CN101798804B - 河道上游围堰拆除的导流明渠截流进占戗堤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河道上游围堰拆除的导流明渠截流进占戗堤，主要由预进占戗堤、进占戗堤、合龙戗堤和预进占裹头构成，截流戗堤的轴线整体为折线，其中预进占戗堤轴线与进占戗堤轴线相交，进占戗堤轴线与龙口戗堤轴线相交，龙口戗堤轴线与预进占裹头轴线相接，预进占戗堤起点A选择在明渠内侧河岸，预进占裹头选择在明渠外侧河岸，预进占戗堤轴线与进占戗堤轴线交点B′位于河道内，B′与导流明渠外侧进口起点B的距离B₀为使对应龙口流速小于2.5m/s，B B′连线方向与河道主流方向夹角θ控制在15～90°范围，进占戗堤长度L能使戗堤合龙时的龙口水流平均流速在小于5.5m/s。本发明与传统截流戗堤相比，能有效降低施工截流各项水力学指标和明显减轻明渠截流难度。

Description

河道上游围堰拆除的导流明渠截流进占戗堤

技术领域

本发明涉及水利水电工程中导流明渠截流技术，更为具体地说是涉及一种河道上游围堰已拆除的导流明渠截流戗堤。

背景技术

导流明渠的截流是水利水电工程建设的重要组成部分。与河道主河床截流相比，由于导流明渠截流是在混凝土渠底上实施截流，截流抛投料难以在混凝土渠底上站稳，抛投料的稳定性较低，从而导致抛投料流失量较大，在截流困难阶段大料用量较多，且截流安全性相对也较低。现有技术的导流明渠截流，截流戗堤一般设置在明渠进口或者尾部水面较窄且方便进占的部位，截流戗堤的预进占戗堤段起点A选择在明渠内侧河岸，截流戗堤的龙口位于明渠内，截流戗堤的轴线为直线。当截流水流量较大时，为了能顺利进行截流，截流戗堤可设计为宽戗、双戗、或多戗截流形式，但不论为什么形式，截流戗堤的轴线均为直线，截流戗堤的施工均按直线进占，如三峡、丹江口、葛洲坝等水利枢纽工程中的导流明渠截流，均按直线进占施工截流。当前明渠截流中降低截流难度的主要措施有：①增加导流建筑物的分流能力；②在明渠中预抛拦石坎垫底加糙；③增大截流用料的块体质量和稳定性；④采用多戗堤截流等。例如三峡右岸导流明渠截流，其截流设计流量10300～8600m3/s，采用上下游龙口分别预抛投钢架石笼和合金钢网石兜形成拦石坎，并上下双戗立堵截流成功。导致明渠截流困难的主要原因是抛投料稳定性差、截流困难时段流失量大和大料用量多，现有技术的这些降低导流明渠截流难度的技术措施，都属于被动性的，而都不是从改进截流戗堤进占方式以降低导流明渠截流难度，即主动地从根本上降低导流明渠截流难度。

直到本发明完成之前，发明人还未发现采用本发明提出的截流戗堤用于河道上游围堰已拆除的导流明渠截流，以降低导流明渠截流难度，完成明渠截流的文献报道和工程实例。

发明内容

针对现有技术的河道上游围堰拆除的导流明渠截流进占戗堤存在的不足，本发明目的旨在提出一种全新的河道上游围堰拆除的导流明渠截流进占戗堤，以此解决在导流明渠截流中抛投料稳定性差、抛投料流失量大、大料用量多和截流指标高等诸多问题。

在导流明渠截流施工中，限于地形因素，导流明渠截流往往只能从明渠内侧河岸至外侧单向抛投进占截流，针对导流明渠截流的这一特点，本发明所提出的导流明渠截流戗堤，基于非直线型截流进占设计基本理念，从明渠内侧河岸进口某适当位置出发，首先利用截流戗堤本身挑开流入明渠的水流，绕过明渠进口主流区，然后使戗堤轴线顺水流折向明渠外侧进口下游，随着戗堤进占，水流将从下游向上游呈“S”型逆向流入导流明渠，最后戗堤进占至某适当部位形成“宽戗截流”形式，实现戗堤顺利截流。

