CN114541341A - 异形拦河坝及弯曲型河道疏浚方法 - Google Patents

Abstract

异形拦河坝及弯曲型河道疏浚方法，异形拦河坝主要包括设置在河流弯道末端的主坝，以及沿主坝长度方向分别设置在主坝端的凹岸副坝和凸岸副坝，所述主坝长度与异形拦河坝总长度的比值、所述凹岸副坝长度与异形拦河坝总长度的比值分别与弯道中心角成指数关系；河流的弯道中心角为30~120°，径宽比为2~5。本公开适用于山区型河道弯道水流、主流偏向河道外侧、外侧河道淘刷严重、断面流速分布不均匀，具有雍高水位、降低河道流速、优化弯道水流条件等优点。本公开大大简化了参数计算过程，提高了计算和仿真的速度，有利于快速构建水工模型进行实验，优化细节。

Description

异形拦河坝及弯曲型河道疏浚方法

技术领域

本发明属于水利水电工程河道整治领域，尤其是一种弯曲型河道疏浚方法。

背景技术

近年来我国低水头径流式电站项目蓬勃发展，其水电站梯级开发具有低水头、发电水头低，效益不显著等缺点。径流式水电站全年不能满负荷运行，枯水期发电量急剧下降，受河道天然流量的制约，而丰水期又有大量的弃水。为增加电站发电效益，目前常采用对电站下游河道进行整治疏浚，降低电站尾水位，提高发电效益。由于山区型河道河床底坡坡降变化大、局部过水河道狭窄、河道弯道较多、水流流速大、水流衔接不顺、人工整治难度较大等特点。

为此，工程师设计了常规体型的雍水堰，但是目前还存在无法解决整治河段内弯道流速分布不均匀和流速较大的问题。

发明内容

发明目的：提供一种异形拦河坝，以及基于异形拦河坝的弯曲型河道疏浚方法。

技术方案：异形拦河坝，包括设置在河流弯道末端的主坝，以及沿主坝长度方向分别设置在主坝端的凹岸副坝和凸岸副坝，

所述主坝长度与异形拦河坝总长度的比值、所述凹岸副坝长度与异形拦河坝总长度的比值分别与弯道中心角成指数关系；

河流的弯道中心角为30～120°，径宽比为2～5。

根据本申请的一个方面，所述凹岸副坝长度L₁、异形拦河坝总长度L以及弯道中心角θ的关系为：L₁/L＝0.19ln(θ)+0.29。

根据本申请的一个方面，所述主坝长度L₂、异形拦河坝总长度L以及弯道中心角θ的关系为：L₂/L＝-0.147ln(θ)+0.57。

根据本申请的一个方面，所述主坝高度与凹岸副坝或凸岸副坝的高差ΔH、凹岸副坝流量系数μ₁、主坝流量系数μ₂、副坝坝上水深H的关系为：

根据本申请的一个方面，所述主坝、副坝坝轴线距河道垂线特征长度b/b_ave、弯道末端横向流速分布不均匀度v/v_ave的关系为：b/b_ave＝v/v_ave。式中b为主坝或副坝坝轴线距离坝肩沿河道方向垂直距离；b_ave为主坝或副坝坝轴线距离坝肩沿河道方向垂直距离的平均值；v为弯道出口断面河道流速，v_ave为弯道出口端面河道平均流速。

