河流碎屑截留结构的制作方法

本发明涉及一种河流碎屑截留结构。

在此特别地但是非排他地涉及一种碎屑截留结构(节制坝)，所述碎屑截留结构在存在相当大量的固体输送(碎屑流、泥流和高含沙流)和/或大尺寸漂浮植物物料的情况下沿着河道构建。

背景技术：

用于截留河流中的碎屑的结构通常是节制坝，即，水力工程，其横贯河道的通道，其中，所述节制坝建立并且设计成通过在其上游产生沉淀物或固体的沉积而减小由上述河道(无论其是急流或是河流)运送的河床负载(bedload)。

典型的节制坝可由砖石、泥土、木材和石笼(即，填充有诸如鹅卵石和石头的乱石的金属容器)构建而成。

上述节制坝由坝墙和设置在河床和堤岸中的基础(地下设施)构成，所述坝墙具有大体梯形横截面，所述梯形横截面具有通常竖直的上游面，所述坝墙咬合到堤岸中。流段还已知通常称为“堰”，其为大致梯形的并且位于工程的中央部分中。替代地，坝墙的由堰延伸直到堤岸的部分被称作“翼”。这些翼通常略微倾斜，例如，倾斜10°。堰的任务是在正常流动条件下包含河道，由此防止水流可能侵蚀工程的堤岸，或可能包围所述堤岸。典型的节制坝的主要目的是校正构建节制坝所在的河床的天然斜率，一旦河床被淤泥堵塞，即，一旦河床上游被淤泥堵塞，则可用空间被从上游到达的被运送的固体物料完全占据。

还已知一种选择性节制坝，所述选择性节制坝以与典型的节制坝类似的方式建成，但是其任务并非校正它们所插入的河床的斜率，而是当河道处于高流量或洪水泛滥情况时阻截来自上游的尺寸较粗的颗粒物料。为了实现这个功能，堰由流段或开口代替，所述流段或开口的尺寸取决于待截留的物料的颗粒尺寸。所述开口可以以多种方式构成；所述开口可以由简单的缝隙构成，或者另外地由(水平或竖直)的钢网格构成。

已知环网或金属丝网眼拦截围墙(即，由金属环的网或网眼构成的弹性屏障物)用作选择性堰，其使得水能够流动。例如，由geobrugg公司生产栏栅屏障物，用于防御碎屑流，所述栏栅屏障物具有顶部支承缆索的翼状布置，这确定了明确界定的流段。

上述环网屏障物根据机械筛的标准执行功能并且具有在河流的最初洪水阶段便被完全堵塞并且因此在洪峰期间不能进行分层的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术缺陷并且特别地提出一种河流碎屑截留结构，所述河流碎屑截留结构在河流的最初洪水阶段不会被完全堵塞并且因此在洪峰期间执行分层功能。

通过一种结构来实现本发明的目的，所述结构具有形成随后权利要求的主题的特征，所述特征形成关于本发明的在此提供的技术教导的一体部分。本发明的目的还在于提供了一种用于截留河流中的碎屑的对应方法。

附图说明

现在将参照附图描述本发明，所述附图仅仅为非限制性示例并且附图中：

图1a、1b和1c分别是根据本发明的河流碎屑截留结构的第一实施例的示意图，即，俯视平面图、主视图和截面图；

图2a、2b和2c分别是根据本发明的河流碎屑截留结构的第二实施例的示意图，即，俯视平面图、主视图和截面图；

图3a、3b和3c分别是根据本发明的河流碎屑截留结构的第三实施例的示意图，即，俯视平面图、主视图和截面图；

图4a、4b分别是根据本发明的河流碎屑截留结构的第四实施例的示意图，即，俯视平面图和主视图；

图5a、5b分别是根据本发明的河流碎屑截留结构的第五实施例的示意图，即，俯视平面图和主视图；

图6a、6b分别是根据本发明的河流碎屑截留结构的第六实施例的示意图，即，俯视平面图和主视图；

图7是根据本发明的河流碎屑截留结构的示意图，在示意图中示出了在对应碎屑截留方法中使用的量；和

图8、9和10是示出了在不同实施例和流动条件下根据本发明的截留结构的截留能力的简图。

具体实施方式

简言之，在此提出了一种结构，所述结构构造成使得：在洪水的初始阶段和最后阶段期间能够使得固体排放通过，并且能够在洪峰期间截留物料，从而执行固体排放的分层效果，由此降低洪峰值；即，固体物料的拦截机构具有水动力特性而非机械筛类型。

