堰頂高度可調的控水設備研發

謝崇寶，張國華，黃 斌，董建幸，王全民

(1.中國灌溉排水發展中心，北京 100054；2.中國水利水電科學研究院，北京 100048；3. 陜西興源自動化控制系統有限公司，西安 710016)

1 灌區水量控制關鍵技術要素

閘門是用來控制水位，調節流量的，它是蓄水及引水建筑物中必不可少的組成部分。過閘流量一般采用通過監測過流建筑物的上下游水位及閘門開度，再選定適當的流量系數及流量公式，從而計算出流量的方法。閘門的形式有很多種，閘門的選型和布置，應根據閘門的受力條件、控制運行要求和閘室結構布置等因素選定。目前的閘門自動控制技術主要是在傳統螺桿、卷揚、液壓啟閉機的控制系統上增加自動控制功能，不僅可以實現遠控、集中控制，還能根據上、下游水位，實現過流量、閘位開度等閉環控制。由于閘門一般位置偏遠，對能源供給、防塵防水、防盜防破壞的要求較高，近年來這方面也有大量研究，尤其是太陽能光伏供電技術已比較成熟，更是有力促進了自動控制閘門的研究和應用。

1.1 堰上水頭

堰上水頭指上游靜水位高出堰頂的深度。過閘水流形態可分為：自由堰流、淹沒堰流、自由閘孔出流和淹沒閘孔出流4種。堰流和閘孔出流是2種不同的水流現象，它們的水流特征及過流能力也不相同。對于同一水閘，在某種條件下出流屬于堰流，在另外的條件下可能變為閘孔出流，這種水流的轉化條件與閘孔的相對開度以及閘底坎、閘門的形式等有關。

對分水口而言，一方面期望上游來水盡量保證水位的穩定，另一方面，期望下游配水流量盡量穩定。分析堰流和孔流的流量公式可知，當上游流量增加一倍時，堰前水位只增加1.6倍，而閘前水位卻需要增加4倍，因此，堰流具有很好的穩定水位功能，而孔流具有很好的穩定流量功能，理想的配置是節制閘采用堰流而配水閘采用孔流。但傳統的堰無法靈活調節堰頂高度，實際應用中不得已仍采用閘代替堰。若能研發一種能夠調節堰高的閘門作為節制閘來改造現有的渠道輸配水系統，實際應用中能夠產生堰流，則能實現最理想的堰閘配置取水模式，即可穩定干支渠的輸水水位，也可穩定支斗渠的取水流量。

1.2 閘門開度

閘位監測點的選擇、閘位信息的采集和閘門開度控制方式選擇是閘門開度監測系統建設的主要任務。灌區水閘設置數量的確定取決于管理方式和投資規模，設置水閘建設點的順序一般是先骨干，后分支，也有按控制區域開展，沿某一渠系(如某一支渠)自上而下成片建設。因此，在選擇閘位監測點時應根據灌區工程運行的實際需要，合理規劃建設閘位信息采集點。通常在沿渠泄洪閘和節制閘所在位置布置控制點，以保證渠道的安全穩定運行和水資源的合理調度。閘位信息的采集是通過閘位傳感器來實現。閘位傳感器安裝于閘門啟閉機上，當閘門處于靜止狀態時，定時采集閘位數據。當對閘門進行啟閉操作時，傳感器自動實時采集閘位數據。所采集的數據通過數傳設備傳輸，實現閘位信息的自動監測，并據此進行閘門的遠程操作。

閘門是否需要實行自動控制主要是根據其調節頻繁程度確定，是否要實行遠程集中控制則需要根據控制對象的相互關聯程度確定。對于灌區而言，需要進行自動控制或遠程集中控制的閘門并不普遍，對其必要性應逐個進行技術經濟論證和方案比較。實行遠程集中控制時還必須對通信可靠性、安全措施以及相關職責等進行具體分析和調整。無論采用何種控制方式，均應符合現地優先的原則，以確保安全運行。為了優化配置水資源，灌區實行統一調度是必要的，但并不一定要實現遠程集中控制，實踐中可根據供水條件和需水要求，合理分配用水指標和用水時段，根據運行情況統一下達調度指令，各級執行機構按照操作規程人工或自動執行調度指令，調度部門通過適宜的技術手段監視調度指令的執行情況，并對執行效果及時跟蹤反饋。

