CN106638501B - 适用于弯道陡槽溢洪道的水沙分离建筑物布置形式 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于弯道陡槽溢洪道的水沙分离建筑物布置形式，包括上游端与来流溢洪道衔接的集沙池和位于集沙池下游的弯道陡槽溢洪道，所述弯道陡槽溢洪道由并行设置的过流通道和排沙通道构成，所述排沙通道进口底板与集沙池底板平顺衔接，排沙通道的弯道段流道底板为外边墙侧高、内边墙侧低的内倾型连续底板；所述过流通道通过溢流堰与集沙池衔接，过流通道的弯道段流道底板为台阶结构底板；所述溢流堰的迎水面为圆弧面，构成将水流中的大颗粒及散粒体泥沙导入排沙通道的导沙墙。本发明能有效实现高流速高含沙水流中的散粒体泥沙与水流分离，能达到安全排沙、减小防护范围、降低维护成本与提高工程运行安全等目的。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电工程与防灾减灾工程，尤其适用于在具有弯道的陡槽溢洪道内实施水沙分离。
背景技术
目前，在山区河流中修建的各类防洪、引水、灌溉、防灾减灾等工程，均必须设有防沙措施，沉沙池为最常用的措施之一，适用于坡度较缓，出现大颗粒泥沙概率相对较小的水工建筑物，主要包括直线型沉沙池、曲线形沉沙池、旋流式沉沙池、斜板式沉沙池、漏斗式沉沙池等形式，主要利用沉沙池水流流速低、弯道环流等基本原理实现水沙分离，对过流边界几乎无破坏。
在水利水电工程中或防灾减灾工程中，存在大量渣场、拦挡坝、尾矿库等建筑物，其排水设施通常采用陡槽溢洪道、隧洞、涵洞等。上述建筑物除了具备排水功效之外，还需兼具排沙等功能，并且所拦挡的泥沙具有粒径级配宽、粒径大、物源总量大等特征。诸多研究表明，在具有弯道的陡槽溢洪道内，高速水流对过流边界的适应性较差，容易冲击弯道凹侧，进而在溢洪道内形成非对称冲击波。而高速水流中所携带的散粒体泥沙跟随高速水流加速后，会在弯道段内发生跳跃、翻滚等运动形态，从而对溢洪道过流边界产生撞击破坏、砸蚀破坏、磨蚀破坏等破坏形态。当溢洪道过流边界发生破坏且平整度发生变化后，高速水流更容易发生空化空蚀破坏。如果水流空蚀与泥沙颗粒砸蚀、磨蚀等破坏形式继续叠加，那么溢洪道过流边界破坏更恶化。上述破坏形态不仅会引起较大的运行安全隐患，也会增加工程后期维修难度、维修费用等。因此，必须在工程的设计阶段，便充分考虑高速水流、大颗粒泥沙等因素对工程过流边界的破坏作用，以采取合理的工程措施避免破坏，确保工程设施安全、持久运行。
发明内容
本发明提出了一种适用于弯道陡槽溢洪道内水沙分离建筑物布置形式，以实现弯道陡槽溢洪道安全排沙、减小防护范围、降低维护成本与提高工程运行安全的目的。
针对上述发明目的，本发明提供的适用于弯道陡槽溢洪道内水沙分离建筑物布置形式，其构成包括上游端与来流溢洪道衔接的集沙池和位于集沙池下游的弯道陡槽溢洪道，所述弯道陡槽溢洪道由并行设置的过流通道和排沙通道构成，所述排沙通道进口底板与集沙池底板平顺衔接，排沙通道的弯道段流道底板为凹侧边墙高、凸侧边墙低的内倾型连续底板；所述过流通道通过溢流堰与集沙池衔接，过流通道的弯道段流道底板为台阶结构底板；所述溢流堰的迎水面为圆弧面，构成将水流中的大颗粒及散粒体泥沙导入排沙通道的导沙墙，导沙墙圆弧面的上游端接于过流通道凸侧边墙延伸边墙，下游端接于过流通道和排沙通道的隔离边墙，导沙墙前方的集沙池底板具有倾向于排沙通道进口的坡度。