根据本申请的一个方面，所述异形拦河坝的迎水面为折线型，坡面坡降为1:5～1:3。

根据本申请的一个方面，所述异形拦河坝的背水面为折线型，坡面坡降为1:5～1:3。

根据本申请的一个方面，主坝与凹岸副坝、主坝与凸岸副坝的坝顶处的衔接面为弧面或折线面。

进一步地，提供一种弯道中心角为30～120°、径宽比为2～5的弯曲型河道疏浚方法，包括如下步骤：

步骤S1、测量待疏浚河流段的弯道中心角和河流宽度；

步骤S2、根据上述任一项实施例所述的方案计算主坝、凹岸副坝和凸岸副坝的长度；并根据水文参数计算主坝高度；

步骤S3、构建实验模型，获取初步的工程参数，并判断是否符合工程要求；

步骤S4、若符合，根据上述计算结果建造异形拦河坝。

根据本申请的一个方面，所述步骤1具体为：

通过无人机采集预定区域的若干组图像；

对各组图像进行处理，获取河道宽度和弯道中心角；

针对每组图像，提取河道内的区域表面图像，基于区域表面图像获取河道各处的水流速度。

有益效果：在传统拦河坝的基础上，在主坝两侧设置副坝，主坝顶高程低于两侧副坝，主坝、副坝坝顶均过流。通过调节两侧副坝长度和顶高程优化弯道水流条件。

凹型雍水堰不仅可以雍高河道水位、降低水流流速，通过增加弯道外侧副坝长度、降低主坝顶高程、减小弯道内侧副坝长度，迫使弯道主流从主坝通过，优化弯道水流条件，使断面流速分布均匀，满足河道整治施工水流条件。

本发明适用于山区型河道弯道水流、主流偏向河道外侧、外侧河道淘刷严重、断面流速分布不均匀，具有雍高水位、降低河道流速、优化弯道水流条件等优点。

本发明的方案，大大简化了参数计算过程，提高了计算和仿真的速度，有利于快速构建水工模型进行实验，优化细节。

附图说明

图1a和图1b分别是弯道水流示意图。

图2为异形拦河坝平面示意图。

图3为异形拦河坝剖面示意图。

图4为异形拦河坝立体示意图，沿图2a中a-a方向的剖面图。

图5为某一实施例下的拦河坝使用情况示意图，其中拦河坝采用图2所示的结构。

上述各图中，附图标记为主坝1、凹岸副坝2、凸岸副坝3、迎水面4、背水面5。

具体实施方式

如图1a和图1b所示，为了解决现有技术存在的问题，申请人进行了深入地研究。

山区型河道弯道众多、河床底坡坡降变化大、河道水流流速分布不均。弯道水流的离心力影响了表面水流的稳定，表面水流流速大，底层水流流速小，表层离心力大于底层离心力，表层水流偏向凹岸(图1b左上方处)流动，底层水流偏向凸岸(图1b右下方处)，形成螺旋流，流速沿横向、纵向、垂向分布不均匀。

受到离心力的影响，凹岸水面抬升，凸岸水面降低，弯道水面沿径向形成倾斜角的横比降，弯道断面处横比降最大，弯道进口、出口横比降逐渐减小。弯道中心角对弯道流速分布有较大的影响。弯道中心角越大，弯道进口主流提前偏向凸岸，在弯道断面主流集中程度高，弯道出口断面主流偏向凹岸。径宽比对大角度中心角的弯道水面形态有重要影响。径宽比越小凹岸侧与凸岸侧流速差越大，流速分布越不均匀。

现有技术，包括刘商等人设计的技术中，主要是针对通用型场景进行的建模，没有考虑到弯道中心角等要素，对于弯道河流这一场景下的河坝计算并不准确。换句话说，常规体型雍水堰没有考虑弯道的物理环境参数，尤其是弯道中心角，无法解决弯道流速分布不均匀、流速较大等问题。在工程中，常设置拦河坝抬高整治河段水位、降低水流流速，以满足清淤船施工的水流条件。上述技术属于早期的技术，还存在计算复杂，在计算机中模拟资源占用多，计算速度慢等缺点。如果采用上述方案，需要构建河道的诸多参数，结合方案给出的河坝的诸多参数，通过计算机仿真给出相应的计算结果，速度非常慢。如果能够基于核心的重要参数构建河坝的主要参数，然后通过计算机初步验证和工程实验模拟，进行微调和优化，显然是更加高效、准确和有说服力的方案。

