CN111350162A - 一种高滩深槽水库坝前恢复库容的挖槽设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高滩深槽水库坝前恢复库容的挖槽设计方法，属于水利工程的排沙技术领域。由于大坝上游存在天然的主槽和滩地，枯水期的滩地高位露出在河面上方，故而可利用小型设备开展挖槽的施工作业，然后在河流汛前引水入槽，使槽外滩地泥沙塌落，最后降低水库水位将泥沙排走，从而实现坝前库容的恢复。该方法通过对临界状态下的湿土边界进行抗滑稳定性验算，确定设计挖槽深度，通过淤泥的起动流速计算槽内开挖最优比降。本发明的方法不仅设计及施工方案简单，不需要大型的起重设备和搬运设备，造价经济且合理，而且巧妙利用水位涨落规律，使土体发生自然冲刷和坍落，省时省力，排沙时挖槽内的含沙水流浓度高、清淤效果好，适用于小型多沙河流支流和大中型多沙河流干流。

Description

一种高滩深槽水库坝前恢复库容的挖槽设计方法

技术领域

本发明属于水利工程的排沙技术领域，具体涉及一种高滩深槽水库坝前恢复库容的挖槽设计方法。

背景技术

在多沙河流上的水库会因泥沙淤积而降低有效库容，减短水库使用寿命。我国北方河流多为此类河流，且径流年内分布不均匀，现已修建诸多水利枢纽进行水量调节。修建水利枢纽可有效提高河流防洪能力，并对上下游工农业经济发展具有重要作用。但河流泥沙含量高的现实造成了北方水库淤积严重，入库泥沙蚕食有效库容，直接减短了水库寿命，影响了水库效益。老旧库区因在规划设计时对排沙的考虑不周而导致的坝前淤积问题更为严重，有必要采取一定的工程措施。

目前，国内外对水库泥沙清理和恢复开展了大量的研究。例如，布置排沙孔洞或在水库上游修建拦沙堰或烂泥库可缓解水库淤积问题。通过排沙孔洞可直接将含沙水流排出库区，但该方法拉沙范围较小，耗水量大，据实测资料分析，在许多湖泊上修建的排沙孔洞效果均不理想。拦沙堰通过“堰上过水、堰下拦沙”的方式达到在上游防止泥沙流失或流失，但该方法一般在小流域中被采用，对于较大型河流干流，拦沙堰相当于一座矮坝，将使得干流河床中的泥沙向河流更上游侧淤积，造成河床抬高等不确定问题。

机械清淤是解决水库淤积的另一种有效方式，通过挖泥船等清淤机械设备，直接将淤积泥沙吸走。但机械清淤存在如下不足：(1)山区水库运输条件差，清淤设备、淤积土体难以搬运；(2)挖泥设备操作成本高、作业范围小；(3)当水下泥沙固结程度不高、浑水浓度较低时，清淤效率也随之降低，存在不确定性。

因此，为延长水库寿命、保证水库运行安全以及其他各项功能的正常发挥，并综合上述方案中存在的不足之处，有必要探索一种有效可行、经济合理的排沙方案，使得多泥沙河流水库正常运行。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种高滩深槽水库坝前恢复库容的挖槽设计方法，设计及施工方案简单，不需要大型的起重设备和搬运设备，造价经济且合理。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高滩深槽水库坝前恢复库容的挖槽设计方法，该高滩深槽水库坝前恢复库容的挖槽设计包括河道主槽，沿所述的河道主槽方向，在河道主槽外的高滩上平行设置挖槽，所述的挖槽平行于河道主槽的直线方向，在垂直于挖槽的方向平行设置用于向挖槽引水的引水槽，所述的引水槽将河道主槽和各个挖槽相连通；其设计方法，包括如下步骤：

步骤1，枯水期时，在河道主槽外，宽度为B_滩的高滩上，沿河道主槽方向开挖多条宽度为B_槽的挖槽，挖槽平行分布在整个高滩上；

步骤2，记每条挖槽长为L_i,i＝1，2，3，...，j，其中，i为挖槽的数目，j为正整数；测量坝前高滩淤积土体试样力学参数，测量得到高滩顶部高程Z和主槽中水位Z₀，位于水面线以上的干土层高度记为H_干，根据几何关系，H_干＝Z-Z₀，位于水面线以下的湿土层高度记为H_湿，根据几何关系，H_湿＝H₀-H_干；

