CN102767155B - 一种水库清淤管道系统及其布设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水库清淤管道系统及其布设方法，属于水利工程技术领域。其特征是根据水库淤积的不同阶段和形态，布设预防性清淤管道系统和恢复性清淤管道系统。预防性管道系统由主管道和支管排组成，在水库蓄水前布设。主管道布设在河道两岸，下游端与水坝坝下涵管连接。支管排横向布设在形成三角洲的回水段，支管均布排沙孔拦截三角洲前坡泥沙排出，预防三角洲推进。恢复性清淤管道在形成淤积的水库布设，由贯通淤积区域，下游端与坝下涵管或水下隧洞连接的主管道，横向连接于主管道的支管道和连接于支管道的须管组成。须管管口和吸沙孔移动清淤，覆盖清淤区域。水下清淤管道系统在陆地上分段预制，拖航漂浮连接，水上清淤管道系统在淤积表面的管沟中布设，充水排气沉入库底和沟底清淤，恢复水库库容。

Description

一种水库清淤管道系统及其布设方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域。

背景技术

泥沙随水流汇集到水库中形成淤积是一种普遍现象。为减缓水库淤积，延长水库寿命，传统水库清淤通常采用清库排沙、异重流排沙等水力方法和机泵抽吸、车辆拉运等机械方法。但水力清淤消耗的水资源量巨大，并且不适于三角洲这种水库淤积的基本形态。机械清淤不仅要消耗大量能源，而且受水面和水深条件的限制，成本高昂。无论采用何种传统清淤方法，都不能避免水库清淤与淤积周而复始的问题。《小浪底水库自吸式管道排沙系统研究》(高航，人民黄河，第29卷第11期)公开了一种由主管道和支管道组成的水库排沙管道系统，管道系统只能停留在淤积表面实施表层清淤，不能随水库清淤而均衡下沉。

发明内容

本发明克服现有技术存在的缺点，提出一种水库清淤管道系统及其布设方法。包括预防性水库清淤管道系统、恢复性水库清淤管道系统及其布设方法。

预防性水库清淤管道系统由主管道和支管排连接组成，主管道下游端与水坝的坝下涵管连接，上游端与支管排连接。支管排横向布设在水库预计形成三角洲淤积的回水区下游段，通过阀门与主管道连接。支管排由若干条支管并列组成一个向上游倾斜的平面，倾斜角度略小于三角洲前坡的水下休止角，各支管的顶部偏向上游均布排沙孔，排沙孔间距小于或等于支管间距，相邻支管的排沙孔交错布置，支管的口径随排沙孔的增多向主管道逐段加粗。沿三角洲前坡潜入的推移质随水流进入排沙孔汇集到主管道，通过坝下涵管排向水库下游，预防三角洲淤积向水坝推进。预防性水库清淤管道系统在新建水库蓄水前布设，主管道布设在支管排与水坝之间的河道两岸，支管排布设在水库回水区下游段横跨河道的管桥上，分别从河道中心线和两岸的岸坡朝向位置较低的主管道，。

恢复性水库清淤管道系统布设在水库已经形成淤积的区域，主管道连接若干条支管道，下游端与水坝的坝下涵管连接。支管道分段连接若干条须管，须管采用密度大于水的柔性塑料管，其自由端连接带偏心配重的金属吸沙管口，管口及相邻的一段须管管底分布吸沙孔，管口和吸沙孔抽吸挟带泥沙的水流汇集到管道系统排出；牵引移动须管自由端清淤，全面覆盖清淤区域，水面以下清淤的恢复性管道系统在陆地上分段预制，在水面上拖航漂浮连接，利用须管管口和吸沙孔为管道系统充水排气，向上游逐段下沉至水底；淤积表面高出水面的恢复性清淤管道系统在淤积表面布设，主管道和支管道的一侧开挖管沟至水位以下，将管道置于管沟中，从须管管口和吸沙孔为管道系统充水排气，沉入管沟水底，移动须管自由端抽吸管底和沟边泥沙，扩展和加深水面，持续清除水库淤积，恢复水库库容。

本发明的优点是利用水库水面与管道系统之间的压力势能，管道系统进口与出口之间的位置势能以及水流动能，抽吸汇集挟带泥沙的水流从水库下游排出。达到利用天然能量持续清淤，保持和恢复水库库容，解决水库清淤与淤积周而复始的问题。

具体实施方式

水库淤积受多种因素影响，推移质与悬移质随水流速等条件的变化相互转化，淤积形态复杂多变。下泄水量和水位变化幅度不大的水库，在回水区形成三角洲淤积的雏形，洲面逐步抬升，前坡向水坝推进。泄水量和水面升降幅度较大水库，三角洲局部突进，泥沙直达水坝而形成锥体淤积。排水量和水面升降幅度更大的水库形成带形淤积。在各种淤积形态中，三角洲淤积属于基本形态。针对水库淤积不同形态、过程和阶段，水库清淤分别布设预防性清淤管道系统和恢复性清淤管道系统。