本发明主要原理为：利用前置集沙池拦挡上游下泄的推移质泥沙，淤积后的推移质泥沙经由排沙通道下泄以实现水沙分离；在弯道范围内，过流通道底板为台阶布置，可以使水流以连续跌流态流过弯道，水流沿程得以很好地消能并过渡高速水流，以避免高速水流在过流通道内折冲，降低菱形冲击波对过流通道边墙的冲击作用；排沙通道的内倾型底板可以避免高速水沙混合流折冲两侧边墙和大颗粒散粒体泥沙无规律运动，进而实现整体的水流与水沙混合流在弯道内平顺衔接。
本发明提供的适用于弯道陡槽溢洪道内水沙分离建筑物布置形式，在工程实施中需要重点确定的工程参数包括：前置集沙池规模(长度L与深度P)、前置集沙池与上游流道衔接坡度(i1)、前置集沙池底面横、纵向坡度(i2、i3)、溢流堰弧形迎水面布置形式(起点A与半径R)、前置集沙池与排沙通道衔接圆弧半径R1等。排沙通道宽度(b2)、排沙通道弯道横向坡度(i4)、过流通道台阶的步高(a)和步长(l)、陡槽溢洪道弯道段半径R2、溢洪道弯道段总偏转角θ。参数确定方法如下：
(1)前置积沙池与排沙通道。
首先需确定合理的排沙通道宽度b2，其主要由泄流能力、过沙能力、施工条件、工程投资等因素确定。从泄流能力出发，排沙通道宽度b2由公式(1)确定，其中设计流量为工程最常遇洪水流量，当来流量小于该流量时，水流与泥沙均经由排沙通道下泄，当流量大于该设计流量时，实施水沙分离，大颗粒与散粒体泥沙均由排沙通道下泄，水流中部分悬移质可能会经由过流通道下泄，但该部分泥沙对过流边界的破坏相对较小。同时，考虑施工条件与工程投资等因素，排沙通道宽度b2宜介于(1/4～1/3)溢洪通道宽度B之间。并最终选取前述相对较大的b2值作为排沙通道的宽度。
前置积沙池规模主要从水流条件出发来确定，需重点考虑大洪水下，水流中的大颗粒与散粒体泥沙能够在积沙池内沉积而不进入过流通道，同时考虑沉积于积沙池内的泥沙能够再起动并由排沙通道下泄。
当来流量大于设计流量后，前置集沙池内水位由式(1)式(2)联合计算，综合考虑泥沙在前置积沙池内的沉积与起动，确定前置集沙池长度L宜介于1～2倍水跃长度Lj，其中Lj为不受集沙池水位影响的自由发展水跃长度，采用式(3)计算。前置集沙池深度P(即溢流堰高度)需综合各方面因素，设计过程中，可假设几个不同高度P，通过不断试算，以水流衔接以及前述控制因素作为边界条件，选取各方面均满足条件且较优的b2、L与P。
为了相对增加前置消力池内底部流速，前置集沙池与上游流道衔接段的陡坡段池底坡度(i1)宜介于1:1～1:3。为了让沉积于前置集沙池内的大颗粒与散粒体泥沙在水力作用下更容易起动并输运，前置集沙池缓坡段池底横、纵剖面均需设有坡度(i2、i3)，坡度比宜介于1:5～1:10范围。
为了避免大量泥沙淤积于前置集沙池过流通道侧，将过流通道进口的溢流堰迎水面设置成弧形导沙墙，起点A宜布置于(1/2～2/3)L范围内，圆弧半径宜为(1.5～3)倍过流通道宽度b1，中心角宜介于45°～60°。
(2)陡槽溢洪道弯道段半径R2。
为了确保水流与泥沙均平顺过渡，本发明的弯道转弯角度θ需控制在30°范围内，否则高速水流容易直接冲击弯道凹岸(外侧岸)。为削减弯道内急流冲击波，主弯道段一般采用尽量大的弯道半径，根据工程实践，弯道半径R2宜采用6～10倍溢洪道宽度B。弯道的最小半径R2可由式(11)计算。
