CN110990932B - 一种淤地坝及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种淤地坝及其设计方法。该淤地坝包括设置有透水网的安装板，坝体上开设有与安装板对应的横向透水孔组，坝体上开设有与横向透水孔组对应的竖向安装槽，竖向安装槽上设置有2对以上的U型安装槽，坝体的背水面设置有平行于水流方向的加强结构。该设计方法包括基于当地流域气象、水文、地质地貌和暴雨数据得到设计洪水位和校核洪水位从而得到坝体高程；在确定了坝体上模拟不同大小和不同分布方式的透水孔后进行荷载分析和渗流分析；基于荷载分析和渗流分析结果确定透水孔的尺寸和分布方式；基于透水孔的尺寸和分布方式确定透水网和安装板的尺寸以及竖向安装槽的分布方式；获取当地泥沙粒径，并基于当地泥沙粒径确定透水网的网格尺寸。

Description

一种淤地坝及其设计方法

技术领域

本发明涉及水利工程领域，具体涉及一种淤地坝及其设计方法。

背景技术

修建淤地坝是重要的水土保持措施之一，在水土流失治理中发挥了重要作用。

目前，淤地坝主要通过泄洪洞或溢洪道进行泄水，但是泄洪洞或溢洪道都是针对某一标准供水设计，也就是水位超过该标准时，水资源才会一次性大量下泄。这种一次性大量下泄的方式导致水资源的利用率偏低，容易导致下游水资源匮乏。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明旨在提供一种水资源利用率更高的淤地坝及其设计方法。

为了达到上述发明创造的目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种淤地坝，其包括坝体和2个以上安装板，安装板上设置有一组透水网，坝体上开设有与安装板一一对应的横向透水孔组，坝体上开设有与横向透水孔组一一对应的竖向安装槽，竖向安装槽延伸至坝体顶部，竖向安装槽的一组相对侧壁上设置有2对以上与安装板配合的U型安装槽；坝体的背水面设置有消力池，坝体的背水面设置有平行于水流方向的加强结构。

进一步地，加强结构远离坝体的一面为向内的弧面。

进一步地，加强结构的数量为多个，多个加强结构一一分布于相邻横向透水孔组之间和位于边缘的横向透水孔组外侧。

进一步地，横向透水孔组中透水孔为圆形、矩形或腰型。

进一步地，透水网的直径大于透水孔的直径。

进一步地，安装板和透水网的材质为钢材。

进一步地，坝体顶部安装有与U型槽顶部配合的可拆卸盖板。

进一步地，还包括设置在坝体迎水面一侧的减速结构，减速结构的高度低于坝体的高度。

进一步地，坝体靠近边缘的一侧设置有开口，坝体上设置有与开口配合的升降式开合闸门和与升降式开合闸门配合的泥沙导向槽，泥沙导向槽两边向开口中心线方向收拢，坝体的背水面设置有与开口配合的泥沙容纳池。

另一方面，本方案还提供一种基于本方案设计的淤地坝的设计方法，其包括：

获取当地历史数据，并根据当地历史数据计算拦泥坝高h_拦、滞洪坝h_滞和安全超高Δh和坝体宽L；

根据拦泥坝高h_拦、滞洪坝h_滞和安全超高Δh计算坝体高H，其计算表达式为：

H＝h_拦+h_滞+Δh；

根据拦泥坝高h_拦、滞洪坝h_滞、安全超高Δh、坝体高H和坝体宽L计算所有横向透水孔组中最低透水孔与坝体底面之间的高度h₁、最高透水孔与坝体底面之间的高度h₂和透水孔的纵截面积s，其计算表达式为：

