CN104452674A

CN104452674A - 一种组合式生态透水坝

Info

Publication number: CN104452674A
Application number: CN201410710271.6A
Authority: CN
Inventors: 刘冬燕; 冯雷
Original assignee: Shanghai Normal University
Current assignee: Shanghai Normal University; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2015-03-25

Abstract

本发明公开了一种生态透水坝，其是从水利渗滤坝演变而来的一种用于生态修复的生态工程技术，本发明致力于解决当前生态透水坝所面临的各种问题，其中包括坝体不稳定、容易淤堵、管涌危害、净水效果不理想、运用局限，这些问题阻碍了生态透水坝技术的运用和发展。本发明采用建造坝基座增加了坝体的稳定，增强了对水压的承受能力，采用几种不同渗透系数的滤料组成坝体、特制生态垫结构减少淤堵的发生，延长坝的功能期，采用生态浮床、曝气装置与生态透水坝结合的方式，加强了生态透水坝的净水功能。本发明适于各种水力坡降、各种地质的河道，可以作为其他功能系统的附属设施，也可以单独发挥功能。

Description

一种组合式生态透水坝

技术领域

本发明在传统透水坝的基础上进行改进，利用物理、化学和生物的净水原理，对河流污水进行净化处理，属于一种生态工程技术。

背景技术

随着对污水治理的加强，点源污染得到了遏制，面源污染凸显出来。面源污染物主要以含N、P元素的物质为主，水中N、P元素的严重超标，会使水生藻类疯长，导致河流和湖泊富营养化，水生动植物大量死亡。对面源污染的治理，传统的环境工程虽然效果明显，但面对的面源污染范围巨大，会耗费巨大的成本，显然不具有现实性。目前研究和使用最多的是采用生态工程的技术和方法，利用生态系统的自我净化机制，将污染物质消耗在生态系统中，比如人工湿地、前置库系统等，这些技术不仅成本低，而且在修复生态、改善环境上具有很大的作用。

面源污染主要发生在农村地区，人们的生活污水、各种养殖场的废水没经过集中处理，随意排放，特别是农药化肥的不合理使用，这些污染物随着雨水流进河流和湖泊而导致污染。除了农村地区外，城市也有面源污染，各种垃圾渗滤液、一些餐饮行业的随意排水、一些小企业违法偷排污水，虽说都是点源污染，但城市人口密集，这些点数量众多，连接起来，就成为污染严重的面源污染。面源污染最终会汇集到河流湖泊中，造成污染，根据这一特点，在其入口采取措施进行治理，或者将其引入另一个地方，比如支流，处理后再排入河流湖泊中。如今采用较多的就是人工湿地和前置库系统，但其均有缺陷，最大的缺陷就是下暴雨时，不能阻止暴雨径流，而最大的污染往往由暴雨径流带入河流湖泊。

生态透水坝能够拦截暴雨径流，其本身能对其进行过滤、微生物分解等净化处理，因此早已被运用到面源污染的治理中，在专利《一种生态透水坝及其设计与施工方法》(CN200610039961.9)中，田猛和张永春设计了一种生态透水坝，并在太湖流域某处农村进行了实验，这种生态透水坝每5天处理15000m³的农业面源污水，对高锰酸盐的去除率为8.4％-12.0％，对TN的去除率为17.9％-25.0％，对TP的去除率为33％-50％。但这种生态透水坝是由不同级配的砾石堆起的各个部分，结构不合理，本身不牢固，在水拖曳力的作用下，坝的前后的骨料会下滑，导致坝的崩塌，在管涌的作用下，坝内的骨料会流失，使渗透系数增大，功能丧失。除此之外，缺少砾石级配操作方法，是由渗透系数决定径流量，这样增加建坝难度，有溢坝的设计，这是一个错误，在溢坝的时候，坝上的植物会被破坏，建坝材料也会被水流冲走。

发明内容

本发明致力于解决当前生态透水坝所面临的各种问题，其中包括坝体不稳定、容易淤堵、管涌危害、净水效果不理想、运用局限，这些问题阻碍了生态透水坝技术的运用和发展。

本发明的组合式生态透水坝由坝基座、滤料层、生态垫、生态浮床、微孔曝气增氧装置组成，坝基座分为防渗层、透水墙、石笼三个部分，透水墙又将坝体分为坝前、坝中、坝后三个部分，坝前有三层不同渗透系数的滤料层，从上到下渗透系数分别为k₁、k₂、k₃，k₁＜k₂＜k₃，可以有效的缓解坝身的淤堵，延长坝的使用期，坝后只有一层滤料层，渗透系数为k₁，滤料层顶部覆盖一层土壤，用于种植植物，坝前和坝后的迎水面覆盖一层生态垫，坝中设置生态浮床和微孔曝气增氧装置。