基于此，提供一种异形拦河坝以及采用这种异形拦河坝进行河道清淤的方法。

如图2至图4所示，在河流弯道的出口处设置一种异型拦河坝，异型拦河坝主要由中间主坝1、凹岸副坝2、凸岸副坝3、迎水面4和背水面5组成。

通过上述设计，雍高河道水位、降低整治河段水流流速，改变弯道处环流影响，异型拦河坝在宏观层面改变了弯道水流流场，促使主流偏向河道中部，优化弯道流速分布；在微观层面破坏螺旋流，遏制表层、底层水流交换，减弱弯道环流强度，使横向断面流速、垂向流速均匀分布，满足河道整治施工水流条件要求。

为了提高设计和实验的效率，申请人进行了深入地研究，根据弯曲河流的空间物理参数和水动力参数，计算和仿真获取影响拦河坝的设计参数的核心参数，提供如下的优选方案。申请人发现，拦河坝的相关参数受弯道中心角(θ)影响与河道流速分布密切相关。主流在弯道横向比降水流驱使下，在弯道入口处主流开始偏向凸岸，水流进入弯道，主流逐渐向河道中部偏移，弯道中心角θ小于60°，主流在弯道入口处偏向凸岸，出弯道时，主流偏向凸岸。弯道中心角θ为120°，弯道出口断面主流偏向河道凹岸。

通过试验发现在河道宽度、水深不变情况下，异型拦河坝主坝1、凹岸副坝2、凸岸副坝3的长度与弯道中心角(θ)呈指数关系：

L₁/L＝0.19lnθ+0.29；L₂/L＝-0.147lnθ+0.57；

异型拦河坝主坝高度与凹岸副坝或凸岸副坝的高差ΔH、凹岸副坝流量系数μ₁、主坝流量系数μ₂、副坝坝上水深H的关系为：

异型拦河坝主坝、副坝坝轴线距河道垂线特征长度b/b_ave、弯道末端横向流速分布不均匀度v/v_ave的关系为：b/b_ave＝v/v_ave。

异型拦河坝由于主坝低于两侧副坝、主坝坝身相对副坝偏向上游，主坝坝上水头高于两侧副坝且主坝相对副坝预先泄流，主坝泄流能力大于两侧副坝。两侧副坝的存在，在一定程度上抑制了弯道两侧环流强度。

在进一步的实施例中，主坝、凹岸副坝、凸岸副坝与坝顶衔接为折线形，施工要求较低，可满足河道短期整治要求。主坝与凹岸副坝、凸岸副坝衔接面为折线形，施工难度低，有利于副坝结构稳定。

总之，通过在弯道末端设置异型拦河坝，根据不同的弯道中心角，设置不同的主坝、副坝长度。异型拦河坝在宏观方面可以起到雍高河道水位，降低弯道流速，改变了弯道水流流场，促使主流偏向河道中部，优化弯道流速分布；在微观侧面破坏螺旋流表层、底层水流交换，减弱弯道环流强度，使横向断面流速、垂向流速均匀分布，满足河道整治施工水流条件要求。

在进一步的实施例中，提供一种弯曲型河道的疏浚方法，主要包括如下步骤：

测量待疏浚河流段的弯道中心角、河流宽度，计算径宽比，基于径宽比判断弯曲河道是否符合模型的要求。如果符合相关要求，则说明可以用上述模型来设计拦河坝的尺寸。

接着，根据上述任一项实施例所述的方案计算主坝、凹岸副坝和凸岸副坝的长度；并根据水文参数计算主坝高度；

构建水工实验模型，获取初步的工程参数，并判断是否符合工程要求；基于水工实验获得的结果和计算机仿真的结果，优化拦河坝的相关参数，微调相关细节。直至符合工程的需求。在获得符合工程需求的参数后，根据上述计算结果建造异形拦河坝。