h₁＝ah_拦

h₂＝h_拦+h_滞+bΔh

s＜c(h_拦+h_滞)L

其中，a、b和c为系数，0.63＜a＜0.78，0.51＜b＜0.80，c＜0.0034；

根据坝体宽度L确定同一横向透水孔组中相邻透水孔之间的间距c，其中，c≥0.067L；

获取当地泥沙粒径，并基于当地泥沙粒径确定透水网的网格尺寸。

本发明的有益效果为：

部分泥沙被拦截在高度最低的透水孔所在水平线以下的坝体前。透水孔和透水网的设置，使得位于前述水平线以上的泥沙被拦截在坝体前而逐步沉降，同时使得上游的水资源能够源源不断地通过透水孔和透水网流向坝体下游，从而提高了水资源的利用率，大大降低了下游水资源匮乏的概率，优化了淤地坝上下游地区的水资源配置。不仅避免了原淤地坝一次性大量下泄的方式，同时也避免了原淤地坝中大量水资源耗费在原地的蒸发和下渗上而造成的严重的浪费。

同时每个竖向安装槽上2对以上U型安装槽的设置，使得能够根据需要利用另一对U型安装槽安装新的安装板，避免在该淤地坝长期运行后早期安装的安装板被环境中的铁离子腐蚀而失去了拦截泥沙的功能，从而延长该淤地坝的作用期。

其中，加强结构的设置提高了坝体的抗压和抗拉能力，消力池的设置减小了水流下泄过程中对坝体稳定性的影响，从而提高了坝体的稳定性。2个以上竖向安装槽的设置，大大降低了安装板的安装难度。

附图说明

图1为具体实施例中无安装板的淤地坝的俯视图；

图2为图1的正视图；

图3为图1的左视图；

图4为另一实施例中无升降开合闸门的淤地坝俯视图；

图5图4的正视图；

图6为图4的左视图；

图7为图4的右视图。

其中，1、减速坝；2、坝体；3、U型安装槽；4、透水孔；5、加强结构；6、消力池；7、竖向安装槽；8、下游。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做详细说明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，下文所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。在不脱离所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，本领域技术人员在没有做出任何创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1至图3所示，该淤地坝包括坝体2和2个以上安装板，安装板上设置有一组透水网，坝体2上开设有与安装板一一对应的横向透水孔组，坝体2上开设有与横向透水孔组一一对应的竖向安装槽7，竖向安装槽7延伸至坝体2顶部，竖向安装槽7的一组相对侧壁上设置有2对以上与安装板配合的U型安装槽3；坝体2的背水面设置有消力池6，坝体2的背水面设置有平行于水流方向的加强结构5。

实施时，本方案优选坝体2和消力池6均为混凝土结构，如图2所示，加强结构5远离坝体2的一面为向内的弧面。如图1所示，同时加强结构5的数量为多个，多个加强结构5一一分布于相邻横向透水孔组之间和位于边缘的横向透水孔组外侧，以进一步提高坝体2的稳定性。

其中，坝体2顶部安装有防浪墙，以防止洪水期间波浪翻越坝顶而影响坝体2的稳定性。另外，该淤地坝还包括与坝体2配合的溢洪道，避免因意外特大洪水的来临而威胁坝体2的稳定性。

其中，横向透水孔组中透水孔4为圆形、矩形或腰型。具体地，如图3所示，一组横向透水孔组包括12个呈阵列分布的圆形透水孔4。其中，透水网的直径大于透水孔4的直径，以向安装板上透水网和透水孔4的配合提供更大的容差，从而降低精度要求，进而方便淤地坝的修建和安装。其中，安装板和透水网的材质为钢材，以延长安装板和透水网被腐蚀所需时长，进而延长淤地坝的作用期。

其中，坝体2顶部安装有与U型槽顶部配合的可拆卸盖板，避免意外外力作用下，透水网与透水孔4发生错位导致泥沙经透水孔4顺流至淤地坝下游8而降低淤地坝拦截泥沙的性能。

如图1和图2所示，淤地坝还包括设置在坝体2迎水面一侧的减速结构，减速结构的高度低于坝体2的高度，以降低水流流向淤地坝的速度，从而使得部分泥沙提前下沉，避免大量泥沙在十分靠近淤地坝的位置沉积后阻塞过水孔而降低淤地坝下游8水资源的流速。如图1所示，减速结构包括2个以上依次纵向排列的减速坝1，相邻减速坝1之间具有间隙，减速坝1为钢筋混凝土结构。

