土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置及定位投料封堵方法

1.本发明涉及水利工程施工技术领域，具体涉及一种用于土石堤坝集中渗漏封堵的自动投料装置及定位投料方法。


背景技术：

2.堤坝危害修复工程是保障工程安全及效能实现最重要的保障。典型的堤防危害形式有管涌、崩岸、接触冲刷、漫顶溃决等。2016年，长江中下游发生区域性大洪水，据统计共发生险情50处，其中管涌占60％，而集中渗漏是管涌溃坝事件中最常见，最危险的情况。因此，针对土石堤坝集中渗漏险情，如堤防、土坝的漏洞或者土石坝填料内部侵蚀形成的渗漏，需要采取快速有效的抢险封堵措施，以防止溃坝等严重险情发生，保障人民生命财产安全。
3.目前，常用的封堵方法有抛投法、土工膜覆盖法两种。其中抛投法由人工或驳船搬运石块、土袋等防护材料，通过将材料抛投到渗漏位置实现堵漏。土工膜覆盖法将土工膜、蓬草、草帘等防护材料在从上至下顺坡铺设盖住漏洞。然而，抛投法和土工膜覆盖法非常依赖人工操作，有时甚至需要操作人员潜入水中施工，缺乏安全性，而且依靠人力往往不能准确将防护材料投放到渗漏位置，抢险效率低。此外，虽然已有一些机械化的抢险设备，但通常需要专门人员根据抢险现场环境现场操作，设备现场适应能力差，对抢险人员要求高。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中存在的问题，提供了一种用于土石堤坝集中渗漏封堵的自动投料装置及定位投料方法，该装置能够自动启停，对抢险人员要求低适用于土石堤坝集中渗漏的封堵，可以解决现有技术中对操作人员要求高、设备现场适应能力差，防护材料投放位置不准确的问题。
5.本发明为了解决上述技术问题，提供了一种土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置，所述封堵装置包括支撑框架、固定架设在支撑框架上的封堵材料储存箱和投料机构，在封堵材料储存箱的底部设有下料斗，顶部设有吊耳；所述投料机构包括电动推杆、曲柄连杆机构和连接在下料斗出料口处的投料盒，所述投料盒的底面为敞开面，并在其底面设有活动底盖，活动底盖通过提拉支架与投料盒的盒体连接；在封堵材料储存箱的其中一侧水平安装有投料机构安装板，所述电动推杆垂直安装在投料机构安装板下方，所述曲柄连杆机构包括转轴和对称设置在投料盒两侧的曲柄连杆，所述转轴平行置于投料机构安装板下方，其两端转动安装在支撑框架上，电动推杆的活塞端通过第一曲柄与转轴连接，两曲柄连杆的其中一端分别通过第二曲柄与转轴连接，另一端与投料盒铰链连接，并在电动推杆和两曲柄连杆的作用下活动底盖沿着提拉支架移动开启投料盒的底面。
6.本发明进一步的技术方案：所述封堵装置还包括定位控制系统，所述定位控制系统包括安装在投料机构安装板上的水利雷达和控制盒，所述水利雷达通过水利雷达支撑板安装在投料机构安装板下方，其探测头正对投料盒；所述控制盒安装在投料机构安装板上，
控制盒内安装有gps定位模块、射频通讯模块、4g物联网模块，plc控制系统，控制盒上配制有防水遥控面板，水利雷达与控制盒内的plc控制系统信号连接。
7.本发明较优的技术方案：所述第一曲柄一端固定连接在转轴的中部，另一端与电动推杆的活塞端铰链连接；两个第二曲柄对称设置在第一曲柄两侧，每个第二曲柄一端与转轴固定连接，另一端与对应侧曲柄连杆铰链连接；所述活动底盖为三侧设有挡边，一侧敞开的盖体结构；所述提拉支架包括固定在投料盒上部的固定套和对称设置在活动底盖两侧的两组连杆，两组连杆对称设置在活动底盖有挡边的两相对面，每组连杆包括临近活动底盖无挡边一侧的第一连杆和远离活动底盖无挡边一侧的第二连杆，第一连杆和第二连杆的一端与固定套转动连接，另一端与活动底盖铰链连接；两曲柄连杆与活动底盖连接部位与第二连杆与活动底盖连接部位重合。
8.本发明较优的技术方案：所述支撑框架和封堵材料储存箱均为方形结构，封堵材料储存箱的顶部设有倾斜状进料口，并在进料口设有密封顶盖，所述密封顶盖的下边缘与封堵材料储存箱的箱体铰链连接，上边缘通过门栓固定锁紧；所述吊耳设有四个，分别布设在封堵材料储存箱顶面四个角部；在下料斗的两侧分别设有振动电机安装板，并在投料封堵过程中，在振动电机安装板上安装有防水振动电机；所述控制盒设有防水外壳。
9.本发明较优的技术方案：所述gps定位模块执行通过卫星测量运输罐的位置坐标，为封堵装置提供水平位置矫正；所述射频通讯模块通过超频短波无线电远程与外部控制器通讯连接；所述4g物联网模块通过4g网络与网络控制平台连接，实现远程控制；所述plc控制系统以433无线通信为基础，整合了gps位置坐标、水利雷达坐标、无线电通讯信号、电动推杆控制信号、振动电机控制信号，并通过射频通讯模块远程发送外部控制器和网络控制平台，外部操作人员通过远程控制面板对封堵装置进行遥控和提供封堵装置实时信息反馈。