本发明所提出的河道上游围堰拆除的导流明渠截流进占戗堤，按照导流明渠截流进占施工过程，主要由预进占戗堤、进占戗堤、龙口戗堤和预进占裹头构成，截流戗堤的轴线整体为折线，其中预进占戗堤轴线与进占戗堤轴线相交，进占戗堤轴线与龙口戗堤轴线相交，龙口戗堤轴线与预进占裹头轴线相接，预进占戗堤起点A选择在明渠内侧河岸，预进占裹头选择在明渠外侧河岸，预进占戗堤轴线与进占戗堤轴线交点B′位于河道内，其至B点的距离B₀能使对应的龙口(B′点至B点的龙口)水流平均流速小于2.5m/s，B′B连线方向与河道水流主流方向夹角θ控制在15～90°，进占戗堤由交点B′折向顺水流方向，使进占戗堤与明渠外侧河岸形成龙口，进占戗堤的长度L为能使戗堤合龙时的水力学指标达到设计要求。

上述方案的进一步方案，进占戗堤的长度L需根据实际截流指标确定，一般为能使戗堤合龙时的龙口水流平均流速控制在小于5.5m/s的范围，龙口水流平均流速控制在小于5.0m/s则更好。

上述方案的进一步方案，在预进占戗堤与进占戗堤交接处区⑨采用大块石或钢筋石笼防护，使其能抵抗流速不大于5.5m/s水流的冲击，优先选择使其能抵抗流速不大于于5.0m/s水流的冲击。预进占戗堤与进占戗堤交接处区⑨的防护，可根据下面的尹兹巴斯公式进行设计施工：

$V=k\sqrt{2g\frac{{\mathrm{\γ}}_s-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}}d}$

式中：k-抛投料稳定系数。受龙口坡度α和抛投料水下休止角ψ影响，可按以下公式计算： $k=\sqrt{2\cos \mathrm{\α}(\tan \mathrm{\ψ}-\tan )\mathrm{\α}},$ 经过大量实验得出k可取0.9；

V-计算点处断面平均流速，m/s；

γ_s、γ-分别为抛投料和水的容重，t/m³；

g-重力加速度，9.8m/s²；

d-抛投料化为球体的直径，m。

在上述方案中，预进占戗堤起点A最好选择在明渠外侧河岸进口B点的上游，且在明渠内侧河岸进口以内。

在上述方案中，预进占戗堤轴线与进占戗堤轴线交点B′的戗堤，即进占戗堤最好是位于明渠外侧河道内，且使其轴线顺水流方向以一定的角度逐渐偏向河岸，以减小龙口流量。

在本发明的上述技术方案中，主要有三个重要控制指标。其一为B′至B的距离(即它们间的宽度B₀)。B₀的宽度不能太小，也不能过大。若B₀的宽度太小，则会过分地束窄水流会增大龙口水力指标，达不到降低截流难度的目的，并且合龙时逆向水流对戗堤下游堤脚的冲刷影响戗堤的稳定；若B₀宽度过大，则不能充分利用明渠外侧导墙的阻水作用，且浪费抛投料。其二为B′至C的距离(即进占戗堤的长度L)，该距离是决定导流明渠截流能否顺利进行的重要控制指标。因为当L对应的龙口水力指标较大时，则会加大截流难度，而L过大则需使用更多的抛投材料。其三为图2中⑨区需预抛投大块石或钢筋石笼防护。因为当戗堤合龙时，龙口下游逆向水流会直冲该区域，其流速控制在4.5～5.5m/s为宜。若不预抛投大块石或钢筋石笼防护，那么在冲刷与戗堤自身渗透压力共同作用下，容易引起戗堤失稳，甚至决口，从而影响截流安全。

发明人经过深入研究分析上述三个重要截流指标，认为在形成龙口时，B₀能使对应龙口水流平均流速小于2.5m/s，且B′B点的连线方向与河道主流方向夹角θ为15～90°；并在进占戗堤长度L形成的龙口流速小于5.5m/s和在合龙时对图2中⑨区实施大块石或钢筋石笼防护时，则能达到龙口安全合龙的水力指标要求。而将进占戗堤长度L形成的龙口流速控制在小于5.0m/s则更好。其中，图2中⑨区实际流速指标可由预抛投的大块石或钢筋石笼按伊兹巴斯公式(见附图说明)计算求得，发明人建议该流速小于5.0m/s。

在工程实践中，发明人建议按照以上控制指标，先初步拟定几个不同尺寸的龙口宽度，然后通过物理模型试验测定水力指标后再确定具体的实施方案，而进占戗堤的长度L则是根据实测的龙口水力学指标调整确定。

本发明揭示的导流明渠截流戗堤，摒弃了传统意义上的直线型戗堤垂直或近似垂直于明渠水流主流方向进占截流的设计理念，将戗堤龙口位置由明渠内调整到明渠外，采用非直线进占截流，戗堤轴线改为折线。本发明揭示的非直线型导流明渠截流戗堤，与传统的直线型截流戗堤相比，能有效的降低截流戗堤龙口平均流速和单宽功率，提高抛投料稳定性，即有效降低施工截流各项水力学指标，明显减轻明渠截流难度。