步骤3，确定设计挖槽深度H₀；

步骤4，两条挖槽的间距B₁＝2B₀，B₀为挖槽进水后造成一侧土体坍塌的宽度；

步骤5，确定挖槽内的最优比降J₀；

步骤6，在垂直于挖槽的方向开挖k条用于向挖槽引水的引水槽，引水槽长L_引＝B_滩，引水槽宽B_引＝B_槽，引水槽深度与挖槽深度相同，为H₀，间距为B₂，槽内比降为J，开挖的引水槽和挖槽相互垂直，成规则网状；

步骤7，在汛前正常蓄水期，水位抬升，河道主槽内的水漫过引水槽底部，水由河道主槽进入引水槽，再由引水槽流入挖槽，挖槽两侧土体在垂向上可根据土体性质划分为干、湿土两部分；

步骤8，汛期将坝前水位迅速降至汛限水位，挖槽和引水槽内含沙水体在重力作用下产生流速，并将泥沙排出库区。

进一步的，步骤1中挖槽宽度B_槽大于等于1m，实际应用中可自行设定。

进一步的，步骤3中，所述的确定设计挖槽深度H₀的计算式为：

式中，C′为大堤土体凝聚力，对一般黄土取C′＝10kPa；β为土体发生初次崩塌时滑裂面与水平面的夹角，对一般黄土取40°；γ为大堤土体的容重，单位为kN/m³；γ'为大堤土体的浮重度，单位为kN/m³；Φ′为土体内摩擦角，对一般黄土取Φ′＝20°；H_干为水面线以上的干土层高度，单位为m。

进一步的，步骤4中，所述挖槽进水后造成一侧土体坍塌的宽度B₀计算式为：

式中，β为土体发生初次崩塌时滑裂面与水平面的夹角，高滩淤积土一般约为40°，H_湿为水面线以下的湿土层高度，单位为m。

进一步的，步骤5中，所述的挖槽内开挖最优比降J₀的计算式为：

式中，n为糙率，R为挖槽内水力半径，单位为m，

U_c为起动流速，单位为m/s，选用张瑞瑾粘性泥沙起动流速公式计算，具体公式如下：

式中，h＝H_湿，为挖槽内的水深，单位为m，ρ_s为挖槽内天然泥沙密度，单位为kg/m³，ρ为挖槽内水密度，单位为kg/m³，对天然泥沙，

一般取1.65，D为挖槽内泥沙粒径，单位为m，由于河道断面某处落淤泥沙级配较均匀，D可近似用D₅₀代入计算。

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种高滩深槽水库坝前恢复库容的挖槽设计方法，实际情况中，由于大坝上游存在天然的主槽和滩地，枯水期的滩地高位露出在河面上方，故而可利用小型设备开展挖槽的施工作业，然后在河流汛前引水入槽，使槽外滩地泥沙塌落，最后降低水库水位将泥沙排走，从而实现坝前库容的恢复。本发明的方法不仅设计及施工方案简单，不需要大型的起重设备和搬运设备，造价经济且合理，而且巧妙利用水位涨落规律，使土体发生自然冲刷和坍落，省时省力，排沙时挖槽内的含沙水流浓度高、清淤效果好，适用于小型多沙河流支流和大中型多沙河流干流。

附图说明

图1是一种高滩深槽水库坝前恢复库容的挖槽设计方法流程图；

图2挖槽断面图；

图3为工程区域俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-3所示，一种高滩深槽水库坝前恢复库容的挖槽设计方法，该高滩深槽水库坝前恢复库容的挖槽设计包括河道主槽，沿所述的河道主槽方向，在河道主槽外的高滩上平行设置挖槽，所述的挖槽平行于河道主槽的直线方向，在垂直于挖槽的方向平行设置用于向挖槽引水的引水槽，所述的引水槽将河道主槽和各个挖槽相连通；其设计方法，包括如下步骤：

步骤1，枯水期时，在河道主槽外，宽度为B_滩的高滩上，沿河道主槽方向开挖多条宽度为B_槽的挖槽，挖槽平行分布在整个高滩上；

步骤2，记每条挖槽长为L_i,i＝1，2，3，...，j，其中，i为挖槽的数目，j为正整数；测量坝前高滩淤积土体试样力学参数，测量得到高滩顶部高程Z和主槽中水位Z₀，位于水面线以上的干土层高度记为H_干，根据几何关系，H_干＝Z-Z₀，位于水面线以下的湿土层高度记为H_湿，根据几何关系，H_湿＝H₀-H_干；