10.为了达到上述技术目的，本发明还提供了一种土石堤坝集中渗漏定位投料封堵方法，其特征在于：该方法使用上述土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置对土石堤坝集中渗漏的位置进行定位投料封堵，其具体步骤如下：
11.(1)在封堵材料储存箱内装入渗漏修补材料，并由操作人员启动土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置，并将施工现场勘测得到的集中渗漏点进口抢险坐标及相关参数输入到土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置的控制盒内，由plc控制系统计算出该渗漏点的水平投料范围；
12.(2)将启动后的土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置吊装在抢险运输工具上，并移动至渗漏位置上方，在移动过程中通过水利雷达和控制盒内的gps定位模块同时对渗漏自动投料封堵装置的坐标进行定位，并将定位坐标发送到plc控制系统，由plc控制系统判断土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置是否在投料范围内；
13.(3)在土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置到达投料范围时，plc控制系统控制电动推杆运行，通过电动推杆带动活动底盖打开，封堵材料储存箱内装入渗漏修补材料在重力作用下放出，并通过渗漏点进口流入渗漏位置；封堵材料投放完成后，plc控制系统控制电动推杆关闭活动底盖，并将土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置运出封堵范围。
14.本发明进一步的技术方案：所述步骤(1)中输入控制盒内的集中渗漏点进口抢险坐标及相关参数包括从抢险平台中读取的渗漏堤坝坡面系数m、渗漏进口处开口面积s、渗
漏进口处最小允许投放效率e、抢险处水流流速v、渗漏水下深度h、勘测到的渗漏位置坐标i(xi，yi)、勘测人员在坝上的参考坐标r(xr，yr)、渗漏修补材料颗粒粒径d；所述渗漏点的投料水平范围计算过程如下：
15.a.根据上述参数，按照公式
①
和公式
②
计算出沿上下游方向的距离a和堤坝延伸方向的距离b：
[0016][0017][0018]
b.计算渗漏点投放水平范围的椭圆区域函数：
[0019][0020]
式中：a、b分别为渗漏点投放范围椭圆区间中心位置的世界坐标，式中：a、b分别为渗漏点投放范围椭圆区间中心位置的世界坐标，
[0021]
θ为坝面参考线和经度正方向的夹角，
[0022]
xi，yi，xr，yr分别为i和r在世界坐标系中的水平坐标值；
[0023]
k1、k2分别为由渗漏封堵材料类型和堤坝坡面类型决定的常数。
[0024]
本发明进一步的技术方案：所述步骤(2)中plc控制系统判断土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置是否在投料范围内的过程具体是通过水利雷达和控制盒内的gps定位模块同时定位得到的渗漏自动投料封堵装置的实时坐标n(xn，yn，zn)，然后根据实时坐标n(xn，yn，zn)来判断投料高度和水平投料范围是否满足投料要求，并在土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置满足投料范围时，plc控制系统给出灯光提示信号；gps和水利雷达持续监测土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置的位置n，plc控制系统每间隔5s读取一次实时坐标信息，并在实时坐标n的高度坐标zn≤180cm满足投料高度要求；将实时坐标n的水平面坐标值xn和yn带入步骤(1)中计算的渗漏点投放水平范围的椭圆区域函数公式中，满足以下等式：
[0025][0026]
即土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置的实时位置满足投料水平范围的要求。
[0027]