(3)排沙通道横向比降。
该参数由弯道外侧水面与中心线水面的高差Δh确定，主要由排沙通道断面宽度b2、弯道半径R2与弯道内含沙水流的流速确定。以排沙通道中轴线为轴旋转，使槽底凸岸侧降低Δh，槽底凹岸侧抬高Δh，从而使槽底具有横向坡度，以此来平衡弯道离心力，保持弯道中水沙混合流的稳定性，Δh可由式(10)计算。
(4)过流通道台阶尺寸。
台阶参数主要为高度a与宽度l，其中l由过流道整体坡度控制。台阶高度需综合考虑过流通道坡度、单宽流量、施工方便等因素。分析认为，当水流在台阶流道内形成滑行水流流态后，台阶尺寸对弯道水流流态的衔接与过渡作用减弱，因而将弯道段台阶上不产生滑行水流流态作为台阶高度的主要控制标准。
过流通道临界水深可由式(12)确定，则过流通道内台阶高度a需控制为2ΔH～3ΔH。同时，为了确保溢流堰后水流衔接平顺，溢流堰后第一级至第四级台阶需连续逐级增高，其台阶高度分别为0.2a、0.4a、0.6a与0.8a，第五级台阶高度即为设计台阶高度a。
除上述各具体参数外，排沙通道底部需采用工字钢龙骨与钢板衬砌进行重点防护。为了避免排沙通道内水沙混合流中的散粒体在高流速状态下摆脱水体束缚而发生无规律飞溅，其顶部需加设可拆卸盖板，盖板可采用钢筋混凝土板或钢板。具体安装方式为：在水沙混合流陡槽的边墙上设锚桩，在盖板上设扣环，二者采用钢筋或铰链连接并固定。
本发明提供的适用于弯道陡槽溢洪道内水沙分离建筑物布置形式，工程设计中设计到的计算公式有：
Q＝Q设+QY…………………………………………………………(3)
L＝(0.8～1.2)Lj……………………………………………………(4)
Lj＝10.8hc(Frc-1)0.93………………………………………………(5)
E0＝Z1-Zy…………………………………………………………(7)
上述公式中符合含义如下：
Q设—设计洪水流量，m3/s；
QY—过流通道泄流量，m3/s；
Q—总来流量m3/s，设计洪水下，Q设等于上游总来流量Q；
b1—过流通道宽度，m；
b2—排沙通道宽度，m；
L—前置集沙池长度，m；
Lj—自由水跃长度，m；
a—过流通道台阶高度，m；
l—过流通道台阶宽度，m；
E0—总能头，m；
hc—收缩断面水深，m；
Frc—收缩断面佛汝德数；
—流速系数，取值为0.85-0.9；
Z1—来流水位，m；
Zh—集沙池出口高程，m；
ZY—溢流堰顶高程，m；
Vc—收缩断面流速，m/s；
m1—排沙通道量系数；
m2—过流通道流量系数；
P—溢流堰高度，m，流量为Q设时，P等于H1，流量大于Q设后，
P＝H1-H2；Δh—弯道外侧水面与中心线水面的高差，m；
B—溢洪道总宽度，m；
R—弧导沙墙半径，m；
R1—前置集沙池与排沙通道衔接段半径，m；
R2—陡槽溢洪道的弯道段半径，m；
θ—溢洪道弯道段总弯转角；
i1—前置集沙池与上游流道衔接坡度(陡坡段池底面坡度)；
i2—前置集沙池底面横向坡度(缓坡段池底面横向坡度)；
i3—前置集沙池底面纵向坡度(缓坡段池底面纵向坡度)；
i4—排沙通道弯道横向坡度；
V1—陡槽溢洪道过流通道后断面的段面平均流速，m/s；
V2—陡槽溢洪道排沙通道后断面的段面平均流速，m/s；
