CN112982309B - 减少梯形断面输水渠中泥沙沉积的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减少梯形断面输水渠中泥沙沉积的方法，包括第一步，制作设备埋件和犁铧型导流叶片；所述犁铧型导流叶片结构相同，均为圆台侧壁裁片，所述圆台的上底面半径:下底面半径:高=1:3:15，且犁铧型导流叶片的短圆弧两端点间距:长圆弧两端点间距=1:4；第二步，施工混凝土梯形断面输水渠，并在浇筑渠底、渠侧墙衬砌混凝土之前，做好独立基础，然后将设备埋件逐一布置在各独立基础上，再将每一犁铧型导流叶片逐个焊接在各设备埋件上，并使犁铧型导流叶片的弧形凹面均迎着来水方向设置。本发明能够达到渠道内泥沙沉积率在5%以下的目标，实现输水渠道长期、连续、稳定输水。

Description

减少梯形断面输水渠中泥沙沉积的方法

技术领域

本发明涉及水利工程中长距离输水技术领域，尤其是涉及一种减少梯形断面输水渠中泥沙沉积的方法。

背景技术

我国西北的多泥沙输水工程（如扬黄工程）在投入运行后均存在泥沙沉积问题，当泥沙沉积严重时会导致输水渠水位偏高，严重威胁输水渠行水安全，进而影响整体输水工程的长期稳定运行。对于人工修筑的敞口混凝土梯形断面输水渠，其泥沙沉积的原因一方面是由于沿线风沙在渠内的沉降，另一方面是输送水体自带泥沙的沉降。目前常采用生物措施与工程措施相结合的方式进行治理，即围拦+扎防沙草障+种沙生植物（沙柳等）联合防治，其对减轻风沙灾害有一些作用，但是投入高、见效慢，且不能解决输送水体自带泥沙在输水渠内沉降的问题，仍需花费大量劳动力进行人工清淤。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种减少梯形断面输水渠中泥沙沉积的方法，具体可采用如下技术方案：

本发明所述的减少梯形断面输水渠中泥沙沉积的方法，包括如下步骤：

第一步，制作设备埋件和犁铧型导流叶片；所述犁铧型导流叶片结构相同，均为圆台侧壁裁片，所述圆台的上底面半径:下底面半径:高=1:3:15，且犁铧型导流叶片的短圆弧两端点间距:长圆弧两端点间距=1:4；

第二步，施工混凝土梯形断面输水渠，并在浇筑矩形断面输水渠内衬砌混凝土之前，做好设备埋件所需要的独立基础，然后将所述设备埋件逐一布置在各独立基础上，再将每一犁铧型导流叶片逐个焊接在各设备埋件上，并使犁铧型导流叶片的弧形凹面均迎着来水方向设置。

所述犁铧型导流叶片成组设置并沿水流方向顺次排列，每组犁铧型导流叶片均包括设置在渠底中心线右侧的第一导犁铧型导流叶片、设置在渠底中心线左侧的第二犁铧型导流叶片和设置在渠左侧墙上的第三犁铧型导流叶片，所述第一犁铧型导流叶片、第二犁铧型导流叶片和第三犁铧型导流叶片沿水流方向从前到后顺次设置，且第一犁铧型导流叶片和第二犁铧型导流叶片均与渠底水平方向中心线呈30-35°夹角，而所述第三犁铧型导流叶片则与水平线呈30-35°夹角倾斜向上设置。

所述犁铧型导流叶片为厚度5-8mm的不锈钢片，其短圆弧两端点和长圆弧底部端点的所在面垂直于混凝土梯形断面输水渠的底面/左侧墙。

所述犁铧型导流叶片的短圆弧和长圆弧顶部端点处为钝化圆角结构。

所述设备埋件由基板和焊接在其上的把筋组成，所述基板为矩形不锈钢板，所述把筋为尾部带有内弯钩的门型螺纹钢，把筋通过贴角焊方式与基板相连。

所述基板与犁铧型导流叶片逐一对应，每个基板上则沿纵向均匀间隔设置有多个把筋。

研究表明，敞口渠道中多泥沙水流容易产生泥沙沉积的原因是由于水体中泥沙含量高，且泥沙的比重大于水的比重，水体流动过程中泥沙除向前运动还会下沉，长距离、长时间就会在水体底部渐渐沉积；其次是渠道内水流各点的流速不同，靠近渠道底部和渠侧墙边缘处的流速较小，而渠道中心接近水面处的流速最大，按照泥沙的运动规律分析得出：泥沙需达到临界流速方可起动，而流速小于一定值时则会落淤沉积，即泥沙的运动依赖的是相对大流速的区间，而泥沙的沉积依赖的是相对小流速的区间。