2 底升式測控一體化控水設備研發

2.1 研發目的

在渠道輸水灌溉過程中，通常采用閘門以孔流方式進行泄水，而在泄水時，對于灌溉分水口而言，不僅期望來自干支渠的上游來水的水位盡可能保持穩定，還期望去往支斗渠的下游配水的流量盡可能穩定。因此，為了保證上游來水的水位以及下游配水的流量盡可能穩定，理想的配置是上級渠道上宜采用能夠形成堰流的控水設備(如堰)，而下級渠道上宜采用能夠形成孔流的控水設備(如配水閘)。然而，傳統的堰多為固定在水渠或者河道中的泄水建筑物，其堰頂的高度一般為固定不變的，如此難以確保上游來水水位的穩定。因此，亟須提供一種可調節堰頂高度(簡稱堰高)的堰，對于穩定來自干支渠的上游來水的水位，以及穩定去往支斗渠的下游配水的流量具有十分重要的意義。

2.2 技術方案

2.2.1 結構組成

底升式測控一體化控水設備如圖1所示，主要包括防水控制箱、閘板、閘板滑槽、門型閘框、埋藏式閘板箱和調節螺桿。

1-防水控制箱；2-閘板；201-安裝凸臺；202-限位臺；3-閘板滑槽；4-門型閘框；5-埋藏式閘板箱；6-調節螺桿圖1 底升式測控一體化控水設備結構示意圖

如圖1所示，防水控制箱包括箱體、設置在箱體內的電動機、電源、多模式閘板控制器、閘板開度儀、通訊模塊；防水控制箱的箱體通過不銹鋼板制備得到，并采用橡膠密封；電源用于對電動機、多模式閘板控制器、閘板開度儀以及通訊模塊提供電能；多模式閘板控制器內置控制軟件、數據采集軟件、數據計算軟件，用于控制電動機的運行，進而控制閘板的運動；閘板開度儀用于獲取閘板的位置信息，并通過數據線傳輸至多模式閘板控制器進行計算，并根據計算結果控制閘板的運動；通訊模塊用于與外界終端設備連接，用于數據通信。防水控制箱的箱體通過不銹鋼板制備得到，并采用橡膠密封。閘板為實心的不銹鋼板、鋁合金板或鎂合金板；閘板的厚度為3～10 cm，具體依據強度需要確定；高度超出水渠最大深度10～20 cm。閘板的上部沿寬度方向設置有一條安裝凸臺，閘板頂部設置有兩個具有通孔的限位臺；2個調節螺桿的下端穿過限位臺上的通孔后，焊接在安裝凸臺上。閘板滑槽中設置有橡膠層。閘板頂部和埋藏式閘板箱頂部包覆有防滲布。埋藏式閘板箱采用混凝土預制成型。

埋藏式閘板箱安裝在水渠的渠底以下的土層中，門型閘框下部固定在埋藏式閘板箱中，閘板滑槽固定在門型閘框相對的左右側壁上，閘板的左右兩側分別配合地插入閘板滑槽中。防水控制箱設置在門型閘框頂部，2個調節螺桿的一端連接防水控制箱，另一端連接閘板，防水控制箱通過驅動調節螺桿，帶動閘板在閘板滑槽中上下運動。當閘板上升至最高點時，閘板的底部與水渠的渠底持平；桑閘板下降至最低點時，閘板的頂部與水渠的渠底持平。

2.2.2 工作方式

研發的底升式測控一體化控水設備，通過在水渠的渠底以下安裝埋藏式閘板箱，使得防水控制箱驅動調節螺桿帶動閘板在閘板滑槽中上下運動，當閘板上升至最高點時，閘板的底部與水渠的渠底持平；當閘板下降至最低點時，閘板的頂部與水渠的渠底持平。當需要調節水位時，通過調節閘板的高度，使閘板的高度與水位的設定高度相一致，實現了堰高可調節的目的。當不需要調節水位時，可將閘板下降至最低，使其置入渠底以下的埋藏式閘板箱，從而不會對水渠的正常輸水造成影響。此外，由于水中通常含有泥沙，當調節水位時，泥沙將沉積到閘板前方，待不需要調節水位時，閘板置于埋藏式閘板箱中，其頂部與水渠的渠底持平，所沉積的泥沙能夠隨水流流向下游，同時還解決了傳統堰或閘泥沙淤積的問題。現場應用方式如圖2所示。

