CN114592485A - 适于黄土高原水土保持的拼装板式坝 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于黄土高原水土保持的拼装板式坝，包括：第一堰体，具有间隔设置的第一墩体，所述第一墩体之间设置有第一透水板，所述第一透水板上开设有第一透水孔；以及第二堰体，设置在所述第一堰体下游，具有间隔设置的第二墩体，所述第二墩体之间设置有第二透水板，所述第二透水板上开设有第二透水孔和扰流孔。本发明结构简单，效果显著，维护成本低，采用自由组合式的上下游透水板构成堰体，通过其透水弱拦的特性改变水流，利用堰体上下游及中间段的不同过水特性，调节不同来流条件下堰上下游水流流态，沿程渐次影响水流挟沙能力，使工程段河床淤积升落同步动态变化，提高了坝体安全性。

Description

适于黄土高原水土保持的拼装板式坝

技术领域

本发明涉及水利工程水土流失治理技术领域，尤其是涉及一种适于黄土高原水土保持的拼装板式坝。

背景技术

我国西部的黄土高原是世界上最大的黄土高原，面积75万km²。由于自然原因和人为干预，黄土高原水土流失严重，对自身生态及黄河下游防洪安全都构成了威胁。新中国成立以来，人民治黄高度重视黄河上中游黄土高原地区的水土保持工作。先后实施骨干工程拦沙坝、面上淤地坝系、小流域坡沟治理、退耕还林还草等工程和非工程措施。至目前为止，黄土高原地区共建有骨干坝2225座，大中小型淤地坝11.82万座。骨干坝多为混凝土重力坝、砌体坝等，工程蓄泄消能等水工设施较齐全。中小型淤地坝多为土质坝，采取碾压施工或水坠法施工，坝高10m以下，多采用溢洪道泄流，坝后消能设施较弱。面上较大范围的小沟壑多采用谷坊拦沙，应用较为普遍。上述拦沙小型淤地坝或谷坊，均属于整体式的实体堰。在运行过程中，有很好的挡沙淤积效果，但由于其结构特征，普遍存在以下问题：坝前拦挡区静水落淤（见图1），对泥沙粗细无分选；库区淤满快，工程运行时间短；坝前后河沟底淤积高差悬殊，高水头转化水流对坝后河床冲切，下游河床不稳、边岸易塌坍，对坝体安全不利，泥沙有“零存整取”隐患；对沟道纵向坡改变连续性差；选址受限，工程实施较复杂等。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种适于黄土高原水土保持的拼装板式坝，具体可采取如下技术方案：

本发明所述的适于黄土高原水土保持的拼装板式坝，包括

第一堰体，具有间隔设置的第一墩体，所述第一墩体之间设置有第一透水板，所述第一透水板上开设有第一透水孔；以及

第二堰体，设置在所述第一堰体下游，具有间隔设置的第二墩体，所述第二墩体之间设置有第二透水板，所述第二透水板上开设有第二透水孔和扰流孔。

所述第一堰体和第二堰体的间距为第一透水板高度的2-5倍，且第一墩体和第二墩体交错设置。

所述第一墩体和第二墩体结构相同，其顶部和底部均为平面结构，迎水面和背水面均为弧形结构，侧面开设有用于插装第一透水板或第二透水板的竖向卡槽。

所述第一墩体和第二墩体在竖向分别设置有多个，相邻第一墩体和相邻第二墩体均通过水泥封固的锚筋相连，且第一墩体和第二墩体的顶部和底部均开设有用于插装所述锚筋的锚栓孔。

所述第一透水板和第二透水板均为沿竖向叠置的多段式结构。

所述第一透水孔为轴线垂直于第一透水板的锥形孔，其迎水面的孔径为50-100mm，背水面的孔径为100-150mm。

所述第一透水孔呈梅花型分布在第一透水板上，第一透水板上迎水面的开孔面积占比为15-40%，背水面的开孔面积占比不大于50%，且第一透水孔的密度由下至上逐渐增大。

所述第二透水孔为轴线垂直于第二透水板的锥形孔，其迎水面的孔径为60-110mm，背水面的孔径为120-150mm；所述扰流孔为由迎水面向背水面倾斜向上设置的柱形通孔，且扰流孔的轴线与水平面的夹角为5-10°。

所述第二透水板上迎水面的开孔面积占比为20-45%，背水面的开孔面积占比不大于55%，且开孔密度由下至上逐渐增大。

所述第二透水孔和扰流孔分别沿水平向设置成多排，成排的第二透水孔和扰流孔交错设置并形成梅花型结构。

本发明提供的适于黄土高原水土保持的拼装板式坝，结构简单，效果显著，维护成本低，采用自由组合式的上下游透水板构成堰体，通过其透水弱拦的特性改变水流，利用堰体上下游及中间段的不同过水特性，调节不同来流条件下堰上下游水流流态，沿程渐次影响水流挟沙能力，使工程段河床淤积升落同步动态变化，以实现落淤的连续性及堰体沟段河床高程的渐变稳定，提高坝体的安全性。本发明建坝选址自由，可淤后再建，加快沟壑区“夷平地”的形成，投资小，见效快，施工快捷方便，当堰间淤满后，还可开挖吊出各配件，重复利用。