h1—过流通道洪水期台阶上的断面水深，m；
h2—排沙通道弯道进口断面的水深，m；
δ1—过流通道溢流堰顶宽，m；
δ2—排沙通道溢流堰宽度，m；
ΔH—临界水深，m；
本发明的主要具有以下优点：
(1)本发明通过设置专门的排沙通道下泄上游来流中所包含的大颗粒与散粒体泥沙，能有效避免高含沙水流对溢洪道边界的冲蚀、磨蚀与砸蚀破坏等不利影响，减小了陡槽溢洪道发生破坏的概率，避免了修复施工以及省略了修复成本，提高了类似工程的运行安全。
(2)本发明过流通道设置台阶过度，能够使水流在弯道内平顺过渡与衔接，尽量消除弯道菱形冲击波对边墙的冲击作用，使水流均匀下泄。
(3)本发明中排沙通道采用内倾型底板能有效避免水沙混合流在弯道内形成菱形冲击波而使大颗粒散粒体发生无规律跳跃，避免对过流边界的破坏。
附图说明
图1为本发明布置方式的平面图。
图2为图1中Ⅰ-Ⅰ向剖面结构示意图。
图3图1中Ⅱ-Ⅱ向剖面结构示意图。
图4图1中Ⅲ-Ⅲ向剖面结构示意图。
图5图1中Ⅳ-Ⅳ向剖面结构示意图图。
图6图1中Ⅴ-Ⅴ向剖面结构示意图图。
图7图1中Ⅵ-Ⅵ向剖面结构示意图图。
图8为排沙通道转弯段断面结构示意图。
图9为排沙通道盖板结构示意图(钢筋混凝土盖板)。
在附图中，各图示标号的标识对象是：1-来流溢洪道；2-前置集沙池；3-过流通道；4-排沙通道；5-溢流堰；6-盖板；7-锚桩；8-钢板衬砌；9-圆弧形导沙墙；10-工字钢龙骨；11-扣环。
具体实施方式
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
某水电站施工堆料场堆料场位于泥石流沟内，上游大颗粒散粒体泥沙物源量较大，在暴雨径流条件下，大量的泥沙会下泄。本料场上游设有拦挡坝拦截上游来流、来沙，拦挡坝前采用排导隧洞将上游水沙引导至合适位置，然后采用陡槽溢洪道下泄至河道内。上游沟道内含有大量粒径介于3～15cm散粒体，陡槽溢洪道宽10m，平均底坡1:2.5，且受地形限制，在陡槽段必须设置弯道过渡，转弯角度大约为11.5°左右，半径约为25m，陡槽采用平底板。
实际泄流过程表明，上游沟道内的大颗粒散粒体会大量经由排导洞和陡槽下泄。陡槽内，高速水流会在弯道内形成冲击波而对冲弯道凹岸，水流中所携带的散粒体则随高速水流冲击过流边界，非常容易导致陡槽溢洪道边界发生磨蚀与砸蚀破坏，每年汛后均需花费大量的人力与财力对破坏部位进行修复。
基于模型试验，在本工程内设置了本发明的水沙分离建筑物布置形式，在陡槽溢洪道进口前设长15m的前置集沙池，底部横、总坡比设计为1:10，排导隧洞与前置集沙池见衔接坡度为1:2.5；水沙混合流通道宽2.5m，底部采用工字钢龙骨+钢板衬砌进行重点防护。过流通道宽7.5m，通过圆弧溢流堰与前置集沙池衔接，圆弧溢流堰的半径为30m，堰高4.0m。
模型试验与实际观测表明，流量小于设计流量35m3/s时，水沙混合流均经由水沙混合流通道下泄；当流量大于35m3/s后，过流通道参与泄流，水流中混掺的大颗粒与散粒体泥沙能够在前置集沙池内沉积，并经由水沙混合流通道下泄。部分细颗粒泥沙会悬浮于水体中无法在前置集沙池内沉积，而是随水流经过流通道下泄。
过流后观测表明：排沙通道内钢板衬砌防护良好，未引起较大程度破坏；过流通道内，细颗粒泥沙对溢洪道边界破坏较小。说明该工程采用本发明后，能够保证整个排洪系统的泄流安全。
