本發(fā)明涉及水利水電工程與防災(zāi)減災(zāi)工程，尤其適用于在具有彎道的陡槽溢洪道內(nèi)實施水沙分離。

背景技術(shù)：

目前，在山區(qū)河流中修建的各類防洪、引水、灌溉、防災(zāi)減災(zāi)等工程，均必須設(shè)有防沙措施，沉沙池為最常用的措施之一，適用于坡度較緩，出現(xiàn)大顆粒泥沙概率相對較小的水工建筑物，主要包括直線型沉沙池、曲線形沉沙池、旋流式沉沙池、斜板式沉沙池、漏斗式沉沙池等形式，主要利用沉沙池水流流速低、彎道環(huán)流等基本原理實現(xiàn)水沙分離，對過流邊界幾乎無破壞。

在水利水電工程中或防災(zāi)減災(zāi)工程中，存在大量渣場、攔擋壩、尾礦庫等建筑物，其排水設(shè)施通常采用陡槽溢洪道、隧洞、涵洞等。上述建筑物除了具備排水功效之外，還需兼具排沙等功能，并且所攔擋的泥沙具有粒徑級配寬、粒徑大、物源總量大等特征。諸多研究表明，在具有彎道的陡槽溢洪道內(nèi)，高速水流對過流邊界的適應(yīng)性較差，容易沖擊彎道凹側(cè)，進而在溢洪道內(nèi)形成非對稱沖擊波。而高速水流中所攜帶的散粒體泥沙跟隨高速水流加速后，會在彎道段內(nèi)發(fā)生跳躍、翻滾等運動形態(tài)，從而對溢洪道過流邊界產(chǎn)生撞擊破壞、砸蝕破壞、磨蝕破壞等破壞形態(tài)。當(dāng)溢洪道過流邊界發(fā)生破壞且平整度發(fā)生變化后，高速水流更容易發(fā)生空化空蝕破壞。如果水流空蝕與泥沙顆粒砸蝕、磨蝕等破壞形式繼續(xù)疊加，那么溢洪道過流邊界破壞更惡化。上述破壞形態(tài)不僅會引起較大的運行安全隱患，也會增加工程后期維修難度、維修費用等。因此，必須在工程的設(shè)計階段，便充分考慮高速水流、大顆粒泥沙等因素對工程過流邊界的破壞作用，以采取合理的工程措施避免破壞，確保工程設(shè)施安全、持久運行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種適用于彎道陡槽溢洪道內(nèi)水沙分離建筑物布置形式，以實現(xiàn)彎道陡槽溢洪道安全排沙、減小防護范圍、降低維護成本與提高工程運行安全的目的。

針對上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的適用于彎道陡槽溢洪道內(nèi)水沙分離建筑物布置形式，其構(gòu)成包括上游端與來流溢洪道銜接的集沙池和位于集沙池下游的彎道陡槽溢洪道，所述彎道陡槽溢洪道由并行設(shè)置的過流通道和排沙通道構(gòu)成，所述排沙通道進口底板與集沙池底板平順銜接，排沙通道的彎道段流道底板為凹側(cè)邊墻高、凸側(cè)邊墻低的內(nèi)傾型連續(xù)底板；所述過流通道通過溢流堰與集沙池銜接，過流通道的彎道段流道底板為臺階結(jié)構(gòu)底板；所述溢流堰的迎水面為圓弧面，構(gòu)成將水流中的大顆粒及散粒體泥沙導(dǎo)入排沙通道的導(dǎo)沙墻，導(dǎo)沙墻圓弧面的上游端接于過流通道凸側(cè)邊墻延伸邊墻，下游端接于過流通道和排沙通道的隔離邊墻，導(dǎo)沙墻前方的集沙池底板具有傾向于排沙通道進口的坡度。

本發(fā)明主要原理為：利用前置集沙池攔擋上游下泄的推移質(zhì)泥沙，淤積后的推移質(zhì)泥沙經(jīng)由排沙通道下泄以實現(xiàn)水沙分離；在彎道范圍內(nèi)，過流通道底板為臺階布置，可以使水流以連續(xù)跌流態(tài)流過彎道，水流沿程得以很好地消能并過渡高速水流，以避免高速水流在過流通道內(nèi)折沖，降低菱形沖擊波對過流通道邊墻的沖擊作用；排沙通道的內(nèi)傾型底板可以避免高速水沙混合流折沖兩側(cè)邊墻和大顆粒散粒體泥沙無規(guī)律運動，進而實現(xiàn)整體的水流與水沙混合流在彎道內(nèi)平順銜接。