梯形断面输水渠中的水体按照流速大小可分为层流、过渡流和湍流三种状态，当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速继续增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，称为湍流。通常情况下，梯形断面输水渠底部的泥沙需达到临界流速即湍流条件下方可起动运动，当流速小于临界流速即湍流条件下泥沙又会沉积下落。

因此，本发明通过在梯形断面输水渠的底部和侧壁上设置犁铧型导流叶片，利用梯形输水渠道中的水体动能，在梯形输水渠道的底部和侧壁聚集能量，改变水体流动的速度和方向，使得梯形输水渠道的底部和侧壁流动的水体处于湍流状态，阻止水体中悬浮的泥沙沉积，进而还使得泥沙远离梯形输水渠道的底部，基本达到渠道内泥沙沉淀率在5%以下的目标，实现梯形输水渠道长期、连续、稳定输水。

附图说明

图1是本发明所述混凝土梯形断面输水渠的结构示意图。

图2是图1中的K-K向视图。

图3是图2的俯视图。

图4是图1中犁铧型导流叶片的下料制作示意图。

图5是图1中犁铧型导流叶片的成品图。

图6是图1中设备埋件的结构示意图。

图7是图6的I-I剖面放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的工作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

本发明所述的减少梯形断面输水渠中泥沙沉积的方法，包括如下步骤：

第一步，制作设备埋件和犁铧型导流叶片；所述犁铧型导流叶片结构相同，均为圆台侧壁裁片，所述圆台的上底面半径:下底面半径:高=1:3:15，且犁铧型导流叶片的短圆弧两端点间距:长圆弧两端点间距=1:4；

第二步，施工混凝土梯形断面输水渠，并在浇筑渠底、渠侧墙衬砌混凝土之前，做好设备埋件所需要的独立基础，然后将所述设备埋件逐一布置在各独立基础上，再将每一犁铧型导流叶片逐个焊接在各设备埋件上，并使犁铧型导流叶片的弧形凹面均迎着来水方向设置。

在本实施例中，混凝土梯形断面输水渠1与犁铧型导流叶片2通过设备埋件3连接。具体地，如图6、7所示，设备埋件3由矩形不锈钢板基板301和多个把筋302组成。基板301的长度为300mm的整数倍，宽度为300～500mm；把筋302采用普通螺纹钢弯折成门型结构，并在尾部制作两个内弯钩，用于加强其与混凝土梯形断面输水渠1混凝土衬砌层上独立基础的连接。把筋302采用贴角焊方式与基板301连接，相邻把筋302的纵向间距为300mm，两端的把筋302与基板301端头的距离为150mm。设备埋件3制作好后像一条蜈蚣虫。

犁铧型导流叶片2为圆台侧壁裁片构成的犁铧型结构，其可以改变水体流态，从而降低混凝土梯形断面输水渠1内的泥沙沉淀量。上述圆台的上底面半径:下底面半径:高=1:3:15，且犁铧型导流叶片的短圆弧两端点间距:长圆弧两端点间距=1:4。具体地，如图4、5所示，采用厚度5-8mm的304不锈钢片卷制成小头半径为r、大头半径为3r、高度为15r的圆台，取圆台任意轴截面与圆台侧壁的相交线DC，在圆台小头圆周上取点A，使得线段AC=h，在圆台大头圆周上取点B，使得线段BD=4h，然后截取A、B、D、C四点形成的曲面作为犁铧型导流叶片2，并打磨A点和C点使得外形钝化圆润。犁铧型导流叶片2进行焊接安装时，应与设备埋件3的基板301逐一对应，并保持A、B、C三点形成的平面与基板301相互垂直。

上述犁铧型导流叶片2分组设置并沿水流方向顺次排列。具体地，在混凝土梯形断面输水渠1建设施工渠底、渠侧墙浇筑衬砌混凝土之前，做好设备埋件所需要的独立基础21，然后将设备埋件3逐一布置在各独立基础21上，再将犁铧型导流叶片2焊接在设备埋件3上。如图1-3所示，每组犁铧型导流叶片2各包括一个位于渠底中心线n右侧的第一犁铧型导流叶片201、位于渠底中心线n左侧的第二犁铧型导流叶片202和位于渠左侧墙上的第三犁铧型导流叶片203，且同组的第一犁铧型导流叶片201、第二犁铧型导流叶片202和第三犁铧型导流叶片203沿水流方向从上游到下游顺次设置，第一犁铧型导流叶片201和第二犁铧型导流叶片202均与渠底水平方向中心线n呈30°夹角共线设置，第三犁铧型导流叶片203与水平线呈30°夹角倾斜向上设置。