1.预防性水库清淤管道系统及其布设方法

预防性水库清淤管道系统在新建水坝及其截流堰施工前布设。作用是在三角洲形成的初始阶段即开始拦截其前坡推移质，阻断三角洲向水坝推进的通道，在远离水坝的回水区建立淤积与清淤的相对平衡，预防三角洲淤积向水坝发展。

预防性清淤管道系统的主管道宜采用混凝土管道，从与第一道支管排的连接点开始，保持适当坡度沿河道两岸布设于基础和管桥上，穿过拟建施工截流堰的位置通向下游，主管道在新建水坝的坝下涵管建成后改道与其连接。

支管排横向布设在水库蓄水后预计形成回水区的下游段，向主管道保持适当坡度，固定在横跨河道的管桥上。支管排由若干条支管并列组成一个向上游倾斜的平面，各支管出口安装阀门连接在主管道两侧。组成支管排的支管数量根据河道水沙情势确定，但不宜少于6条。朝向河道一侧的河道中的支管排延伸至河道中心相对，另一侧延伸至河岸的岸坡。支管排平面向上游倾斜的角度略小于三角洲前坡的水下休止角。各支管的顶部均匀分布排沙孔，排沙孔略偏向上游一侧，既便于前坡斜面下滑潜入的泥沙进入，又可避免支管在清淤间歇时被泥沙堵死。各支管的排沙孔间距小于或等于各支管的间距，相邻支管的排沙孔交错布置。支管口径随排沙孔的增多向主管道逐段加粗。在管道系统坡度和管内水流速满足卵石顺利排出的条件下，排沙口允许适当粒径的卵石进入。换言之，排沙孔的大小依据支管的坡度和管内水流速对卵石的排出能力确定。为避免排沙孔被更大粒径的卵石堵塞，孔外安装防堵杆。支管排长期处于水下受到腐蚀和泥沙磨蚀，宜采用厚壁硬质塑料管或厚壁抗腐蚀钢管。

水坝施工的截流堰蓄水或水坝蓄水的水面升高到支管排时，水流从排沙孔进入，管道系统开始排水，作为水坝施工期间的辅助分流通道。降低截流堰的蓄水深度，蓄水后回水段形成三角洲淤积的雏形，州面持续淤积抬升，前坡推进主导三角洲淤积的发展，前坡坡面角度为其水下休止角。当前坡坡面面推进到支管排时，沿前坡斜面下滑潜入的推移质随水流进入支管的排沙孔，汇集到主管道排出，管道系统开始清淤。支管排平面以略小于前坡休止角的角度向上游倾斜，可使各条支管能均衡接触到前坡潜入的推移质，以充分发挥清淤效能。从上面一条支管的排沙孔之间向下漏失的推移质，相继进入下面各支管交错布置的排沙孔，支管排平面上的水流絮乱，流动方向在上下支管和左右排沙孔之间反复变化，部分推移质转化为悬移质。在位置势能、压力势能释放和水流动能的共同作用下，水流挟带泥沙进入排沙孔，形成漩涡搅动周围泥沙，提高清淤效果。推移质数量沿支管排平面向下快速减少，形成对前坡潜入推移质有效和充分的拦截，从而阻断前坡推进通道。

三角洲推进受到第一道清淤管排拦截后，淤积形态和发展趋势明显改变。前坡水平推进通道被阻断，但州面仍继续淤积抬升。由于前坡休止角的存在，州面与前坡的交线随州面抬升而持续向上游后退，前坡只能朝上游单向拉长，前坡上边缘线与下边缘线之间的高差持续增大。在汛期高含沙洪水入库和水库泄洪等大强度排水条件下，挟带大量悬移质的水流越过三角洲，进入前坡后由于水深突然增大，水流速和挟沙能力骤然降低，悬移质在前坡及其以下区段形成爆发性集中下沉淤积，转化为推移质。在第一道支管排的下游形成三角洲“第二淤积台阶”。

为此，预防性清淤管道系统在预计形成第二台阶区段的下游布设第二道清淤支管排，拦截第二台阶的推移质。受到两道支管排的约束，第二台阶只能形成有限抬升，其下游段已经不存在发生大规模集中沉降淤积的条件。布设两道支管排便足以使推移质向水坝推进的通道受到有效的阻断。第二道支管排的清淤量比第一道支管排小得多，支管的口径相应缩小。第二台阶推移质的粒径及其前坡水下休止角明显偏小，支管排平面向上游的倾斜角度也相应减小。

形成三角洲淤积的推移质绝大部分来自汛期，特别是洪水条件下。对于入库流量较小而水库蓄水量需要保持的水库，支管排与主管道连接的阀门可通过控制塔或潜水作业启闭，对水库实施季节性或洪水条件下的间断性清淤。