附图说明

图1是实体堰的拦沙落淤效果图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是图2中的A-A剖面图。

图4是图2中的B-B剖面图。

图5是图2中的C-C剖面图。

图6是本发明的拦沙落淤效果图。

图7是本发明在河流中分段设置的示意图。

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施工过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图2-6所示，本发明所述的适于黄土高原水土保持的拼装板式坝，由间隔设置的第一堰体1和第二堰体2构成。具体地，第一堰体1设置在河流上游，其包括横向间隔设置的第一墩体11，相邻第一墩体11之间设置有第一透水板12，每一第一透水板12上均开设有第一透水孔13；第二堰体2设置在河流下游，其包括横向间隔设置的第二墩体21，相邻第二墩体21之间设置有第二透水板22，每一第二透水板22上均开设有第二透水孔23和扰流孔24。通常情况下，第一堰体1和第二堰体2的间距按照第一透水板12高度的2-5倍进行设置，且为了使水流区间紊动消能，第一墩体11和第二墩体21交错设置。

上述第一墩体11和第二墩体21结构相同，均为预制件，其顶部和底部均为平面结构，迎水面和背水面均为弧形结构，侧面开设有用于插装第一透水板12或第二透水板22的竖向卡槽；进一步地，可在第一墩体11和第二墩体21的顶部和底部开设有锚栓孔，可用于插装锚筋14，以此连接竖向叠置的多个第一墩体11/第二墩体21。上述第一透水板12和第二透水板22也采用预制件，为了施工方便，以及灵活调节堰体高度，其可设置为多段进行竖向叠置。

上述第一透水板12上的第一透水孔13为锥形孔，其轴线垂直于第一透水板12，且在迎水面的孔径为50-100mm，在背水面的孔径为100-150mm。所有第一透水孔13呈梅花型分布在第一透水板12上，且由下至上逐渐增大分布密度；同时，需将迎水面的开孔面积控制在透水板12横截面的15-40%，将背水面的开孔面积控制在透水板12横截面的50%以下。

上述第二透水板22上的第二透水孔23为锥形孔，其轴线垂直于第二透水板22，且在迎水面的孔径为60-110mm，在背水面的孔径为120-150mm；第二透水板22上的扰流孔24为由迎水面向背水面倾斜向上设置的柱形通孔，其轴线位于第二透水板22的垂面上，且与水平面呈5-10°的夹角。通常情况下，应控制迎水面上的开孔面积（包括第二透水孔23和扰流孔24）为第二透水板22横截面的20-45%，背水面的开孔面积（包括第二透水孔23和扰流孔24）为第二透水板22横截面的55%以下。上述第二透水孔23和扰流孔24分别沿水平向设置成多排，且每两排扰流孔24之间均设置一排第二透水孔23，即呈交叉排列结构，同时，各孔之间交错排列，整体呈开孔密度由下至上逐渐增大的梅花型结构。

本发明具有良好的拦淤作用，并遵循以下工作原理：

1）孔板透水减速，动水落淤

具有挡水作用的第一透水板12和第二透水板22上均开设有透水孔。当沟道中小水不溢流时，板体壅水通过均布透水孔分流减速，均匀落淤，防止形成纵向冲沟；沟道大水从板顶溢流时（相当于薄壁堰），水流形成孔区底层弱流区和板上强流区，弱流区分流小、流速慢、挟沙能力弱，拦挡粗泥沙首先落淤，细颗粒泥沙被带走，实现坝区泥沙分选；落淤面还会随水流量能的变化，自动发生变化，或升或降，延迟淤满时段。

2）水体紊动消能防冲，组间落淤连续

板顶溢流水体还可与经过第二透水板22上扰流孔24的斜向上水流共同作用，加剧水流动能损失，使溢流水头冲刷能力减小。由于组间水体动能减弱，挟沙能力降低，能够促使堰后落淤，维护一定沟道纵向的底面连续淤积抬高。堰体被淤埋在河床泥沙中（见图6），对堰体自身稳定也十分有利，避免堰体溃决。

施工时，可根据沟壑河流河势的分布特征及区域河床地质情况，结合沟道侵蚀深度在河道中布置多组拦沙板堰（图7中包含2个本发明所述的拼装板式坝）。本发明的具体施工步骤如下：

在现场或场外生产、交通便利区，建设预制厂，对拦沙板堰所需要的透水平板单元和墩体单元（包括第一透水板12、第二透水板22、第一墩体11和第二墩体21）进行预制，加工锚筋14及对应模具。