圖2 底升式測控一體化控水設備工作狀態

3 活頁式測控一體化控水設備研發

3.1 研發目的

如前所述，針對實際應用中缺乏能夠調節堰頂高度的節制閘或堰，除上述底升式測控一體化控水設備外，還研制一種活頁式測控一體化控水設備，進一步拓寬閘門的功能是十分必要的。

3.2 技術方案

3.2.1 結構組成

活頁式測控一體化控水設備如圖3所示，主要包括防水控制箱、閘板、門型閘框、調節絲杠、萬向螺母和活頁。

1-防水控制箱；2-閘板；3-門型閘框；4-調節絲杠；5-萬向螺母；6-活頁；7-太陽能板；8-堰前水位計圖3 活頁式測控一體化控水設備結構圖

防水控制箱內設置有電連接的電源和電動機，還包括：箱體、設置在箱體內且與電源電連接的多模式閘板控制器、閘板開度儀、通訊模塊，以及設置在箱體內且與電動機電連接的同步器、與同步器電連接的蝸輪蝸桿減速器；多模式閘板控制器內置控制軟件、數據采集軟件、數據計算軟件，用于控制電動機的運行，進而控制閘板的運動；閘板開度儀用于獲取閘板的位置信息，并通過數據線傳輸至多模式閘板控制器進行計算，并根據計算結果控制閘板的開度；通訊模塊用于與外界終端設備電連接，用于數據通信；同步器用于將電動機的驅動力同步地傳遞至蝸輪蝸桿減速器；蝸輪蝸桿減速器用于驅動調節絲杠在萬向螺母內旋轉。防水控制箱的箱體通過不銹鋼板制備得到，且各連接處采用橡膠密封。

閘板為實心的不銹鋼板、鋁合金板或鎂合金板；閘板的厚度根據強度需求確定為3～10 cm，高度超出水渠最大深度10～20 cm。閘板表面鍍有一層耐銹蝕涂層。在水渠的渠底設置有與閘板的外輪廓結構相一致的閘板安放槽，當閘板轉動至水渠的渠底時，閘板位于閘板安放槽內，且閘板的板面與水渠的渠底持平。閘板安放槽采用混凝土預制成型。

活頁式測控一體化控水設備還包括：與電源電連接的太陽能板以及設置在水渠中且位于閘板上游的堰前水位計，堰前水位計與多模式閘板控制器電連接，用于計量堰前水位信息并傳遞至多模式閘板控制器。

在門型閘框的位于底部、左側部和右側部的內壁上設置有止水彈性件。

防水控制箱固定在門型閘框的頂部，門型閘框的下端固定在水渠兩側的渠堤上；閘板的底部通過活頁與門型閘框的底部可轉動連接，萬向螺母設置在閘板的頂部兩側，調節絲杠的上端與電動機連接，下端與萬向螺母螺紋連接；

電動機驅動調節絲杠在萬向螺母中旋轉，進而帶動閘板以門型閘框的底部為軸在90°～180°之間轉動，當閘板轉動至豎直狀態時，閘板與門型閘框的底部、左側壁和右側壁密封接觸，使水流被完全切斷；當閘板轉動至水平狀態時，閘板平放于水渠的渠底。

