本發明屬于水利水電工程領域，具體涉及一種水氣聯合平衡水力自動溢流堰。

技術背景

多數中小型水庫工程以水庫正常蓄水位作為溢流控制堰頂高程，超過此水位高程的洪水可以通過溢洪道，或溢流壩段安全泄往下游，確保大壩工程的安全；而多數大型水利水電工程，為了提高水庫工程效益，特別是增加發電水頭提高發電效益，在規劃時確定的正常蓄水位高于溢洪道，或溢流壩段堰頂高程，并在溢洪道，或溢流堰的堰頂設置控制閘門，實現水庫的靈活防汛調度控制，達到既提高工程效益的同時，又確保大壩工程防洪安全，減小工程投資的目的。

我國中小型水電工程眾多，大多數水庫未實現閘門控制泄洪，水頭及水資源沒有得到充分地利用，造成了水能資源的浪費。如果實現閘門控制，又會受到中小型水電工程現有管理水平，包括工程管理人員的水平、閘門自動化控制水平的限制，水庫閘門調度控制無法得到合理的保障，運行不合理不僅發揮不了工程效益，甚至造成水庫防洪安全事故。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服上述不足之處，提供一種水氣聯合平衡水力自動溢流堰，突破了傳統的技術局限，以一種全新的方法解決了現有水電工程技術中水能資源沒能得到充分利用，水庫水資源自動化運行管理水平低下的問題。

為了實現上述目的，本發明所設計的水氣聯合平衡水力自動溢流堰，其特殊之處在于：包括壩體和溢流水池，所述壩體上部設置有空腔，所述空腔與壩體上游水流連通，所述空腔內設置有底部開口的浮動箱體，所述浮動箱體頂部設置有堰板，所述堰板穿過壩體頂部露于壩體外；所述溢流水池內設置有下部開口的固定箱體，所述固定箱體和浮動箱體的橫截面面積相等，所述固定箱體和浮動箱體內上部空間均為氣體，且通過氣體連通管相互連通，浮動箱體內下部空間與空腔內水體連通，所述固定箱體內下部空間與溢流水池池內水體連通，所述溢流水池內的水體與溢流水池池面齊平。

進一步地，所述溢流水池側壁上連接有用于溢流水池補水用的補水管。

更進一步地，為方便溢流水池內水體的補給，所述溢流水池設置在壩體下游靠近壩體處，靠連接水庫生態流量泄放管補給，節約了水源。

再進一步地，所述氣體連通管上還設置有帶閥門的補氣管，方便浮動箱體和固定箱體內氣體的補給，保證了本發明溢流的正常運行。補氣管通過空壓機補氣，空壓機帶有壓力表，洪水期間檢查壓力表判斷是否需要補氣。

再進一步地，為防止浮動箱體發生傾覆，影響整個溢流堰的功能，所述浮動箱體與空腔側壁之間還設置有滑動約束。

再進一步地，所述空腔側壁靠近壩頂處設置有與壩體上游連通的進水口。

本發明的優點在于：

設計壩體空腔，溢流水池，并設計內部氣體連通的浮動箱體和固定箱體。

1、利用水氣聯合自動溢流及水位調節，運行不需要施加額外能源，節能環保。

2、能提高中小型水庫的發電水頭及水能資源利用率，從而提高發電效益，具有普遍推廣的價值，社會效益和經濟效益巨大。

3、能夠實現中小型水庫不需要自動化控制裝置和人工監控，通過本裝置和技術，自動調節水庫的水位和泄流，確保大壩安全。

附圖說明

圖1為本發明水氣聯合平衡水力自動溢流堰結構示意圖

圖2為本發明工作狀態結構示意圖。

圖3為本發明另一種工作狀態結構示意圖。

圖中：壩體1，空腔1.1，堰板2，浮動箱體3，固定箱體4，溢流水池5，進水口6，滑動約束7，氣體連通管8，補氣管9，補水管10，氣體11，c最高擋水位，d相對恒定水位，e最低蓄水位。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細描述：

如所示的水氣聯合平衡水力自動溢流堰，包括壩體1和溢流水池5，壩體1上部設置有空腔1.1，空腔1.1與壩體1上游水流連通，具體為，空腔1.1側壁靠近壩頂處設置有與壩體1上游連通的進水口6，空腔1.1內設置有底部開口的浮動箱體3，浮動箱體3頂部設置有堰板2，堰板2穿過壩體1頂部露于壩體1外；溢流水池5內設置有下部開口的固定箱體4，固定箱體4和浮動箱體3的橫截面面積相等，固定箱體4和浮動箱體3內上部空間均為氣體11，且通過氣體連通管8相互連通，溢流水池5內的水體與溢流水池5池面齊平。

溢流水池5側壁上連接有用于溢流水池補水用的補水管10。為方便溢流水池內水體的補給，溢流水池5設置在壩體1下游靠近壩體處，靠連接水庫生態流量泄放管補給，節約了水源。氣體連通管8上還設置有帶閥門的補氣管9，方便浮動箱體和固定箱體內氣體的補給，保證了本發明溢流的正常運行。補氣管9通過空壓機補氣，空壓機帶有壓力表，洪水期間檢查壓力表判斷是否需要補氣。為防止浮動箱體發生傾覆，影響整個溢流堰的功能，浮動箱體3與空腔1.1側壁之間還設置有滑動約束7。其中空腔1.1側壁靠近壩頂處設置有與壩體1上游連通的進水口6。