所述防渗层和透水墙为一个整体，由钢筋混凝土浇筑而成，透水墙的开孔率大于河流最大径流横截面比透水墙面积，可以大致控制径流量，防渗层的前后固定有石笼，防止水流直接冲击坝基和防止生态垫下滑，坝基座两边伸入河岸，增加本发明的抗冲击能力，防渗层主要是防止水从坝的底部渗透，破坏坝基，量成事故，坝基座大大增加了坝体对水压的承受能力，当前的各种生态透水坝只适于建造于水力坡降小的平原河网地区，坝基座不仅可以使本发明建于这些地区，还可以建造于山地水力坡降大地区，而且坝的高度也可以增加。

坝前的滤料层主要起净水作用，坝后的滤料层主要起控制渗流量作用，渗透系数根据坝后直角梯形渗流模型来计算，采用水力学法进行计算，由计算出的渗透系数决定坝后滤料级配，再由各个滤料层的关系决定其级配。

生态垫由多个生态垫单元组成，生态垫单元采用上下两层土工布，中间夹滤料的方法制成，其作用一是防止表面滤料在水的拖曳力的作用下流失，二是将大个的悬浮物拦截，防止淤堵坝体滤料，三是为植物提供种植平台，当生态垫淤堵后，可以更换，由此大大增加了本发明的功能期。

在坝中的两道透水墙之间，充满了河水，水位与上游水位一致，在此设置生态浮床和微孔曝气增氧装置，生态浮床下面悬挂有生物填料，上面种植对污水有较强净化作用的水生植物，加强了对水的净化作用，微孔曝气增氧装置的动力可以是太阳能、风能或电能。

本发明不仅可以用于前置库系统中用于拦截污水，还可以直接建于河道上对污水进行净化处理。根据河流的年最大径流量计算出所需的渗透系数，采用实验的方法决定出各层级配，再结合其他的参数要求，建成生态透水坝。当坝的渗流量不等于河流的径流量的时候，在坝的上游的水位会上升，直至相等的时候为止，因此在上游会有一定的雍水，雍水有一个最高设计水位，上游水位一般不会超过这个水位，当有特殊情况时，坝的顶部建有过水道，在不超过警戒水位的情况下，水从过水道流走，不会破坏坝顶。

附图说明

图1为生态透水坝基座示意图。

图2为基座在河道施工的大致位置示意图。

图3为组合式生态透水坝剖视图。

图4为组合式生态透水坝计算模型示意图。

图5为坝后计算模型示意图。

其中，1、防渗层；2、透水墙；3、石笼；4、过水道；5、河道；6、河岸；7、坝前；8、坝中；9、坝后；10、滤料；11、生态垫；12、上游水位线；13、下游水位线；14、沉水植物；15、浮水植物；16、挺水植物；17、生态浮床；18、生物填料；19、浮床植物。

具体实施方式

本发明的实施要严格经过确定目的和要求、基质调查、研究得出已知参数、计算渗透系数、实验得出级配、确定各项参数、施工建设这几个过程。

确定目的和要求。要求本发明建成之后，水质要有明显的改善，SS、TN、TP等的去除率要达到a％、b％、c％；上游形成壅水，为了达到所需的生态功能和净水效果，年平均水位不能低于H；要能够改善当地生态环境，不能影响泄洪、航运、灌溉等，不会带来危害。

基质调查。河道最大宽度为A，在汛期时，平均水位为H₂，平均流速为V，平均径流量为Q，警戒水位为H₀；河道笔直，河底坡度不，大风浪小，河道所处地质稳定，河底为黏土层，渗透系数接近0；水污染严重，TN、TP严重超标；河道不是航道，主要作用不是泄洪排水；河道周围能生长植物，有一定的水生植物资源。

研究得出已知参数。根据调查，结合目的和要求，如图4所示，确定生态透水坝的下游设计水位为H₂，上游设计水位为H₁，H＜H₁＜H₀，设计宽度为A，设计单宽渗流量为q，坝前后的边坡系数分别为m₁、m₂，1.1≤m₁、m₂≤2.5，具体根据风浪大小和河底坡度，生态垫的厚度都为s，根据所种水生植物的根系长度而定。

计算渗透系数。设坝前的三层滤料的渗透系数从上到下分别为k₁、k₂、k₃，生态垫的渗透系数为k₄，坝后的滤料渗透系数为k₁，生态垫的渗透系数为k₄，k₁＜k₂＜k₃＜k₄，可见渗流量主要是由坝后控制的。结合渗透力学和土力学的相关知识，对坝后渗透系数的计算采用水力学法。生态垫按折换法换成渗透系数为k₁的坝段,厚度为：