特别地，根据本发明的结构由具有水平缝隙的节制坝构造而成。上述水平缝隙位于节制坝的底部处，即，位于流段的下部部分中。更加具体地，流段基本为梯形的，由侧壁界定其水平延伸部，而且包括上部部分和下部部分。流段的上部部分包括用于保持来自上游的物料的保持结构，所述结构特别地构造成用于在河流的洪流或洪水情况中拦截物料，并且在侧壁之间水平延伸。特别地，根据本发明的优选变型方案，上述截留结构有利地由网构成，所述网由金属丝网眼或弹性环制成或通过绳索获得，并且没有构造成整面壁。流段的下部部分对应于水平缝隙，并且在保持结构的底部边缘与覆盖上述河床的板或河道的河床之间延伸。上述水平缝隙相对于河床或板的高度设计成具有适当的尺寸，用于按照参照图7、8、9和10在下文详细描述的方法根据用于在上游获得的沉积物、水动力特性以及水流的沉积物运送来实施拦挡行为。

有利地，根据本发明的水力截留结构涉及建造的成本和时间问题，所述建造的成本和时间低于完全由混凝土制成的节制坝。根据本发明的水力截留结构与网状金属丝节制坝和环网节制坝的不同之处在于存在底部开口或流段的下部部分，其目的是：

-允许固体排放的初始部分通过，授予沿着河道连续构建这些结构的阵列，实现有效的分层能力；

-与刚性竖直缝隙节制坝相比，具有更大的自清洁能力(在传统网节制坝中不具备此能力)；实际上，水平开口极大地降低了堵塞的可能性；和

-削减了构造成本并且缩短了构造时间。

根据特定的分层要求，水平缝隙可以占据河床或通道的整个宽度，或者仅仅占据河床或通道的一部分(部分宽度开口)。

节制坝的刚性部分可以由钢筋混凝土、盒型石笼和钢梁构成。

节制坝的流段可以由混凝土构成，所述混凝土要么被包层要么没有钢抑或牢固地结合有卵石或岩石。

在下文中，图1、2和3示出了一种节制坝，在所述节制坝中，水平缝隙占据河床的整个宽度，而图4、5和6中示出了水平缝隙仅仅占据河床的一部分的部分宽度节制坝。

图1示出了具有全宽度水平缝隙和金属丝网眼的节制坝截留结构10。

特别地，在图1a中示出了河道11的河床12的俯视平面图。附图标记13表示河道11的堤岸。箭头14表示水流及其对应方向。节制坝结构10包括侧壁15，所述侧壁15具有梯形横截面和垂直上游面，所述侧壁15延伸直到河床12的界限为止并且在它们之间限定了梯形堰20，其中，梯形的最小侧边对应于河道河床12。由于静态原因，可替代地，上游面也可以是倾斜的。堰20的上述最小侧边由板21覆盖。在图1b的主视图中，可更好地意识到的是，侧壁15如何还具有基本水平但是略微倾斜的顶侧15a和对应于由堰20限定的梯形的斜侧边的河流侧15b。由金属丝网17表示的保持结构在堰20的上部部分中从由顶侧15a和河流侧15b形成的边缘15c延伸，所述保持结构也为梯形的而且具有高度hr，所述高度小于堰20的高度hg，使得开口30在堰20的下部部分中限定在板21与网17之间，所述开口30具有高度a(a＝hg-hr)。用于接合网17的绳索16从边缘15c沿着网17的主要顶侧延伸，其受保护并且被增强，即，具有适当尺寸以便吸收施加在网上的推力，特别地吸收由物料沉积施加的静态推力和动态推力以及在网或多或少被堵塞的情况下的静压推力。两个锚固螺栓18设置在翼15中并且嵌入在形成上述翼15的混凝土中。通常而言，锚固螺栓当然可以甚至多于两个。开口30的高度a例如大于1m；然而，在本描述的随后描述中，将说明使得开口30的上述高度a具有适当尺寸。在图1c中图解了节制坝10的侧向横截面。将意识到的是侧壁15如何具有上游侧竖直的上述直角梯形形状。

图2a、2b和2c分别以俯视平面图、主视图和截面图示出了全宽度节制坝结构110。在这个情况中，堰20包括由钢板包层的板121，同时使用弹性环网117。

图3a、3b和3c分别以俯视平面图、主视图和截面图示出了全宽度节制坝结构210。在这个情况中，网217用绳索制成的。堰20包括由岩石或卵石221a构成的板211，由打入到河床中的柱或桩221b增强所述板221。