三角洲向水坝推进的通道被预防性清淤管道系统阻断，而明流和异重流携带的细小泥沙仍会在拦截区至水坝之间形成较均衡的带形淤积。但淤积进程缓慢，形成明显或灾害性淤积往往需要若干年。对此，可在需要清淤时再根据实际淤积形态布设恢复性清淤管道系统处理。新建水坝为恢复性清淤管道系统预设清淤坝下涵管，并连接的一段长度超过坝前水深的塑料主管道，以备与恢复性清淤管道系统的主管道在水面上连接。

2.恢复性水库清淤管道系统及其布设方法

恢复性水库清淤管道系统用于清除水库蓄水后形成的各种形态和程度的淤积。管道系统呈树枝状分布在清淤区域内，通过须管移动清淤，达到对清淤区域的全面覆盖。

恢复性清淤管道系统在布设前先对水库的水上和水下淤积地貌，以及推移质粒径分选情况进行勘察。然后确定管道系统的具体布设方案和清淤方案。

恢复性清淤管道系统全部采用密度大于水的塑料管，以避免漂浮并抗腐蚀。主管道纵向贯通清淤区域，根据淤积宽度、坝下涵管和水下隧洞条件布设若干条。对于水坝建造时已预设清淤坝下涵管和一段塑料主管道的，直接在水面上与其连接。否则可利用水库泄水清库条件，将清淤管道系统与原有坝下涵管或水下隧洞连接。对于主管道不能从坝下通过的小型水库，可采用虹吸管路跨越坝顶通向下游。

主管道两侧分段横向或略向上游斜向连接相互平行的支管道，主管道的口径向上游随支管道接入数量的减少逐段缩小。支管道的管顶、两侧和末梢分段连接须管，支管道的口径向主管道随须管接入量的增多逐段增大。通过管道系统过水断面匹配，保证管道系统都能满管输水，保持对须管清淤的抽吸负压。须管采用便于牵引移动的柔性塑料管，口径宜在DN60左右，长度以移动其自由端能达到相对和相邻须管的清淤边界，形成对清淤区域的全面覆盖，并由此确定支管道间距。须管如章鱼的触须，可以经工作船牵引而任意伸展、收拢、平移、升降。须管的自由端连接带偏心配重的金属管口，偏心配重和与其靠近的一段须管底部分布若干吸沙孔，如章鱼触须的吸盘。须管及其自由端的水下移动通过工作船拉动浮标绳索牵引，水面以上的淤积表面直接由人工牵引。在以与支管道的连接点为中心，以须管长度为半径的圆形或半圆形范围内清淤。为防止管口和吸沙孔吸附卵石而堵塞，其口外安装防堵杆。

主管道与支管道的连接点、支管道与须管的连接点以及须管自由端，分别连接带水深标尺的绳索，绳索的另一端连接浮标，绳索水下长度在浮标一端的水面上可调。浮标以三种不同颜色和序列编号在水面上区别显示二种连接点和须管自由端。根据浮标位置和绳索标尺显示的水深，确定各点的水下空间坐标及相互位置关系。

水库淤积在不同阶段和区段呈现明显不同的特征，三角洲在向水坝推进的同时表面抬升翘尾而逐渐高出水面，水上淤积范围持续向水坝扩展，使水面不断退缩，直至消失。恢复性清淤管道系统针对水库存在水面以下淤积和水面以上淤积两种情况，采用二种不同的布设和清淤方法。

水下部分的清淤管道系统在陆地上分段预制，在主管道和支管道连接点的底部加装混凝土配重，用以保持各点的水下位置和姿态。将须管附在支管道的顶部，将绳索和不同颜色、系列编号的浮标分别系在各连接点。然后将分段预制的管道在水面上拖航漂浮连接，形成管道系统。关闭主管道出口，向上游陆续将须管自由端置入水中，通过管口和吸沙孔为管道系统充水排气，使其逐段下沉到库底就位。

通过工作船和岸边观测，记录浮标显示的各点位置及绳索标尺显示的水深，连同水面高程折算成各点的水下空间坐标，绘制管道系统不同时段的空间坐标图、须管移动清淤轨迹图等，并据此安排各须管的后续移动清淤路线。乘工作船拉动浮标绳索牵引须管自由端分别到预定位置，打开主管道出口，管道系统排水启动。须管置于库底淤积表面，在压力势能和位置势能的共同作用下，水流挟带泥沙由须管管口和吸沙口汇集到管道系统从水坝下游排出，管道系统开始清淤。