本發(fā)明提供的適用于彎道陡槽溢洪道內(nèi)水沙分離建筑物布置形式，在工程實施中需要重點確定的工程參數(shù)包括：前置集沙池規(guī)模(長度L與深度P)、前置集沙池與上游流道銜接坡度(i₁)、前置集沙池底面橫、縱向坡度(i₂、i₃)、溢流堰弧形迎水面布置形式(起點A與半徑R)、前置集沙池與排沙通道銜接圓弧半徑R₁等。排沙通道寬度(b₂)、排沙通道彎道橫向坡度(i₄)、過流通道臺階的步高(a)和步長(l)、陡槽溢洪道彎道段半徑R₂、溢洪道彎道段總偏轉(zhuǎn)角θ。參數(shù)確定方法如下：

(1)前置積沙池與排沙通道。

首先需確定合理的排沙通道寬度b₂，其主要由泄流能力、過沙能力、施工條件、工程投資等因素確定。從泄流能力出發(fā)，排沙通道寬度b₂由公式(1)確定，其中設(shè)計流量為工程最常遇洪水流量，當(dāng)來流量小于該流量時，水流與泥沙均經(jīng)由排沙通道下泄，當(dāng)流量大于該設(shè)計流量時，實施水沙分離，大顆粒與散粒體泥沙均由排沙通道下泄，水流中部分懸移質(zhì)可能會經(jīng)由過流通道下泄，但該部分泥沙對過流邊界的破壞相對較小。同時，考慮施工條件與工程投資等因素，排沙通道寬度b₂宜介于(1/4～1/3)溢洪通道寬度B之間。并最終選取前述相對較大的b₂值作為排沙通道的寬度。

前置積沙池規(guī)模主要從水流條件出發(fā)來確定，需重點考慮大洪水下，水流中的大顆粒與散粒體泥沙能夠在積沙池內(nèi)沉積而不進入過流通道，同時考慮沉積于積沙池內(nèi)的泥沙能夠再起動并由排沙通道下泄。

當(dāng)來流量大于設(shè)計流量后，前置集沙池內(nèi)水位由式(1)式(2)聯(lián)合計算，綜合考慮泥沙在前置積沙池內(nèi)的沉積與起動，確定前置集沙池長度L宜介于1～2倍水躍長度L_j，其中L_j為不受集沙池水位影響的自由發(fā)展水躍長度，采用式(3)計算。前置集沙池深度P(即溢流堰高度)需綜合各方面因素，設(shè)計過程中，可假設(shè)幾個不同高度P，通過不斷試算，以水流銜接以及前述控制因素作為邊界條件，選取各方面均滿足條件且較優(yōu)的b₂、L與P。

為了相對增加前置消力池內(nèi)底部流速，前置集沙池與上游流道銜接段的陡坡段池底坡度(i₁)宜介于1:1～1:3。為了讓沉積于前置集沙池內(nèi)的大顆粒與散粒體泥沙在水力作用下更容易起動并輸運，前置集沙池緩坡段池底橫、縱剖面均需設(shè)有坡度(i₂、i₃)，坡度比宜介于1:5～1:10范圍。

為了避免大量泥沙淤積于前置集沙池過流通道側(cè)，將過流通道進口的溢流堰迎水面設(shè)置成弧形導(dǎo)沙墻，起點A宜布置于(1/2～2/3)L范圍內(nèi)，圓弧半徑宜為(1.5～3)倍過流通道寬度b₁，中心角宜介于45°～60°。

(2)陡槽溢洪道彎道段半徑R₂。

為了確保水流與泥沙均平順過渡，本發(fā)明的彎道轉(zhuǎn)彎角度θ需控制在30°范圍內(nèi)，否則高速水流容易直接沖擊彎道凹岸(外側(cè)岸)。為削減彎道內(nèi)急流沖擊波，主彎道段一般采用盡量大的彎道半徑，根據(jù)工程實踐，彎道半徑R₂宜采用6～10倍溢洪道寬度B。彎道的最小半徑R₂可由式(11)計算。

(3)排沙通道橫向比降。

該參數(shù)由彎道外側(cè)水面與中心線水面的高差Δh確定，主要由排沙通道斷面寬度b₂、彎道半徑R₂與彎道內(nèi)含沙水流的流速確定。以排沙通道中軸線為軸旋轉(zhuǎn)，使槽底凸岸側(cè)降低Δh，槽底凹岸側(cè)抬高Δh，從而使槽底具有橫向坡度，以此來平衡彎道離心力，保持彎道中水沙混合流的穩(wěn)定性，Δh可由式(10)計算。