确定堰址，布置轴线，平整场地，对叠合墩下地基进行适当开挖和碾压处理。首先完成叠合墩体的施工，然后再将透水平板单元吊装叠放。叠合墩体的施工顺序为：开挖基槽→放置预制条形基础→插锚筋、水泥砂浆回填及抹面→安放底层墩体单元→插锚筋、水泥砂浆回填及抹面→逐层安放叠合墩体单元。叠合板（即透水平板）吊装按板的编号顺序，由下至上依次插装在叠合墩的竖向卡槽内。

每组堰均按以上顺序施工，直至全部完成。

本发明所述的适于黄土高原水土保持的拼装板式坝，和传统坝体相比，功能和结构均有较大的变化，作用机理也由静变动，解决了传统拦沙淤地坝坝体结构复杂和硬性抬高局部河床的问题，且有动态落淤的功能。其优点具体如下：

1）相比传统拦沙坝型，自然生态性有所改善：装配式板堰堰体透水过流，对水流边界条件弱改变，减缓流速落淤，维持了区间泥沙输送的连续性，改变了传统拦沙坝拦断水流，引起坝址河床较大高差的问题。

2）增加了拦沙的分选功能：传统拦沙坝为静水落淤，粗细泥沙均拦，落淤快；本发明所述的装配式板堰拦沙，为动水拦沙，其利用结构改变不同水层水体流速和单宽流量，分选落淤，淤粗排细。动态拦沙运行时间长，且有利落淤区蓄存地下水量。

3）装配式板堰上下均处于落淤状态，堰体被淤埋在河床内，堰体及控制区段河床稳定。

4）板体上游淤积河床泥沙在较大洪水冲击时，会出露一定高度孔面，中小水时淤积，形成一动态变化区。

5）装配式板堰体结构简捷，易实施，适应范围广：利用了预制构件作为堰体，较传统的土质坝、砌石坝和混凝土坝有轻巧、易实施、投资少等优点。

6）装配式板堰创建的沟壑环境条件，为拦淤重复建设在时间和空间上提供了任意性。

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 (10)

1.一种适于黄土高原水土保持的拼装板式坝，其特征在于：包括

第一堰体，具有间隔设置的第一墩体，所述第一墩体之间设置有第一透水板，所述第一透水板上开设有第一透水孔；以及

第二堰体，设置在所述第一堰体下游，具有间隔设置的第二墩体，所述第二墩体之间设置有第二透水板，所述第二透水板上开设有第二透水孔和扰流孔。

2.根据权利要求1所述的适于黄土高原水土保持的拼装板式坝，其特征在于：所述第一堰体和第二堰体的间距为第一透水板高度的2-5倍，且第一墩体和第二墩体交错设置。

3.根据权利要求1或2所述的适于黄土高原水土保持的拼装板式坝，其特征在于：所述第一墩体和第二墩体结构相同，其顶部和底部均为平面结构，迎水面和背水面均为弧形结构，侧面开设有用于插装第一透水板或第二透水板的竖向卡槽。

4.根据权利要求3所述的适于黄土高原水土保持的拼装板式坝，其特征在于：所述第一墩体和第二墩体在竖向分别设置有多个，相邻第一墩体和相邻第二墩体均通过水泥封固的锚筋相连，且第一墩体和第二墩体的顶部和底部均开设有用于插装所述锚筋的锚栓孔。

5.根据权利要求4所述的适于黄土高原水土保持的拼装板式坝，其特征在于：所述第一透水板和第二透水板均为沿竖向叠置的多段式结构。

6.根据权利要求1所述的适于黄土高原水土保持的拼装板式坝，其特征在于：所述第一透水孔为轴线垂直于第一透水板的锥形孔，其迎水面的孔径为50-100mm，背水面的孔径为100-150mm。

7.根据权利要求6所述的适于黄土高原水土保持的拼装板式坝，其特征在于：所述第一透水孔呈梅花型分布在第一透水板上，第一透水板上迎水面的开孔面积占比为15-40%，背水面的开孔面积占比不大于50%，且第一透水孔的密度由下至上逐渐增大。

8.根据权利要求1所述的适于黄土高原水土保持的拼装板式坝，其特征在于：所述第二透水孔为轴线垂直于第二透水板的锥形孔，其迎水面的孔径为60-110mm，背水面的孔径为120-150mm；所述扰流孔为由迎水面向背水面倾斜向上设置的柱形通孔，且扰流孔的轴线与水平面的夹角为5-10°。

9.根据权利要求8所述的适于黄土高原水土保持的拼装板式坝，其特征在于：所述第二透水板上迎水面的开孔面积占比为20-45%，背水面的开孔面积占比不大于55%，且开孔密度由下至上逐渐增大。

10.根据权利要求9所述的适于黄土高原水土保持的拼装板式坝，其特征在于：所述第二透水孔和扰流孔分别沿水平向设置成多排，成排的第二透水孔和扰流孔交错设置并形成梅花型结构。

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