步骤3，确定设计挖槽深度H₀；

步骤4，两条挖槽的间距B₁＝2B₀，B₀为挖槽进水后造成一侧土体坍塌的宽度；

步骤5，确定挖槽内的最优比降J₀；

步骤6，在垂直于挖槽的方向开挖k条用于向挖槽引水的引水槽，引水槽长L_引＝B_滩，引水槽宽B_引＝B_槽，引水槽深度与挖槽深度相同，为H₀，间距为B₂，槽内比降为J，开挖的引水槽和挖槽相互垂直，成规则网状；

步骤7，在汛前正常蓄水期，水位抬升，河道主槽内的水漫过引水槽底部，水由河道主槽进入引水槽，再由引水槽流入挖槽，挖槽两侧土体在垂向上可根据土体性质划分为干、湿土两部分；

步骤8，汛期将坝前水位迅速降至汛限水位，挖槽和引水槽内含沙水体在重力作用下产生流速，并将泥沙排出库区。

步骤1中挖槽宽度B_槽大于等于1m，实际应用中可自行设定。

步骤3中，所述的确定设计挖槽深度H₀的计算式为：

式中，C′为大堤土体凝聚力，对一般黄土取C′＝10kPa；β为土体发生初次崩塌时滑裂面与水平面的夹角，对一般黄土取40°；γ为大堤土体的容重，单位为kN/m³；γ'为大堤土体的浮重度，单位为kN/m³；Φ′为土体内摩擦角，对一般黄土取Φ′＝20°；H_干为水面线以上的干土层高度，单位为m。

步骤4中，所述挖槽进水后造成一侧土体坍塌的宽度B₀计算式为：

式中，β为土体发生初次崩塌时滑裂面与水平面的夹角，高滩淤积土一般约为40°，H_湿为水面线以下的湿土层高度，单位为m。

步骤5中，所述的槽内开挖最优比降J₀的计算式为：

式中，n为糙率，R为挖槽内水力半径，单位为m，

U_c为起动流速，单位为m/s，选用张瑞瑾粘性泥沙起动流速公式计算，具体公式如下：

式中，h＝H_湿，为挖槽内的水深，单位为m，ρ_s为挖槽内天然泥沙密度，单位为kg/m³，ρ为挖槽内水密度，单位为kg/m³，对天然泥沙，

一般取1.65，D为挖槽内泥沙粒径，单位为m，由于河道断面某处落淤泥沙级配较均匀，D可近似用D₅₀代入计算。

实施例

一种高滩深槽水库坝前恢复库容的挖槽设计方法，包括如下步骤：

步骤1，枯水期时，在河道主槽外，宽度B_滩为100m的高滩上，沿平行于主槽的方向，从下游至上游先假设开挖j条平行的挖槽，挖槽的长度不固定，但要求把需要清淤的高滩扑满，根据引水需要，挖槽宽B_槽取为1m；

步骤2，测量得到高滩顶部高程Z为340m，在垂直于挖槽的方向开挖k条可从河流主槽引水的引水槽，引水槽之间相互平行，将挖槽连结成网；

步骤3，在汛前正常蓄水期时，水位抬升，主槽内的水漫入滩地，水由引水槽流入所有挖槽，挖槽两侧土体在垂向上可根据土体性质划分为干、湿土两部分；

步骤4，当上游来水使坝前水位抬高至Z₀＝338.5m时，在挖槽内，位于水面线以上的干土层高度为H_干＝1.5m，带入挖槽高度H₀的计算式中，即

式中，C′为大堤土体凝聚力，对本例中黄土取C′＝10kPa；β为土体发生初次崩塌时滑裂面与水平面的夹角，对本例中黄土取40°；γ为大堤土体的容重本例中取20kN/m³；γ'为大堤土体的浮重度，本例中取11kN/m³；Φ′为土体内摩擦角，对一般黄土取Φ′＝20°；H_干、H_湿分别为干、湿土层的垂向高度(单位：m)。设计的位于水面线以下的湿土层高度为H_湿，挖槽的某一侧土体B₀将失稳并坍落至槽内水中。计算得到所需开挖的挖槽高度H₀＝2.54m，H_湿＝1.04m，