本发明揭示的导流明渠截流戗堤，其主要优点是：

1、运用截流戗堤本身进占方向控制进入明渠的水流流向，使水流绕流进入明渠，增大水流沿程损失和减小龙口范围水面线梯度，从而降低了截流指标；

2、合龙过程中，折向下游顺水流进占的戗堤与河岸形成宽戗截流形式，进一步增加了沿程水头损失，降低截流指标；

3、龙口位于原河槽，龙口底部糙率较大，有利于截流抛投料稳定；

4、截流戗堤方向与导流建筑物进口方向一致，增加导流建筑物的分流能力等。

本发明揭示的导流明渠截流戗堤与现有技术的直线型截流戗堤相比，概括起来具有以下十分突出的有益技术效果：

1、能有效减少大尺度截流料用量，节约截流工程投资。例如某工程实例中，与原设计直线形戗堤方案相比，采用本发明的非直线型截流方案，大部分戗堤主要采用石渣料进占，只有在合龙困难时期才采用少量大尺度截流料，大块石抛投料用量减少50％左右。

2、有效降低抛投料流失量，可采用较低备料系数。例如某工程实例中，在均考虑流失量的情况下，理论上非直线形戗堤抛投量比直线型戗堤抛投量增加30％，但由于非直线形戗堤龙口布置于糙率较大的河道内，抛投料流失量减小，且大尺度截流料用量大大减少，其实际抛投量却二者相当。

3、有效降低龙口范围内截流指标。例如某工程实例中，采用非直线型戗堤轴线，虽然与直线型戗堤轴线有相同的落差，但其龙口流速、单宽功率分别较直线型戗堤轴线龙口流速、单宽功率降低30％和50％。

4、能适应大流量、高水头截流。当流量大、截流水头高时，可通过延长交点B′后进占戗堤顺河道方向距离(进占戗堤的长度L)和收缩程度(改变进占戗堤轴线与明渠河内侧堤交角)来控制龙口流量，直到龙口水力学指标达到现实可控制范围。

5、降低了明渠截流难度和提高了截流安全度。综合上述多方面有益效果，可以判定采用本发明揭示的直线型导流明渠截流戗堤这种新式的截流进占方式能明显的降低截流难度、提高截流安全度和节省截流工程投资。

附图说明

图1是导流明渠、河床、传统的截流戗堤与本发明所提出的截流戗堤平面布置示意图。

图2是本发明所提出的导流明渠截流戗堤进占过程示意图，其中图a是预进占戗堤完成后的形象图，图b进占戗堤与预进占裹头形成龙口后的形象图，图c是合龙戗堤后的形象图。

图3是实施例1龙口平均流速对比曲线图。

图4是实施例1龙口截流落差对比曲线图。

图5是实施例1龙口单宽功率对比曲线图。

在上述附图中，各图示标号的标识对象是：①-传统直线型截流戗堤轴线(A-B)；②-本发明的非直线型截流戗堤轴线(A-B′-C-D)；③-导流明渠；④-主河床；⑤-预进占戗堤；⑥-进占戗堤；⑦-合龙戗堤；⑧-预进占裹头；⑨-预抛投大块石重点防护区。1-传统的直线型截流戗堤，2-本发明的非直线型截流戗堤。

具体实施方式

下面结合附图图面说明给出本发明的实施例，并通过实施例对本发明作进一步的说明。有必要在这里特别说明的是，本发明的具体实施方式不限于实施例中的形式，根据本发明公开的内容，所属技术领域的技术人员还可以采取其他的具体方式进行实施，因此，实施例不能理解为是本发明仅可以实施的具体实施方式。

工程实例

本工程实例根据进口地形和施工条件，设计方案有两个，一是传统的直线型戗堤进占方式，二是本发明的非直线戗堤进占方式，两种进占方式的截流戗堤轴线布置如图1所示。本发明的非直线截流戗堤整体效果如图2所示，截流戗堤按照导流明渠截流进占施工过程，由预进占戗堤段A-B′、进占戗堤段B′-C、龙口戗堤段和预进占裹头构成，截流戗堤的轴线整体为折线，其中预进占戗堤轴线与进占戗堤轴线相交于B′点，进占戗堤轴线与龙口戗堤轴线相交于C点，龙口戗堤轴线与预进占裹头轴线相接，预进占戗堤起点A位于明渠内侧河岸进口内，且在明渠外侧进口B点的上游，预进占戗堤轴线与进占戗堤轴线交点B′位于河道内，设置在其至明渠河内侧堤岸的水流进口B点的距离B₀为35m，使B′至B点的龙口水流平均水流速度约2.0m/s，B B′连线方向与河道水流主流方向夹角θ为45°左右处，进占戗堤的轴线与明渠河内侧堤岸线基本平行，进占戗堤长度L，即进占戗堤轴线与龙口戗堤轴线交点C设置在使龙口的水流平均流速约为4.5m/s处。预进占戗堤与进占戗堤交接处区⑨(附图2中所示)采用大块石防护，使其能抵抗流速4.5m/s左右水流的冲击，戗堤设计顶宽20m，上下游边坡均为1∶1.5。通过1∶50的正态模型试验，对比原直线型戗堤方案和优化的非直线型戗堤方案，二者的截流水力学指标对比如附图3、附图4和附图5所示。