在另一实施例中，如图4至图7所示，坝体2靠近边缘的一侧设置有开口10，坝体2上设置有与开口10配合的升降式开合闸门和与升降式开合闸门配合的泥沙导向槽12，泥沙导向槽12两边向开口中心线方向收拢，坝体2的背水面设置有与开口10配合的泥沙容纳池9。

运行该淤地坝时，定期开启升降式开合闸门一设定时间(开启的高度一般低于被拦截在淤地坝迎水面的泥沙的高度(该高度可通过测量设备测得))，使得部分被拦截在淤地坝迎水面的泥沙随水流经泥沙导向槽和开口流入泥沙容纳池9中，避免淤地坝迎水面的泥沙长时间累积而影响横向透水孔组的泄水效率的同时也提高了该淤地坝的作用期。并且在泥沙容纳池9内的泥沙积累到一定程度后，利用泥沙泵对泥沙容纳池内的泥沙进行清淤。

其中，如图4所示，泥沙导向槽12两边向开口中心线方向收拢，使得开口两侧泥沙的走向趋向于开口中心线，不仅相互抵消了部分能量，减小了对泥沙容纳池的冲击，而且还大大减小了泥沙向升降式开合闸门两侧运动的可能性，从而避免泥沙在升降式开合闸门边缘累积而影响升降式开合闸门的顺利开合，提升了该淤地坝的稳定性。

关于升降式开合闸门的设置，升降式开合闸门包括升降机构，开口处设置有滑槽11，滑槽11内安装有闸门，升降机构的输出端与闸门配合。

另一方面，本方案还提供一种基于本方案设计的淤地坝的设计方法，其包括：

获取当地历史数据，并根据当地历史数据计算拦泥坝高h_拦、滞洪坝h_滞和安全超高Δh和坝体2宽L。

其中，关于拦泥坝高h_拦、滞洪坝h_滞、安全超高Δh的计算具体如下：

首先，利用实测横断面法，按下式计算各级水位下的库容后得到库容-水位关系表，进而得到库容-水位曲线：

V＝∑ΔV_i

其中，V为某一水位下的库容，万m³；S_i为第i级水位所对应的淤地面积大小，万m³；Z_i为水位分级高差，m；ΔV_i为分级水位所增库容，万m³。

然后，根据下式计算为拦泥量V_拦：

其中，S为历年最高年来沙量，r为随着流域治理度的提高年来沙量的递减率。

然后，根据拦泥量V_拦查询库容-水位曲线得到h_拦。

之后，依据调洪计算确定滞洪库容后，根据滞洪库容查询查询库容-水位曲线得到h_滞。其中调洪计算采用简化三角形法。

最后，依据《水土保持治沟骨干工程技术规范》取Δh＝1.3m。

根据拦泥坝高h_拦、滞洪坝h_滞和安全超高Δh计算坝体2高H，其计算表达式为：

H＝h_拦+h_滞+Δh；

根据拦泥坝高h_拦、滞洪坝h_滞、安全超高Δh、坝体2高H和坝体2宽L计算所有横向透水孔组中最低透水孔4与坝体2底面之间的高度h₁、最高透水孔4与坝体2底面之间的高度h₂和透水孔4的纵截面积s，其计算表达式为：