3.2.2 工作方式

在電動機的驅動下，調節絲杠可在萬向螺母中旋轉，進而帶動閘板以門型閘框的底部為底軸在0°～90°之間轉動。當需要完全擋水時，使閘板由下自上轉動至閘板為豎直狀態，即閘板與水流方向成90°夾角，使活頁式測控一體化控水設備處于完全關閉狀態，此時閘板進入門型閘框中，并和門型閘框的底部、左側壁和右側壁密封接觸，水渠中的水流將被活頁式測控一體化控水設備完全切斷，如圖4(a)所示。當堰頂需要溢流時，且不苛求閘板兩側精確止水時(這是因為在頂面溢流的情況下閘板兩側精確止水的實際意義不大)，此時通過實際擋水需求，使閘板自上而下轉動特定的角度以對應特定的開度，同時達到堰高可調的目的，進而實現對水流流量的調節與控制，如圖4(b)和圖4(c)所示。當閘板運動至水平狀態時，閘板將平放于水渠的渠底，此時閘板與水流方向成0°夾角，如圖4(d)所示，此時不僅可使水渠正常輸水，也便于將沉積在水渠渠底的泥沙隨水流排向下游。現場應用方式如圖4所示。絲杠連接有多種形式，圖4弧形框架連接為其中一種方式，實際應用中可根據加工及生產條件合理選擇。

圖4 活頁式測控一體化控水設備工作狀態

4 結 語

(1)底升式測控一體化控水設備，通過在水渠的渠底以下安裝埋藏式閘板箱，使得防水控制箱驅動調節螺桿帶動閘板在閘板滑槽中上下運動，當閘板上升至最高點時，閘板的底部與水渠的渠底持平；當閘板下降至最低點時，閘板的頂部與水渠的渠底持平。當需要調節水位時，通過調節閘板的高度，使閘板的高度與水位的設定高度相一致，實現了堰高可調節的目的。當不需要調節水位時，可將閘板下降至最低，使其置入渠底以下的埋藏式閘板箱，從而不會對水渠的正常輸水造成影響。此外，由于水中通常含有泥沙，當調節水位時，泥沙將沉積到閘板前方，待不需要調節水位時，閘板置于埋藏式閘板箱中，其頂部與水渠的渠底持平，所沉積的泥沙能夠隨水流流向下游，解決了傳統堰或閘泥沙淤積的問題。

(2)活頁式測控一體化控水設備，可在電動機的驅動下，使調節絲杠在萬向螺母中旋轉，進而帶動閘板以門型閘框的底部為底軸在0°～90°之間轉動。當需要完全擋水時，使閘板由下自上轉動至閘板為豎直狀態，即閘板與水流方向成90°夾角，使該水流控制堰處于完全關閉狀態，此時閘板進入門型閘框中，并和門型閘框的底部、左側壁和右側壁密封接觸，水渠中的水流將被完全切斷；當堰頂需要溢流時，實際上并不苛求閘板兩側精確止水，閘板自上而下轉動到特定的角度以對應特定的開度，達到堰高可調的目的，進而實現對水流流量的調節與控制。當閘板運動至水平狀態時，閘板將平放于水渠的渠底，此時閘板與水流方向成0°夾角，不僅可使水渠正常輸水，也便于將沉積在水渠渠底的泥沙隨水流排向下游。活頁式測控一體化控水設備，對傳統閘門止水理念進行了創新，基于簡單的構造實現堰高可調節，對于穩定來自干支渠的上游來水的水位，以及穩定去往支斗渠的下游配水的流量具有重要的意義。

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[1] 謝崇寶，黃 斌，高 虹，等. 灌區用水管理信息化結構體系[M]. 北京：中國水利水電出版社，2010.

[2] 謝崇寶,張國華. 我國灌溉現代化技術與設備[J]. 中國水利,2015,(17):66,68,70,72.

[3] 謝崇寶,高 虹,張國華. 灌區輸配水全渠道控制系統關鍵設備特性分析[J]. 中國水利,2009,(19):48-49.

[4] 謝崇寶,高 虹,黃 斌. 灌區水管理信息化建設應注意的問題[J]. 中國水利,2007,(15):45-46.

[5] 謝崇寶,黃 斌,高占義. 灌區用水管理調度技術[J]. 中國水利,2001,(8):69-70,5.

[6] 謝崇寶. 太陽能閘門自控系統[N]. 中國水利報,2003-04-22.

[7] 吳潤蘭,謝崇寶,高 虹,等. 測控一體閘測流精度校驗與分析[J]. 中國農村水利水電,2011,(8):124-127,131.

[8] 吳彩麗,黃 斌,謝崇寶. 灌區引水口過閘流量計算方法比較研究[J]. 中國農村水利水電,2008,(5):71-74,77.