(4)過流通道臺階尺寸。

臺階參數(shù)主要為高度a與寬度l，其中l(wèi)由過流道整體坡度控制。臺階高度需綜合考慮過流通道坡度、單寬流量、施工方便等因素。分析認(rèn)為，當(dāng)水流在臺階流道內(nèi)形成滑行水流流態(tài)后，臺階尺寸對彎道水流流態(tài)的銜接與過渡作用減弱，因而將彎道段臺階上不產(chǎn)生滑行水流流態(tài)作為臺階高度的主要控制標(biāo)準(zhǔn)。

過流通道臨界水深可由式(12)確定，則過流通道內(nèi)臺階高度a需控制為2ΔH～3ΔH。同時，為了確保溢流堰后水流銜接平順，溢流堰后第一級至第四級臺階需連續(xù)逐級增高，其臺階高度分別為0.2a、0.4a、0.6a與0.8a，第五級臺階高度即為設(shè)計臺階高度a。

除上述各具體參數(shù)外，排沙通道底部需采用工字鋼龍骨與鋼板襯砌進行重點防護。為了避免排沙通道內(nèi)水沙混合流中的散粒體在高流速狀態(tài)下擺脫水體束縛而發(fā)生無規(guī)律飛濺，其頂部需加設(shè)可拆卸蓋板，蓋板可采用鋼筋混凝土板或鋼板。具體安裝方式為：在水沙混合流陡槽的邊墻上設(shè)錨樁，在蓋板上設(shè)扣環(huán)，二者采用鋼筋或鉸鏈連接并固定。

本發(fā)明提供的適用于彎道陡槽溢洪道內(nèi)水沙分離建筑物布置形式，工程設(shè)計中設(shè)計到的計算公式有：

Q＝Q_設(shè)+Q_Y…………………………………………………………(3)

L＝(0.8～1.2)L_j……………………………………………………(4)

L_j＝10.8h_c(Fr_c-1)^0.93………………………………………………(5)

E₀＝Z₁-Z_y…………………………………………………………(7)

上述公式中符合含義如下：

Q_設(shè)—設(shè)計洪水流量，m³/s；

Q_Y—過流通道泄流量，m³/s；

Q—總來流量m³/s，設(shè)計洪水下，Q_設(shè)等于上游總來流量Q；

b₁—過流通道寬度，m；

b₂—排沙通道寬度，m；

L—前置集沙池長度，m；

L_j—自由水躍長度，m；

a—過流通道臺階高度，m；

l—過流通道臺階寬度，m；

E₀—總能頭，m；

h_c—收縮斷面水深，m；

Fr_c—收縮斷面佛汝德數(shù)；

—流速系數(shù)，取值為0.85-0.9；

Z₁—來流水位，m；

Z_h—集沙池出口高程，m；

Z_Y—溢流堰頂高程，m；

V_c—收縮斷面流速，m/s；

m₁—排沙通道量系數(shù)；

m₂—過流通道流量系數(shù)；

P—溢流堰高度，m，流量為Q_設(shè)時，P等于H₁，流量大于Q_設(shè)后，

P＝H₁-H₂；Δh—彎道外側(cè)水面與中心線水面的高差，m；

B—溢洪道總寬度，m；

R—弧導(dǎo)沙墻半徑，m；

R₁—前置集沙池與排沙通道銜接段半徑，m；

R₂—陡槽溢洪道的彎道段半徑，m；

θ—溢洪道彎道段總彎轉(zhuǎn)角；

i₁—前置集沙池與上游流道銜接坡度(陡坡段池底面坡度)；

i₂—前置集沙池底面橫向坡度(緩坡段池底面橫向坡度)；

i₃—前置集沙池底面縱向坡度(緩坡段池底面縱向坡度)；

i₄—排沙通道彎道橫向坡度；

V₁—陡槽溢洪道過流通道后斷面的段面平均流速，m/s；

V₂—陡槽溢洪道排沙通道后斷面的段面平均流速，m/s；

h₁—過流通道洪水期臺階上的斷面水深，m；

h₂—排沙通道彎道進口斷面的水深，m；

δ₁—過流通道溢流堰頂寬，m；

δ₂—排沙通道溢流堰寬度，m；

ΔH—臨界水深，m；

本發(fā)明的主要具有以下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明通過設(shè)置專門的排沙通道下泄上游來流中所包含的大顆粒與散粒體泥沙，能有效避免高含沙水流對溢洪道邊界的沖蝕、磨蝕與砸蝕破壞等不利影響，減小了陡槽溢洪道發(fā)生破壞的概率，避免了修復(fù)施工以及省略了修復(fù)成本，提高了類似工程的運行安全。