如图5所示，以大渡河某工程水电站下游河道整治模型试验为例进一步说明，整治河段河道为大角度弯道(弯道中心角为90°)，弯道段河道流速分布极不均匀，在枯水期常遇流量下，整治河段弯道凹岸面流速3.5m/s，弯道凸岸面流速约为1.5m/s，河道水深约为15m，水面宽度约为80m，弯道凹岸河道水流流速远大于挖泥船清淤所需的河道纵向流速不大于2.5m/s的要求。弯道后设置常规拦河坝时，坝高为10m时，弯道凹岸河道流速约为3.7m/s；坝高为20m时，凹岸河道流速约为3.0m/s，弯道处河道流速分布不均，不满足挖泥船清淤所需的水流条件要求。

设置异型拦河坝，主坝高度15m、宽度40.3m，凹岸副坝高度18m、宽度30m，凸岸副坝高度18m，宽度9.7m。整治河道内弯道凹岸流速约为2.4m/s、弯道凸岸流速约为1.8m/s，弯道前部整治河段内河道流速满足挖泥船施工水流条件要求。

经水工模型试验论证，本发明优化弯道水流条件效果较好，整治河段内河道流速分布均匀，可满足工程需求。

在进一步的实施例中，测量待疏浚河流段的弯道中心角、河流宽度，计算径宽比等参数的步骤具体如下：

通过无人机采集预定区域的若干组图像；

对各组图像进行处理，获取河道宽度和弯道中心角；

针对每组图像，提取河道内的区域表面图像，基于区域表面图像获取河道各处的水流速度。

具体而言，包括如下步骤:

S01、无人机飞行至预定区域的上方，调整相机拍摄的角度，拍摄预定数量的图像。同时存储当前的坐标位置和相机角度参数。

S02、针对每一图像，将图像灰度化，获得灰度图像矩阵，构建图像像素梯度矩阵，并左乘所述灰度图像矩阵，得到线条增强图像；复制所述线条增强图像，作为对比图像，将对比图像反相，并与所述线条增强图像以颜色减淡的模式混合，得到最终线条增强图像，重复上述过程，直至符合预定值，

S03、针对每一线条增强图像，构建坐标系，查找河流两岸的线条并计算各处的河流宽度，以及河道中心角。

将各个图像的计算结果取平均值，并存储。

提取河道内的区域表面图像，基于区域表面图像获取河道各处的水流速度

S04、读取每一图像，获取区域表面图像，并查找若干组图像特征点，并读取当前的坐标位置和相机角度；

针对区域表面图像中的每一像素，将其从图像坐标系依次转换到图像物理坐标系和相机坐标系，并最终转换为世界坐标系；

S05、计算图像特征点在各个图像中的世界坐标值，计算图像特征点的移动距离，基于图像拍摄的时间间隔，计算当前图像特征点的位移速度，及图像特征点的流速；

对任意两组在时间上相邻区域表面图像，计算各图像特征点的速度；

S06、基于S05计算的各图像特征点的速度，构建各图像特征点在预定时间上的流速；

S07、基于图像特征点的流速，构建河流区域的流速分布，获得弯道出口断面河道流速，以及弯道出口端面河道平均流速。

总之，本发明通过抽取核心的河流物理参数，能够快速得到拦河坝设计所需的主要参数，无需进行大数据模拟仿真，即可得到相对最优的拦河坝参数，然后通过计算机仿真和水工模型实验进行微调优化，即可获得工程所需的最优参数，大大加快了模型设计和实验的速度，提高了整体的施工效率。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.异形拦河坝，其特征在于，包括设置在河流弯道末端的主坝，以及沿主坝长度方向分别设置在主坝端的凹岸副坝和凸岸副坝，