Claims (10)
1.一种适用于弯道陡槽溢洪道的水沙分离建筑物布置形式，其特征在于，包括上游端与来流溢洪道(1)衔接的集沙池(2)和位于集沙池下游的弯道陡槽溢洪道，所述弯道陡槽溢洪道由并行设置的过流通道(3)和排沙通道(4)构成，所述排沙通道进口底板与集沙池底板平顺衔接，排沙通道的弯道段流道底板为凹侧边墙高、凸侧边墙低的内倾型连续底板；所述过流通道通过溢流堰(5)与集沙池衔接，过流通道的弯道段流道底板为台阶结构底板；所述溢流堰的迎水面为圆弧面，构成将水流中的大颗粒及散粒体泥沙导入排沙通道的导沙墙(9)，导沙墙圆弧面的上游端接于过流通道凸侧边墙上延伸边墙处，下游端接于过流通道和排沙通道的隔离边墙，导沙墙前方的集沙池底板具有倾向于排沙通道进口的坡度。
2.根据权利要求1所述的适用于弯道陡槽溢洪道的水沙分离建筑物布置形式，其特征在于，所述集沙池由池底为陡坡的上游与来流溢洪道衔接的陡坡段和池底为缓坡的下游与过流通道溢流堰和排沙通道入口衔接的缓坡段构成，所述陡坡段的池底板坡度i1为1:1～1:3，所述缓坡段的池底板纵向坡度i3和横向坡度i2为1:5～1:10。
3.根据权利要求2所述的适用于弯道陡槽溢洪道的水沙分离建筑物布置形式，其特征在于，所述圆弧面导沙墙圆弧面起点A布置于(1/2～2/3)L范围内，L为集沙池缓坡段长度，其长度为1～2倍水跃长度Lj，所述水跃为水流从来流溢洪道进入集沙池形成的水跃。
4.根据权利要求1或2或3所述的适用于弯道陡槽溢洪道的水沙分离建筑物布置形式，其特征在于，所述集沙池的深度P，采取假设几个不同深度值P’，以水流衔接控制因素作为边界条件，通过不断试算，选取各边界条件均得到满足且较优的假定值P’作为集沙池的深度P。
5.根据权利要求1或2或3所述的适用于弯道陡槽溢洪道的水沙分离建筑物布置形式，其特征在于，所述排沙通道宽度b2由公式1确定，并调整控制在(1/4～1/3)溢洪通道宽度B之间，所述公式1为其中Q设为设计洪水流量，m3/s；m1为排沙通道量系数；H1为排沙通道前水头，H1＝Z3-Zh，Z3为集沙池出口前水流水位，m，Zh为集沙池出口高程，m；g为重力加速度，9.8N/kg。
6.根据权利要求1或2或3所述的适用于弯道陡槽溢洪道的水沙分离建筑物布置形式，其特征在于，圆弧面导沙墙为顶端设计有挡沙反坡的圆弧立面导沙墙。
7.根据权利要求6所述的适用于弯道陡槽溢洪道的水沙分离建筑物布置形式，其特征在于，所述圆弧立面导沙墙的圆弧半径R为(1.5～3)倍过流通道宽度b1，圆弧角度为45°～60°。
8.根据权利要求1或2或3所述的适用于弯道陡槽溢洪道的水沙分离建筑物布置形式，其特征在于，所说过流通道和排沙通道的弯道段弯转角度θ不大于30°，弯道半径R2为6～10倍溢 洪道宽度B。
9.根据权利要求1或2或3所述的适用于弯道陡槽溢洪道的水沙分离建筑物布置形式，其特征在于，所述排沙通道的上方盖板为可拆卸盖板，通过锚桩设置在两侧通道壁上端。
10.根据权利要求9所述的适用于弯道陡槽溢洪道的水沙分离建筑物布置形式，其特征在于，所述排沙通道的底板由工字钢龙骨和钢板衬砌构成。
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