(2)本發(fā)明過流通道設(shè)置臺階過度，能夠使水流在彎道內(nèi)平順過渡與銜接，盡量消除彎道菱形沖擊波對邊墻的沖擊作用，使水流均勻下泄。

(3)本發(fā)明中排沙通道采用內(nèi)傾型底板能有效避免水沙混合流在彎道內(nèi)形成菱形沖擊波而使大顆粒散粒體發(fā)生無規(guī)律跳躍，避免對過流邊界的破壞。

附圖說明

圖1為本發(fā)明布置方式的平面圖。

圖2為圖1中Ⅰ-Ⅰ向剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3圖1中Ⅱ-Ⅱ向剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4圖1中Ⅲ-Ⅲ向剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5圖1中Ⅳ-Ⅳ向剖面結(jié)構(gòu)示意圖圖。

圖6圖1中Ⅴ-Ⅴ向剖面結(jié)構(gòu)示意圖圖。

圖7圖1中Ⅵ-Ⅵ向剖面結(jié)構(gòu)示意圖圖。

圖8為排沙通道轉(zhuǎn)彎段斷面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為排沙通道蓋板結(jié)構(gòu)示意圖(鋼筋混凝土蓋板)。

在附圖中，各圖示標(biāo)號的標(biāo)識對象是：1-來流溢洪道；2-前置集沙池；3-過流通道；4-排沙通道；5-溢流堰；6-蓋板；7-錨樁；8-鋼板襯砌；9-圓弧形導(dǎo)沙墻；10-工字鋼龍骨；11-扣環(huán)。

具體實施方式

本發(fā)明的具體實施方式不限于實施例中的形式，根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以采取其他的具體方式進行實施，因此，實例不能理解為是本發(fā)明僅可以實施的具體實施方式。

工程實例

某水電站施工堆料場堆料場位于泥石流溝內(nèi)，上游大顆粒散粒體泥沙物源量較大，在暴雨徑流條件下，大量的泥沙會下泄。本料場上游設(shè)有攔擋壩攔截上游來流、來沙，攔擋壩前采用排導(dǎo)隧洞將上游水沙引導(dǎo)至合適位置，然后采用陡槽溢洪道下泄至河道內(nèi)。上游溝道內(nèi)含有大量粒徑介于3～15cm散粒體，陡槽溢洪道寬10m，平均底坡1:2.5，且受地形限制，在陡槽段必須設(shè)置彎道過渡，轉(zhuǎn)彎角度大約為11.5°左右，半徑約為25m，陡槽采用平底板。

實際泄流過程表明，上游溝道內(nèi)的大顆粒散粒體會大量經(jīng)由排導(dǎo)洞和陡槽下泄。陡槽內(nèi)，高速水流會在彎道內(nèi)形成沖擊波而對沖彎道凹岸，水流中所攜帶的散粒體則隨高速水流沖擊過流邊界，非常容易導(dǎo)致陡槽溢洪道邊界發(fā)生磨蝕與砸蝕破壞，每年汛后均需花費大量的人力與財力對破壞部位進行修復(fù)。

基于模型試驗，在本工程內(nèi)設(shè)置了本發(fā)明的水沙分離建筑物布置形式，在陡槽溢洪道進口前設(shè)長15m的前置集沙池，底部橫、總坡比設(shè)計為1:10，排導(dǎo)隧洞與前置集沙池見銜接坡度為1:2.5；水沙混合流通道寬2.5m，底部采用工字鋼龍骨+鋼板襯砌進行重點防護。過流通道寬7.5m，通過圓弧溢流堰與前置集沙池銜接，圓弧溢流堰的半徑為30m，堰高4.0m。

模型試驗與實際觀測表明，流量小于設(shè)計流量35m³/s時，水沙混合流均經(jīng)由水沙混合流通道下泄；當(dāng)流量大于35m³/s后，過流通道參與泄流，水流中混摻的大顆粒與散粒體泥沙能夠在前置集沙池內(nèi)沉積，并經(jīng)由水沙混合流通道下泄。部分細(xì)顆粒泥沙會懸浮于水體中無法在前置集沙池內(nèi)沉積，而是隨水流經(jīng)過流通道下泄。

過流后觀測表明：排沙通道內(nèi)鋼板襯砌防護良好，未引起較大程度破壞；過流通道內(nèi)，細(xì)顆粒泥沙對溢洪道邊界破壞較小。說明該工程采用本發(fā)明后，能夠保證整個排洪系統(tǒng)的泄流安全。