由图附图3、附图4和附图5可以看出，非直线型戗堤的各项截流指标均优于直线型截流戗堤的截流指标，如表1所示。虽然最终截流落差相当，但在截流过程中每个截流时段，非直线型戗堤的上下游落差均小于直线型的截流落差。

                 表1龙口截流指标对比

Claims (9)

1.一种河道上游围堰拆除的导流明渠截流进占戗堤，其特征在于按照导流明渠截流进占施工过程，主要由预进占戗堤、进占戗堤、龙口戗堤和预进占裹头构成，截流戗堤的轴线整体为折线，其中预进占戗堤轴线与进占戗堤轴线相交，进占戗堤轴线与龙口戗堤轴线相交，龙口戗堤轴线与预进占裹头轴线相接，预进占戗堤起点A选择在明渠内侧河岸，预进占裹头选择在明渠外侧河岸，预进占戗堤轴线与进占戗堤轴线交点B′位于河道内，其至B点的距离B₀所对应的龙口水流平均流速小于2.5m/s，B′B连线方向与河道水流主流方向夹角θ控制在15～90°，进占戗堤由交点B′折向顺水流方向，使进占戗堤与明渠外侧河岸形成龙口，进占戗堤的长度L为能使戗堤合龙时的水力学指标达到设计要求。

2.根据权利要求1所述的河道上游围堰拆除的导流明渠截流进占戗堤，其特征在于进占戗堤的长度L为能使戗堤合龙时龙口水流平均流速控制在小于5.5m/s。

3.根据权利要求2所述的河道上游围堰拆除的导流明渠截流进占戗堤，其特征在于进占戗堤的长度L为能使戗堤合龙时龙口平均流速控制在小于5.0m/s。

4.根据权利要求1所述的河道上游围堰拆除的导流明渠截流进占戗堤，其特征在于预进占戗堤与进占戗堤交接处区采用大块石或钢筋石笼防护，使其能抵抗流速不大于5.5m/s水流的冲击。

5.根据权利要求4所述的河道上游围堰拆除的导流明渠截流进占戗堤，其特征在于预进占戗堤与进占戗堤交接处区采用大块石或钢筋石笼防护，使其能抵抗流速不大于5.0m/s水流的冲击。

6.根据权利要求5所述的河道设有上游围堰的导流明渠截流进占戗堤，其特征在于预进占戗堤与进占戗堤交接处区的防护根据下面的尹兹巴斯公式进行：

$V=k\sqrt{2g\frac{{\mathrm{\γ}}_s-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}}d}$

式中：k-抛投料稳定系数，受龙口坡度α和抛投料水下休止角ψ影响，可按以下公式计算： $k=\sqrt{2\cos \mathrm{\α}(\tan \mathrm{\ψ}-\tan \mathrm{\α})},$ 经过大量实验得出k可取0.9；

V-计算点处断面平均流速，m/s；

γ_s、γ-分别为抛投料和水的容重，t/m³；

g-重力加速度，9.8m/s²；

d-抛投料化为球体的直径，m。

7.根据权利要求1至6之一所述的河道上游围堰拆除的导流明渠截流进占戗堤，其特征在于预进占戗堤起点A位于明渠外侧河岸进口B点的上游，且在明渠内侧河岸进口以内。

8.根据权利要求1至6之一所述的河道上游围堰拆除的导流明渠截流进占戗堤，其特征在于交点B′后的进占戗堤位于明渠外侧河道内，且其轴线顺水流方向以一定的角度逐渐偏向河岸，以减小龙口流量。

9.根据权利要求7所述的河道上游围堰拆除的导流明渠截流进占戗堤，其特征在于交点B′后的进占戗堤位于明渠外侧河道内，且其轴线顺水流方向以一定的角度逐渐偏向河岸，以减小龙口流量。

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