上述犁铧型导流叶片2不仅能够使混凝土梯形断面输水渠1底部流过来的水体改变流动方向，即由平行渠道中心线方向的来水顺时针偏转大约30～35°方向流动；而且还能在渠道正常通水运行时，使贴近输水渠道底部和渠道左侧墙的水体顺时针旋转90°，有效翻转水体厚度为30cm，即使输水渠道底部的水体旋转到渠道左侧部，使输水渠道左侧部的水体旋转到渠道上部，形成水体自旋转，使泥沙在处于紊流状态水体中运行；同时还能实现局部水体翻滚，人为制造局部水体湍流，阻止水体中的泥沙在渠底部沉积。本实施例中犁铧型导流叶片2每三件组成一组，每组犁铧型导流叶片2布置在混凝土梯形断面输水渠1底部和侧墙的独立基础21上，起到的作用不仅是阻止水体中的泥沙在渠底部沉积，还要将渠底部将要沉积的泥沙由渠底的右半侧推送到渠底的左半侧，进一步由梯形输水渠道左侧墙上的犁铧型导流叶片将要沉积的泥沙推送到远离渠底的上层水体中，利用靠近渠道底部和渠侧墙边缘处的流速较小、渠道中心接近水面处的流速最大的自然条件，成功解决了输水梯形断面渠中泥沙沉积的问题。

上述相邻组犁铧型导流叶片2的沿水流方向的纵向间距应根据混凝土梯形断面输水渠1的建设条件（如输水渠的具体形状、过流横截面积和水体流速等），通过对水体中含有泥沙的颗粒直径、泥沙比重、泥沙所处水体流速的仿真计算或模拟试验进行确定，从而控制泥沙沉降行程、时间。对于一条完整的混凝土梯形断面输水渠，相邻两组犁铧型导流叶片之间的纵向间距数值一定相等。

本发明在使用过程中具有如下有益效果：

1.减少人工清淤，集中清淤可比分散清淤节省劳动力很多。

2.利用水体的动能使得流速的方向改变，且形成旋转，减少泥沙沉积，减少混凝土梯形断面输水渠底部糙率，能够减少水能损失，加大输水流量。

3.对于常年连续供水运行方式渠道，节约清淤时间，提高供水效率，对我国社会的经济发展和政治稳定具有重要意义。

4.对集中清理出来的泥沙，将泥沙作为资源进行综合利用制作成建筑材料。

5.混凝土梯形断面输水渠使用年限长，运行管理费用低。

需要说明的是，在本发明的描述中，诸如“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系的术语是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种减少梯形断面输水渠中泥沙沉积的方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，制作设备埋件和犁铧型导流叶片；所述犁铧型导流叶片结构相同，均为圆台侧壁裁片，所述圆台的上底面半径:下底面半径:高=1:3:15，且犁铧型导流叶片的短圆弧两端点间距:长圆弧两端点间距=1:4；

第二步，施工混凝土梯形断面输水渠，并在浇筑梯形断面输水渠内衬砌混凝土之前，做好独立基础，然后将设备埋件逐一布置在各独立基础上，再将每一犁铧型导流叶片逐个焊接在各设备埋件上，并使犁铧型导流叶片的弧形凹面均迎着来水方向设置；

所述犁铧型导流叶片成组设置并沿水流方向顺次排列，每组犁铧型导流叶片均包括设置在渠底中心线右侧的第一犁铧型导流叶片、设置在渠底中心线左侧的第二犁铧型导流叶片和设置在渠左侧墙上的第三犁铧型导流叶片，所述第一犁铧型导流叶片、第二犁铧型导流叶片和第三犁铧型导流叶片沿水流方向从前到后顺次设置，且第一犁铧型导流叶片和第二犁铧型导流叶片均与渠底水平方向中心线呈30-35°夹角共线设置，而所述第三犁铧型导流叶片则与水平线呈30-35°夹角倾斜向上设置。

2.根据权利要求1所述的减少梯形断面输水渠中泥沙沉积的方法，其特征在于：所述犁铧型导流叶片为厚度5-8mm的不锈钢片，其短圆弧两端点和长圆弧底部端点的所在面垂直于混凝土梯形断面输水渠的底面/左侧墙。

3.根据权利要求2所述的减少梯形断面输水渠中泥沙沉积的方法，其特征在于：所述犁铧型导流叶片的短圆弧和长圆弧顶部端点处为钝化圆角结构。

4.根据权利要求1所述的减少梯形断面输水渠中泥沙沉积的方法，其特征在于：所述设备埋件由基板和焊接在其上的把筋组成，所述基板为矩形不锈钢板，所述把筋为尾部带有内弯钩的门型螺纹钢，把筋通过贴角焊方式与基板相连。

5.根据权利要求4所述的减少梯形断面输水渠中泥沙沉积的方法，其特征在于：所述基板与犁铧型导流叶片逐一对应，每个基板上则沿纵向均匀间隔设置有多个把筋。

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