须管分布在水底如章鱼的触须平铺在淤积表面，管口配重和吸沙孔向下，绳索系点向上。管口配重的吸沙孔抽吸底部泥沙率先沉入淤积层，并带动管口和吸沙孔贴附在淤积表面抽吸。水流进入须管形成漩涡搅动泥沙，形成漏斗形的凹坑并不断加深和扩展。底部带有吸沙孔的一段须管在偏心配重管口的带动下向下弯曲，管口和吸沙孔贴附在坑底和坑壁上抽吸泥沙，凹坑在不断加深和扩展的同时向管口的反方向发展，形成沟状凹坑。通过工作船对须管自由端的牵引调整和浮标在风浪条件下的漂浮拉动，逐步形成对清淤区域的全面覆盖，使清淤管道系统和淤积表面均衡降低。

水库淤积表面稳定高出水面，或水库水位较低时高出水面的三角洲洲面，其清淤管道系统直接在淤积表面布设。然后在主管道和支管道的一侧开挖管沟至水位以下，将主管道和支管道置于沟中，与下游的清淤主管道连接。系好绳索和浮标，关闭主管道的出口，将连接于支管道两侧和末梢的须管置于水中，为管道系统充水排气，管道沉入水底。打开主管道出口，启动清淤管道系统，须管自由端与主管道出口之间的位置势能释放，形成对须管自由端的抽吸负压，人工牵引须管自由端在淤积表面移动，抽吸主管道和支管道的管底泥沙，使其保持适当坡度下沉。同时抽吸沟边泥沙，拓展管沟和水面面积，使高于水面的淤积区域降至水面以下，然后进入水下清淤程序。

在淤积表面大大高出水面，导致管沟过深而难以实施清淤的区段，可以导引河道径流或汛期地表水进入管沟实施清淤。

对于水上淤积范围很大的旧水库，管道系统很难做到一次全面覆盖。可以采取横向分段布设，分段清淤，向上游持续推进的方式进行。

水库能利用泄水清库条件布设预防性清淤管道系统的，原水下淤积区段可在清库后参照水上部分的清淤管道系统布设方法布设。

水库淤积的推移质受水流分选的作用，向上游逐步粗化。恢复性清淤管道系统向上游达到粒径偏大的卵石淤积区段之后，须管便不能再进行清淤。恢复性清淤管道系统布设只能止于这类区段，在保留的清淤边界形成人造三角洲前坡。水库恢复性清淤完成后，利用清库条件在人造前坡的下游段布设预防性清淤管道系统，拦截上游推移质，改变原来的淤积趋势和形态，阻断其重新向水坝推进的通道。与恢复性清淤管道系统一道永久置于库底，利用天然能量持续清淤，解决水库清淤与淤积周而复始的问题，保持水库库容。

Claims (3)

1.一种预防性水库清淤管道系统，其特征是由主管道和支管排连接组成，在水库蓄水前布设；主管道在支管排与水坝之间沿河道两岸坡向下游布设，下游端与水坝的坝下涵管连接；支管排横向布设在水库预计形成三角洲淤积的回水区下游段，安装在横跨河道的管桥上，从河道中心线和两岸的岸坡分别通过阀门与主管道连接；支管排由若干条支管并列组成一个向上游倾斜的平面，倾斜角度略小于三角洲前坡的水下休止角；各支管的顶部偏向上游均布排沙孔，排沙孔间距小于或等于支管间距，相邻支管的排沙孔交错布置，支管口径随排沙孔的增多向主管道逐段加粗；沿三角洲前坡潜入的推移质随水流进入排沙孔汇集到主管道，通过坝下涵管排向水库下游，预防三角洲淤积向水坝推进。

2.一种恢复性水库清淤管道系统，由纵向贯通水库清淤区域，下游端与水坝的坝下涵管连接的主管道，分段连接于主管道两侧且互相平行的支管道组成；其特征是各支管道连接若干条须管，须管采用密度大于水的柔性塑料管，分段与支管道连接，各须管的长度达到相对和相邻须管的清淤边界，并以此确定支管道的间距；须管自由端连接带偏心配重的金属吸沙管口，偏心配重和相邻的一段须管底部分布一排吸沙孔，挟带泥沙的水流从管口和吸沙孔汇集到管道系统排出；须管通过移动自由端清淤，全面覆盖水库清淤区域。

3.一种恢复性水库清淤管道系统的布设方法，其特征是：水面以下清淤管道系统在陆地上分段预制，在水面上拖航漂浮连接；主管道分段连接支管道，支管道分段连接须管，须管自由端连接带偏心配重的金属吸沙管口；管口和相邻的一段须管底部分布吸沙孔，利用管口和吸沙孔为管道系统逐段充水排气，管道系统向上游逐段下沉至水底；淤积表面高出水面的清淤管道系统在淤积表面布设，主管道和支管道的一侧开挖管沟至水位以下，将主管道和支管道置于管沟中，沉入管沟水底，移动须管自由端抽吸管底和沟边泥沙，清除水库淤积，加深和扩展水面。