所述主坝长度与异形拦河坝总长度的比值、所述凹岸副坝长度与异形拦河坝总长度的比值分别与弯道中心角成指数关系；

河流的弯道中心角为30～120°，径宽比为2～5。

2.根据权利要求1所述的异形拦河坝，其特征在于，

所述凹岸副坝长度L₁、异形拦河坝总长度L以及弯道中心角θ的关系为：

L₁/L＝0.19ln(θ)+0.29。

3.根据权利要求1所述的异形拦河坝，其特征在于，

所述主坝长度L₂、异形拦河坝总长度L以及弯道中心角θ的关系为：

L₂/L＝-0.147ln(θ)+0.57。

4.根据权利要求1所述的异形拦河坝，其特征在于，

所述主坝高度与凹岸副坝或凸岸副坝的高差ΔH、凹岸副坝流量系数μ₁、主坝流量系数μ₂、副坝坝上水深H的关系为：

5.根据权利要求1所述的异形拦河坝，其特征在于，

所述主坝、副坝坝轴线距河道垂线特征长度b/b_ave、弯道末端横向流速分布不均匀度v/v_ave的关系为：b/b_ave＝v/v_ave，式中b为主坝或副坝坝轴线距离坝肩沿河道方向垂直距离；b_ave为主坝或副坝坝轴线距离坝肩沿河道方向垂直距离的平均值；v为弯道出口断面河道流速，v_ave为弯道出口端面河道平均流速。

6.根据权利要求1所述的异形拦河坝，其特征在于，

所述异形拦河坝的迎水面为折线型，坡面坡降为1:5～1:3。

7.根据权利要求1所述的异形拦河坝，其特征在于，

所述异形拦河坝的背水面为折线型，坡面坡降为1:5～1:3。

8.根据权利要求1所述的异形拦河坝，其特征在于，主坝与凹岸副坝、主坝与凸岸副坝的坝顶处的衔接面为弧面或折线面。

9.弯曲型河道疏浚方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、测量待疏浚河流段的弯道中心角和河流宽度；

步骤S2、根据权利要求1至7任一项所述的方案计算主坝、凹岸副坝和凸岸副坝的长度；并根据水文参数计算主坝高度；

步骤S3、构建实验模型，获取初步的工程参数，并判断是否符合工程要求；

步骤S4、若符合，根据上述计算结果建造异形拦河坝。

10.根据权利要求9所述的弯曲型河道疏浚方法，其特征在于，

所述步骤1具体为：

通过无人机采集预定区域的若干组图像；

对各组图像进行处理，获取河道宽度和弯道中心角；

针对每组图像，提取河道内的区域表面图像，基于区域表面图像获取河道各处的水流速度。

11.根据权利要求10所述的弯曲型河道疏浚方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01、无人机飞行至预定区域的上方，调整相机拍摄的角度，拍摄预定数量的图像，同时存储当前的坐标位置和相机角度参数；

S02、针对每一图像，将图像灰度化，获得灰度图像矩阵，构建图像像素梯度矩阵，并左乘所述灰度图像矩阵，得到线条增强图像；复制所述线条增强图像，作为对比图像，将对比图像反相，并与所述线条增强图像以颜色减淡的模式混合，得到最终线条增强图像，重复上述过程，直至符合预定值；

S03、针对每一线条增强图像，构建坐标系，查找河流两岸的线条并计算各处的河流宽度，以及河道中心角；

将各个图像的计算结果取平均值，并存储。

12.根据权利要求11所述的弯曲型河道疏浚方法，其特征在于，其中，提取河道内的区域表面图像，基于区域表面图像获取河道各处的水流速度的步骤包括：

S04、读取每一图像，获取区域表面图像，并查找若干组图像特征点，并读取当前的坐标位置和相机角度；

针对区域表面图像中的每一像素，将其从图像坐标系依次转换到图像物理坐标系和相机坐标系，并最终转换为世界坐标系；

S05、计算图像特征点在各个图像中的世界坐标值，计算图像特征点的移动距离，基于图像拍摄的时间间隔，计算当前图像特征点的位移速度，及图像特征点的流速；

对任意两组在时间上相邻区域表面图像，计算各图像特征点的速度；

S06、基于S05计算的各图像特征点的速度，构建各图像特征点在预定时间上的流速；

S07、基于图像特征点的流速，构建河流区域的流速分布，获得弯道出口断面河道流速，以及弯道出口端面河道平均流速。

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