算得本例中挖槽个数n＝29。

步骤5，降低水库水位，槽内的含沙水体因设计比降J产生水流流速u，从而将槽中含沙水流排出库区。槽内开挖最优比降J₀的计算式为：

式中，n为糙率，本例中取为0.04，R为槽内水力半径(单位：m)，

计算得到R为0.34m，U_c为起动流速(单位：m/s)，可选用张瑞瑾粘性泥沙起动流速公式计算，具体公式如下：

本例中，h为水深取为H_湿＝1.04m，ρ_s为天然泥沙密度(单位：kg/m³)，ρ为水密度(单位：kg/m³)，

取为1.65，泥沙粒径D取为中值粒径D₅₀＝0.1mm＝10^-4m，将以上数值代入公式计算得到U_c＝0.326m/s，并最终得到J₀＝0.00072。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高滩深槽水库坝前恢复库容的挖槽设计方法，其特征在于：该高滩深槽水库坝前恢复库容的挖槽设计包括河道主槽，沿所述的河道主槽方向，在河道主槽外的高滩上平行设置挖槽，所述的挖槽平行于河道主槽的直线方向，在垂直于挖槽的方向平行设置用于向挖槽引水的引水槽，所述的引水槽将河道主槽和各个挖槽相连通；其设计方法，包括如下步骤：

步骤1，枯水期时，在河道主槽外，宽度为B_滩的高滩上，沿河道主槽方向开挖多条宽度为B_槽的挖槽，挖槽平行分布在整个高滩上；

步骤2，记每条挖槽长为L_i,i＝1，2，3，...，j，其中，i为挖槽的数目，j为正整数；测量坝前高滩淤积土体试样力学参数，测量得到高滩顶部高程Z和主槽中水位Z₀，位于水面线以上的干土层高度记为H_干，根据几何关系得到H_干＝Z-Z₀，位于水面线以下的湿土层高度记为H_湿，根据几何关系得到H_湿＝H₀-H_干；

步骤3，确定设计挖槽深度H₀；

步骤4，两条挖槽的间距B₁＝2B₀，B₀为挖槽进水后造成一侧土体坍塌的宽度；

步骤5，确定挖槽内的最优比降J₀；

步骤6，在垂直于挖槽的方向开挖k条用于向挖槽引水的引水槽，引水槽长L_引＝B_滩，引水槽宽B_引＝B_槽，引水槽深度与挖槽深度相同，均为H₀，相邻的引水槽之间的间距为B₂，引水槽内比降为J，开挖的引水槽和挖槽相互垂直，成规则网状；

步骤7，在汛前正常蓄水期，水位抬升，河道主槽内的水漫过引水槽底部，水由河道主槽进入引水槽，再由引水槽流入挖槽，挖槽两侧土体在垂向上根据土体性质划分为干土、湿土两部分；

步骤8，汛期将坝前水位迅速降至汛限水位，挖槽和引水槽内含沙水体在重力作用下产生流速，并将泥沙排出库区。

2.根据权利要求1所述的一种高滩深槽水库坝前恢复库容的挖槽设计方法，其特征在于：步骤1中，所述的挖槽宽度B_槽大于等于1m。

3.根据权利要求1所述的一种高滩深槽水库坝前恢复库容的挖槽设计方法，其特征在于：步骤3中，所述的确定设计挖槽深度H₀的计算式为：

式中，C′为大堤土体凝聚力；β为土体发生初次崩塌时滑裂面与水平面的夹角；γ为大堤土体的容重，单位为kN/m³；γ'为大堤土体的浮重度，单位为kN/m³；Φ′为土体内摩擦角；H_干为水面线以上的干土层高度，单位为m。

4.根据权利要求3所述的一种高滩深槽水库坝前恢复库容的挖槽设计方法，其特征在于：步骤4中，所述挖槽进水后造成一侧土体坍塌的宽度B₀计算式为：

式中，β为土体发生初次崩塌时滑裂面与水平面的夹角，H_湿为水面线以下的湿土层高度，单位为m。

5.根据权利要求4所述的一种高滩深槽水库坝前恢复库容的挖槽设计方法，其特征在于：步骤5中，所述的挖槽内开挖最优比降J₀的计算式为：

式中，n为糙率，R为挖槽内内水力半径，单位为m，

U_c为起动流速，单位为m/s，选用张瑞瑾粘性泥沙起动流速公式计算，具体公式如下：

式中，h＝H_湿，为挖槽内的水深，单位为m，ρ_s为挖槽内天然泥沙密度，单位为kg/m³，ρ为挖槽内水密度，单位为kg/m³，D为挖槽内泥沙粒径，单位为m。

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