本发明进一步的技术方案：在确定土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置的位置达到投料范围后，判断土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置的晃动幅度w小于承载范围设定的安全值时，开始投放封堵材料；所述土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置的晃动幅度计算公式如下：
[0028][0029]
式中：xn，yn，zn为土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置的实时位置坐标；x
′n,y
′n,z
′n为5s前土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置的位置坐标。
[0030]
本发明较优的技术方案：在土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置的下料斗的两侧
分别安装振动电机，plc控制系统通过渗漏修补材料颗粒粒径d控制振动电机的振幅p，其计算过程如下：
[0031]
p＝k4(d-d
min
)
[0032]
式中：d
min
为需要启动振动电机的最小粒径；
[0033]
k4为由封堵材料类型决定的常数；
[0034]
并在土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置投料步骤完成离开封堵范围后，plc控制系统关闭振动电机和电动推杆，离开封堵范围一段时间后，控制系统自动进入休眠状态，等待下一次封堵任务。
[0035]
本发明采用自动化、机械化装置，高效投放防护材料；装置运行期间，仅需启动时由专门操作人员操作，可以自行判断设备位置，高度，抖动状态运行。一旦满足预设运行条件，可以自动执行封堵材料投放，提高抢险速度，减少了抢险人员的工作量。
附图说明
[0036]
图1是本发明中封堵装置的立体图；
[0037]
图2是本发明中封堵装置的前面图；
[0038]
图3是本发明中的封堵装置投料动态侧视图；
[0039]
图4是本发明中投料机构的结构示意图；
[0040]
图5为本发明的定位算法流程图。
[0041]
图中：1—支撑框架，2—封堵材料储存箱，200—密封顶盖，201—门栓，3—下料斗，4—吊耳，5—电动推杆，6—投料盒，7—活动底盖，8—抽拉支架，800—固定套，801—第一连杆，802—第二连杆，9—曲柄连杆机构，900—转轴，901—曲柄连杆，902—第一曲柄，903—第二曲柄，10—投料机构安装板，11—水利雷达，12—控制盒，13—水利雷达支撑板，14—振动电机安装板。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。附图1至图5均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本发明实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0044]
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可
以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0045]
实施例中使用的一种土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置，如图1至图4所示，包括支撑框架1、固定架设在支撑框架1上的封堵材料储存箱2和投料机构，所述支撑框架1和封堵材料储存箱2均为方形结构，封堵材料储存箱2的顶部设有倾斜状进料口，并在进料口设有密封顶盖200，所述密封顶盖200的下边缘与封堵材料储存箱2的箱体铰链连接，上边缘通过门栓201固定锁紧；在封堵材料储存箱2顶部四个角部分别设有吊耳4，在封堵材料储存箱2的底部设有下料斗3，在下料斗3的两侧分别设有振动电机安装板14，并在投料封堵过程中，在振动电机安装板14上安装有防水振动电机。
[0046]