h₁＝ah_拦

h₂＝h_拦+h_滞+bΔh

s＜c(h_拦+h_滞)L

其中，a、b和c为系数，0.63＜a＜0.78，0.51＜b＜0.80，c＜0.0034；

根据坝体2宽度L确定同一横向透水孔组中相邻透水孔4之间的间距c，其中，c≥0.067L；

获取当地泥沙粒径，并基于当地泥沙粒径确定透水网的网格尺寸。具体地，网格尺寸可以≤0.9倍当地泥沙粒径。其中，泥沙粒径采用激光粒度仪测量得到。

关于消力池尺寸的计算为现有技术，以假设所有透水孔4均泄水的状态计算消力池的尺寸。

综上，上述设计方法充分考虑了当地历史数据，因地制宜地提供了具体的设计方法，可操作性强。依据该方法设计的淤地坝在拦截泥沙的同时又能够使得上游的水资源能够源源不断地通过透水孔4和透水网流向坝体2下游，为下游人们的生产和生活提供了极大的便利。

Claims (9)

1.一种淤地坝，其特征在于，包括坝体(2)和2个以上安装板，所述安装板上设置有一组透水网，所述坝体(2)上开设有与安装板一一对应的横向透水孔组，所述坝体(2)上开设有与横向透水孔组一一对应的竖向安装槽(7)，所述竖向安装槽(7)延伸至坝体(2)顶部，所述竖向安装槽(7)的一组相对侧壁上设置有2对以上与安装板配合的U型安装槽(3)；所述坝体(2)的背水面设置有消力池(6)，所述坝体(2)的背水面设置有平行于水流方向的加强结构(5)；所述坝体(2)迎水面的一侧设置有减速结构，所述减速结构的高度低于坝体(2)的高度。

2.根据权利要求1所述的淤地坝，其特征在于，所述加强结构(5)远离坝体(2)的一面为向内的弧面。

3.根据权利要求1所述的淤地坝，其特征在于，所述加强结构(5)的数量为多个，多个所述加强结构(5)一一分布于相邻横向透水孔组之间和位于边缘的横向透水孔组外侧。

4.根据权利要求1所述的淤地坝，其特征在于，所述横向透水孔组中透水孔(4)为圆形、矩形或腰型。

5.根据权利要求1所述的淤地坝，其特征在于，所述透水网的直径大于透水孔(4)的直径。

6.根据权利要求1所述的淤地坝，其特征在于，所述安装板和透水网的材质为钢材。

7.根据权利要求1所述的淤地坝，其特征在于，所述坝体(2)顶部安装有与U型槽顶部配合的可拆卸盖板。

8.根据权利要求1所述的淤地坝，其特征在于，所述坝体(2)靠近边缘的一侧设置有开口(10)，所述坝体(2)上设置有与开口(10)配合的升降式开合闸门和与升降式开合闸门配合的泥沙导向槽(12)，所述泥沙导向槽(12)两边向开口中心线方向收拢，所述坝体(2)的背水面设置有与开口(10)配合的泥沙容纳池(9)。

9.基于权利要求1-8任一所述淤地坝的设计方法，其特征在于，包括：

获取当地历史数据，并根据当地历史数据计算拦泥坝高h_拦、滞洪坝h_滞和安全超高Δh和坝体(2)宽L；

根据拦泥坝高h_拦、滞洪坝h_滞和安全超高Δh计算坝体(2)高H，其计算表达式为：

H＝h_拦+h_滞+Δh；

根据拦泥坝高h_拦、滞洪坝h_滞、安全超高Δh、坝体(2)高H和坝体(2)宽L计算所有横向透水孔组中最低透水孔(4)与坝体(2)底面之间的高度h₁、最高透水孔(4)与坝体(2)底面之间的高度h₂和透水孔(4)的纵截面积s，其计算表达式为：

h₁＝ah_拦

h₂＝h_拦+h_滞+bΔh

s＜c(h_拦+h_滞)L

其中，a、b和c为系数，0.63＜a＜0.78，0.51＜b＜0.80，c＜0.0034；

根据坝体(2)宽度L确定同一横向透水孔组中相邻透水孔(4)之间的间距c，其中，c≥0.067L；

获取当地泥沙粒径，并基于当地泥沙粒径确定透水网的网格尺寸。

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