 坡上设有可驱动活动套环沿着导轨滑动的卷扬机。
5. 根据权利要求2所述的提高大型水库分层低温水的装置，其特征在于，所述上纲和 下纲之间连接有多根纵力纲。
6. 根据权利要求1飞之一所述的提高大型水库分层低温水的装置，其特征在于，所述 隔水网的网孔为菱形孔或六边形孔，隔水网的水平缩结系数ul小于0.707。
7. 根据权利要求1飞之一所述的提高大型水库分层低温水的装置，其特征在于，所述 隔水网顶部连接有浮子，隔水网底部连接有坠子。
8. 根据权利要求1飞之一所述的提高大型水库分层低温水的装置，其特征在于，所述 隔水网的网绳为迪尼玛绳。
9. 根据权利要求1飞之一所述的提高大型水库分层低温水的装置，其特征在于，所述 隔水网的透水率不大于0. 2Lu。
10. -种利用权利要求1-9之一所述提高大型水库分层低温水的装置提高大型水库分 层低温水的方法，其特征在于，在水库坝前一定距离的恒温层内垂直于水流方向布设具有 一定透水率的水温控制幕，使水库表层水和跃温层水经过水温控制幕顶端进入取水口，水 库底部的低温水被水温控制幕挡在取水口处。
【文档编号】E02B8/00GK104389297SQ201410623870
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月7日 优先权日:2014年11月7日
【发明者】薛联芳, 冯云海, 孙平玉, 邱进生 申请人:中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司