实施例中使用的一种土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置，如图1至图3所示，所述投料机构包括电动推杆5、曲柄连杆机构9和连接在下料斗3出料口处的投料盒6，所述投料盒6的底面为敞开面，并在其底面设有活动底盖7；如图4所示，所述活动底盖7前后及左侧设有挡边，右侧敞开的盖体结构，通过提拉支架8与投料盒6的盒体连接；所述提拉支架8包括固定在投料盒5上部的固定套800和对称设置在活动底盖7两侧的两组连杆，两组连杆对称设置在活动底盖7有挡边的两相对面，每组连杆包括临近活动底盖7无挡边一侧的第一连杆801和远离活动底盖7无挡边一侧的第二连杆802，第一连杆801和第二连杆802的一端与固定套800转动连接，另一端与活动底盖7铰链连接。如图1至图3所示，在封堵材料储存箱2的其中一侧水平安装有投料机构安装板10，所述电动推杆5垂直安装在投料机构安装板10下方，所述曲柄连杆机构9包括转轴900和对称设置在投料盒5两侧的曲柄连杆901，所述转轴900平行置于投料机构安装板10下方，其两端转动安装在支撑框架1上，电动推杆5的活塞端通过第一曲柄902与转轴900连接，所述第一曲柄902一端固定连接在转轴900的中部，另一端与电动推杆6的活塞端铰链连接；两曲柄连杆901的其中一端分别通过第二曲柄903与转轴连接，另一端与投料盒6铰链连接，两个第二曲柄903对称设置在第一曲柄902两侧，每个第二曲柄903一端与转轴900固定连接，另一端与对应侧曲柄连杆901铰链连接；两曲柄连杆901与活动底盖7连接部位与第二连杆802与活动底盖7连接部位重合。如图3所示，在电动推杆5的推动下，通过第一曲柄902带动转轴900逆时针转动，转轴900带动两个第二曲柄903向上转动，从而提拉两曲柄连杆901，并在提拉支架8的作用下，活动底盖7朝向左上方提拉打开投料盒6，便可以进行投料。
[0047]
实施例中的封堵装置还包括定位控制系统，所述定位控制系统包括安装在投料机构安装板10上的水利雷达11和控制盒12，所述水利雷达11通过水利雷达支撑板13安装在投料机构安装板10下方，其探测头正对投料盒5；所述控制盒12安装在投料机构安装板10上，控制盒12内安装有gps定位模块、射频通讯模块、4g物联网模块，plc控制系统，控制盒12上配制有防水遥控面板，水利雷达11与控制盒12内的plc控制系统信号连接，plc控制系统与电动推杆5及振动电机的控制端信号连接。所述gps定位模块执行通过卫星测量运输罐的位置坐标，为封堵装置提供水平位置矫正；所述射频通讯模块通过超频短波无线电远程与外部控制器通讯连接；所述4g物联网模块通过4g网络与网络控制平台连接，实现远程控制；所述plc控制系统以433无线通信为基础，整合了gps位置坐标、水利雷达坐标、无线电通讯信号、电动推杆控制信号、振动电机控制信号，并通过射频通讯模块远程发送外部控制器和网络控制平台，可以由外部操作人员通过远程控制面板对封堵装置进行遥控和并提供封堵装
置实时信息反馈。
[0048]
下面结合具体实施对本发明中的土石堤坝集中渗漏定位投料封堵方法进一步说明，实施例中的投料方法使用上述土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置对土石堤坝集中渗漏的位置进行定位投料封堵，其具体步骤如下：
[0049]
步骤一：装填和运输渗漏封堵材料；封堵装置外围装有等边角钢作为支撑，将封堵装置放平,向封堵材料储存箱2中装填渗漏封堵材料；然后关闭封堵材料储存箱2的密封顶盖，并锁上门栓；并在下料斗3两侧安装振动电机，然后在封堵材料储存箱2上部焊接好的吊耳上捆绑吊绳，将封堵装置立起；最后配合吊车将封堵装置运往现场。
[0050]
步骤二：由操作人员启动土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置，按照土石坝集中渗漏抢险措施，通过渗漏探测手段获得集中渗漏位置信息，具体包括从抢险平台中读取的渗漏堤坝坡面系数m、渗漏进口处开口面积s、渗漏进口处最小允许投放效率e、抢险处水流流速v、渗漏水下深度h、勘测到的渗漏位置坐标i(xi，yi)、勘测人员在坝上的参考坐标r(xr，yr)、渗漏修补材料颗粒粒径d；并将上述信息输入到土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置的控制盒内，由plc控制系统计算出该集中渗漏位置的水平投料范围、土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置的晃动幅度w、振动电机的振幅p，并确定投料高度小于180cm；以下计算过程中的均使用上述参数进行计算；
[0051]
(1)该集中渗漏位置的水平投料范围的计算过程如下：
[0052]
a.根据上述参数，按照公式
①
和公式
②
计算出沿上下游方向的距离a和堤坝延伸方向的距离b：
[0053][0054][0055]
b.计算渗漏点投放水平范围的椭圆区域函数：
[0056][0057]
式中：a、b分别为渗漏点投放范围椭圆区间中心位置的世界坐标，式中：a、b分别为渗漏点投放范围椭圆区间中心位置的世界坐标，
[0058]
θ为坝面参考线和经度正方向的夹角，
[0059]
xi，yi，xr，yr分别为i和r在世界坐标系中的水平坐标值；
[0060]