B = \frac{k_{1}}{k_{4}} s \sqrt{m_{2}^{2} + 1}

①

其中是根据滤层的设计要求来定的，两层滤料都是均匀的砂卵石，规定可推其范围可以为具体根据水流速度来定，则坝后模型变为如图5所示。将其分为ABCD和CDG两部分进行渗流计算，根据q＝kJw，其中中间段单宽平均渗流面则ABCD部分的渗流量为：

q = k_{1} \frac{H_{1}^{2} - h_{0}^{2}}{2 L_{0}}

②

其中L₀＝d+B+(H₁-h₀)*m₂③。CDG部分的计算按照圆弧形等势线法，计算得水上楔形体坝块的渗流量为q₁＝k₁a₀sinθ，其中θ为下游坡坡角，通过水下部分楔形体坝块的渗流量为：

q_{2} = k_{1} a_{0} \sin θIn (\frac{a_{0} + H_{2}}{a_{0}})

则通过CDG坝块的总渗流量为

q = q_{1} + q_{2} = k_{1} a_{0} \sin θ [1 + In (\frac{a_{0} + H_{2}}{a_{0}})]

④

其中a₀＝h₀-H₂⑤，通过解①②②④⑤所组成的方程组，求出k₁，q、H₁、H₂、s、d、m₂、已知。

实验得出级配。渗透系数随着滤料粒径的增大而增大，根据经验值确定渗透k₁所对应的粒径范围，用孔径分别为粒径范围内的最大和最小的两个筛子去河道附近选滤料样品，现场或者回实验室测其渗透系数，若所测渗透系数与k₁相差过大，比k₁小，向里面掺大粒径砾石，比k₁大则掺掺小粒径砾石，反复试验最终确定级配。

确定各项设计参数。根据以上所得，确定设计坝长L＝v*T，v为渗流速度，T是达到一定净化效果所经历的时间。设计坝宽A，坝高h，H₁＜h≤H₀。坝体共用了四种不同渗透系数的滤料，渗透系数k₂、k₃、k₄在渗透系数为k₁滤料配级的基础上按照实验中的方法进行调节，为了防止渗漏和管涌，滤料层与层之间应满足

施工建设。施工时间选在一年当中的枯水季节，在河道旁边开渠，将河水引至水渠，使上游的河水通过水渠流往下游，然后在施工河道的上下进行围堰，将水抽干。对河底进行除淤、挖地基、夯实处理，然后浇筑坝基座，基座如图1所示，注意透水墙的开孔的大小和开孔率，要根据滤料的粒径和径流量来决定，另外，基座的两端要伸入河岸，如图2所示。待基座凝固之后，在基座前后放上石笼，在坝前从下到上依次装填渗透系数为k₃的滤料30％、渗透系数为k₂的滤料30％、渗透系数为k₁的滤料为30％、沙土为10％，在坝后从下到上依次装填渗透系数为k₁的滤料90％、土壤10％，最后在坝的迎水面上生态垫，注意每一层滤料填完之后要进行一定的压实处理，坝顶要浆砌几条过水道。选择当地对水质有较好净化作用的沉水植物、浮水植物、挺水植物种植在生态垫的相应位置，在坝顶种上当地的湿生植物。向围堰放进河水，在坝中安装微孔曝气增氧装置，并放置悬挂生物填料的生态浮床，浮床上种上对水质有较强净化作用的植物。整个结构如图3所示。待植物成活，生物膜形成后，撤去围堰，填掉水渠，本发明正式投入运行。

Claims

1.一种组合式生态透水坝，其特征在于，由坝基座、滤料层、生态垫、生态浮床、微孔曝气增氧装置组成，坝基座分为防渗层、透水墙、石笼三个部分，透水墙又将坝体分为坝前、坝中、坝后三个部分，坝前有三层不同渗透系数的滤料层，从上到下渗透系数分别为k₁、k₂、k₃，k₁＜k₂＜k₃，坝后有一层滤料层，渗透系数为k₁，滤料层顶部覆盖一层土壤，坝前和坝后的迎水面覆盖一层生态垫，坝中设置生态浮床和微孔曝气增氧装置，透水墙顶部设置过水道。

2.根据权利要求1所述的组合式生态透水坝，其特征在于，防渗层和透水墙为一个整体，由钢筋混凝土浇筑而成，透水墙的开孔率大于河流最大径流横截面比透水墙面积，防渗层的前后固定有石笼，坝基座两边伸入河岸。

3.根据权利要求1所述的组合式生态透水坝，其特征在于，坝前的滤料层主要起净水作用，坝后的滤料层主要起控制渗流量作用，渗透系数根据坝后直角梯形渗流模型来计算，采用水力学法进行计算，由计算出的渗透系数决定坝后滤料级配，再由各个滤料层的关系决定其级配。

4.根据权利要求1所述的组合式生态透水坝，其特征在于，生态垫由多个生态垫单元组成，生态垫单元采用上下两层土工布，中间夹滤料的方法制成。

5.根据权利要求1所述的组合式生态透水坝，其特征在于，生态浮床和微孔曝气增氧装置设置在坝中的两道透水墙之间，生态浮床下面挂有生物填料。