本發明中，堰板2采用矩形薄壁堰板，堰板2固定在壩內自由浮動箱體3上，堰板2高為L，隨浮動箱體3一起升降，浮動箱體3在四周邊壁滑動約束7的情況下，可以自由上下浮動。固定箱體4置于壩下游處，固定在溢流水池5中，固定箱體4截面面積與浮動箱體3截面面積相等，均為S，壩內浮動箱體3中的氣體連接固定箱體4中的氣體，形成一個連通器。由于滑動約束7中滑輪僅防箱體傾覆，所以產生滑動摩阻力很小，可以忽略不計，壩內浮動箱體3受箱內氣體浮托力作用rSHA以及箱體自重G、箱體上部水重rSL和壩體1對浮動3的壓力F1而平衡，壩外固定箱體4內氣體壓強與壩內浮動箱體3內氣體壓強相等。

當水庫水位位于相對恒定水位d時，壩內浮動箱體3的受力平衡：

F1+G+rSL＝rSHA (1)

此時，HA＝(F1+G+rSL)/rS，浮動箱體3和固定箱體4的氣體壓強相等：

rHA＝rHB (2)

如圖2所示，當水庫因降雨來水增加時，假定水位上升h1，此時浮動箱體3上部水重增加，內部氣體壓強增大，浮動箱體3受力平衡：

F1+G+rS(L+h1)＝rS(HA+h1) (3)

浮動箱體3和固定箱體4氣體壓強不相等：

r(HA+h1)>RhB (4)

先假定箱內氣體不可壓縮，為了維持浮動箱體3與固定箱體4的氣體壓強的平衡，浮動箱體3中的氣體向固定箱體4移動，浮動箱體3內水位上升x，浮動箱體3不動，固定箱體4內水位下降x，氣體體積不變，為了維持浮動箱體3與固定箱體4的氣體壓強相等，此時浮動箱體3與固定箱體4的氣體壓強相等:

此時浮動箱體3的受力平衡：

當h1滿足h1＝2F1/rS時，F＝0，浮動箱體3處于臨界平衡狀態，當水位繼續上升時，

因此浮動箱體3下沉，假設浮動箱體3下沉一個微小量y，此時浮動箱體3中的水面將下降固定箱體4中的液面下降浮動箱體3和固定箱體4的氣體壓強維持相等：

此時浮動箱體3的受力不平衡：

因此，浮動箱體3將持續下沉至底部，水庫泄洪達到最大，此時浮動箱體3的受力為：

浮動箱體3和固定箱體4的氣體壓強相等：

因此，當水位上升超過h1時，高于最高擋水位c時，浮動箱體3下沉至底部。

當洪水過后，水庫水位開始下降，當水庫水位降至相對恒定水位d以下D時，浮動箱體3和固定箱體4的氣體壓強相等，浮動箱體3內液面下降固定箱體4內液面上升浮動箱體3和固定箱體4的氣體壓強維持相等：

浮動箱體3所受的向下的力為G+rS(L+L-D)，所受的浮托力為rS由式(1)得：HA＝(F1+G+rSL)/rS，所以所受的浮托力為當D<L-h1時：

當D＝L-h1時，浮動箱體3受力達到臨界平衡:

此時水庫水位繼續下降，D>L-h1時，浮動箱體3受力為：

此時，浮動箱體3將上升，假設浮動箱體3上升一個微小量a，此時浮動箱體3中的水面將上升固定箱體4中的液面上升浮動箱體3和固定箱體4的氣體壓強維持相等：

此時浮動箱體3受力為：

因此，浮動箱體3將持續上升，浮動箱體3上升至頂部，攔蓄部分洪水尾水。

因此，當水庫水位下降至最低蓄水位e時，浮動箱體3上升。

在前面分析中，假定氣體不可壓縮，而事實上箱內氣體具有可壓縮性，當水庫水位上升h1-2ΔZ時，箱內氣體壓強增大，箱內氣體壓縮，為了維持兩空箱內氣體壓強一致，兩空箱內氣體同時壓縮ΔZ。假設浮動箱體3內水位下降浮動箱體3不動，固定箱體4水位下降此時浮動箱體3和固定箱體4的氣體壓強相等，浮動箱體3受力平衡：

由此可知，當水庫來流增加時，浮動箱體3下降，溢流堰板2隨之下降，水庫泄流增加，由于浮動箱體3內氣體具有可壓縮性，水庫水位隨之下降，并維持水位的相對恒定。當水庫來流減小時，浮動箱體3隨之上升，溢流堰板2隨之上升，減少水庫泄流，水庫水位隨之上升，維持水位的相對恒定。

本發明的水氣聯合平衡水力自動溢流堰，可以通過水和氣的聯合內部平衡機制，自動升降調節溢流堰堰頂高程，實現中小型水庫水位的相對恒定的自動調節，提高水庫的正常蓄水位，增加發電水頭，攔截部分洪水尾部洪量，減小水庫水能資源浪費，從而增加工程的發電效益，并為電站提供了相對恒定水頭的良好運行條件。