k1、k2分别为由渗漏封堵材料类型和堤坝坡面类型决定的常数。
[0061]
(2)土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置的晃动幅度w计算公式如下：
[0062][0063]
式中：xn，yn，zn为土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置的实时位置坐标；x
′n,y
′n,z
′n为5s前土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置的位置坐标。
[0064]
(3)振动电机的振幅p计算公式如下：
[0065]
p＝k4(d-d
min
)
[0066]
式中：d
min
为需要启动振动电机的最小粒径；
[0067]
k4为由封堵材料类型决定的常数。
[0068]
步骤三：将开启的土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置通过抢险运输工具吊装移动至渗漏位置上方，在移动过程中通过水利雷达和控制盒内的gps定位模块同时对渗漏自动投料封堵装置的坐标进行定位，并将定位坐标发送到plc控制系统，由plc控制系统判断土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置是否在投料范围内；gps定位模块监测水平位置，封堵装置向吊车和操作人员发送装置当前水平坐标，配合储存的抢险位置坐标，吊车将封堵装置精准吊至集中渗漏正上方；到达集中渗漏正上方后，水利雷达11探测集中渗漏在水下的深度，并监测封堵装置距离水面的高度，水利雷达向吊车和操作人员发送封堵装置的高度坐标，吊车将封堵装置下移至集中渗漏正上方180cm以内的位置，完成定位工作；plc控制系统的具体判断过程是通过水利雷达和控制盒内的gps定位模块同时定位得到的渗漏自动投料封堵装置的实时坐标n(xn，yn，zn)，然后根据实时坐标n(xn，yn，zn)来判断投料高度和水平投料范围是否满足投料要求，并在土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置满足投料范围时，plc控制系统给出灯光提示信号；gps和水利雷达持续监测土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置的位置n，plc控制系统每间隔5s读取一次实时坐标信息，并在实时坐标n的高度坐标zn≤180cm满足投料高度要求；将实时坐标n的水平面坐标值xn和yn带入步骤(1)中计算的渗漏点投放水平范围的椭圆区域函数公式中，满足以下等式：
[0069][0070]
即土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置的实时位置满足投料水平范围的要求。
[0071]
步骤四：在确定土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置的位置达到投料范围后，plc控制系统通过步骤二中计算的振动电机的振幅p调整好振动电机的振幅大小，并根据步骤二中计算的土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置的晃动幅度w判断土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置的晃动幅度小于承载范围设定的安全值时；plc控制器向远程遥控面板发送定位确认信号，操作人员观察装置到位后在遥控面板上确认并进行下一步；否则重新矫正。定位结束后，发出下料确认信号。
[0072]
步骤四：在远程操作控制系统接收到下料信号后，操作人员在遥控面板上确认以进行下料，plc控制系统控制电动推杆5运行，通过电动推杆5带动活动底盖7打开，封堵材料储存箱内装入渗漏修补材料在重力作用下放出，渗漏修补材料通过渗漏点进口流入渗漏位置，同时控制振动电机工作带动下料斗3进行振动下料，减少封堵材料在运输罐中的堵塞；封堵材料投放完成后，plc控制系统控制电动推杆关闭活动底盖，并将土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置运出封堵范围。并在土石堤坝集中渗漏自动投料封堵装置投料步骤完成离开封堵范围后，plc控制系统关闭振动电机和电动推杆，离开封堵范围一段时间后，控制系统自动进入休眠状态，等待下一次封堵任务。
[0073]
以上所述，只是本发明的一个实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。