图4、5和6以两个视图(即，俯视平面图和主视图)示出了部分宽度节制坝结构的变型。在图4a和4b中图解了一种结构310，所述结构310包括延伸侧壁315和对应开口330，即，所述延伸侧壁315从河道11的堤延伸直到河床12中，而不是基本止于河床12的边界处，由此限定了堰320，所述延伸侧壁315和对应开口330的宽度皆小于河床12的宽度。金属网眼网17在堰320中延伸。

在图5a和图5b中图解了具有延伸侧壁315和环网117的结构410。

在图6a和6b中图解了具有延伸侧壁315和绳网118的结构510。

如图7所示，开口30(或330)控制节制坝结构10的上游段28中的受控沉积物25的高度ysm的值，所述开口30具有高度a并且在图1的网17或在其它实施例中示出的网117和217左下方是不受限制的。

根据沉积物25的高度ysm可确定开口30的高度a的尺寸大小，使得旨在获得在设计洪流(液体排放和固体排放)条件下的节制坝结构10的上游。

将在下文详细描述计算开口30的值a的程序，所述程序可应用在采用了根据本发明的截留结构的河流碎屑截留方法中。

在上述程序中，初始假定网17完全堵塞，计算后续的沉积物25。在这个条件下，网17可比作不可透过的板。然后显示出网17的有效渗透率如何在任何情况中均致使根据本发明的节制坝结构的功能得以改进。与完全不可透过的水平缝隙节制坝结构相比，根据本发明的结构，在代替网17、117或217而设置了钢筋混凝土板或钢板的情况下，通过采用如用网可获得的局部可透过部分，不仅仅关于成本而且还因为分层条件改善而证明了其优势。在不希望有必要束缚于任何特定假设的情况下，在任何情况中均合理地假定：在最初洪水阶段，网17、117或217将保持没有可能堵塞所述网17、117或127使得沉积物量减小的任何物料，由此在洪水爆发期为碎屑的沉积物保留了较大的自由空间体，对于洪峰经过期间的分层处理有利。在排放峰值经过时，在碎屑流或高含沙水流的情况中，当直接用碎屑流的前部对网17进行测试时，而合理地设想网17将丧失其渗透性。还可以由聚集的漂浮物料的量来简单地确定堵塞程度。

由此现在计算在网17完全堵塞的条件下结构10上游的沉积物25的最大量的值ysm，随后表明在替代地液体流的一部分设法通过网17的情况中上述沉积物的值ysm较低。

强调的是：在任何情况中，在此描述的设定节制坝结构尺寸的程序通常可以应用于完全使用刚性材料构建的水平缝隙节制坝。

就匀速运动的沉积物而言，并且因此在不存在通过网17滤清的情况中，基于由所输送的物料堵塞上述网17的假设，可通过如图1所示的靠近节制坝结构的段(对于设计流速而言，沉积物假定为最大值ysm)和位于节制坝10下游的缩流段26之间的质量和机械能守恒来计算如结构10一样的水平缝隙节制坝上游的沉积物。对于第一逼近，合理地假定忽略这两个段之间的能量损失。

参照图7的方案，在其中指出了沉积物25的最大值ysm，水流14的上游速度为um，上游水头为hm，由液体质量守恒关系，我们可以得出：

hmum＝accuc

(1)

其中，uc是位于节制坝10下游处的缩流段26的水流速度，cc是缩流段26的收缩系数。

由机械能量守恒，我们可以得到

组合两个方程(1)和(2)，我们可以获得以下无量纲关系

fm是到达的水流的弗劳德数；即，

由上述方程(3)可以发现：开口高度的值a是节制坝上游的最大沉积物ysm的相对值的函数。事实上，方程(3)表示最大沉积物ysm的值和水头hm之间的作为a函数的无量纲比值由包括也作为参数的收缩系数cc的函数表示根据方程(3)的开口高度的值a。

在图8的简图中提供了方程(3)的表示，其以无量纲形式示出了在假设网17完全堵塞和能量守恒的情况中对于开口程度的不同值作为到达的水流的弗劳德数fm的函数的节制坝上游的相对最大沉积物ysm的变化(即，比值)，所述变化表现为水头hm和节制坝结构10的开口高度a之比。开口的高度a因此是这样的高度，在所述高度条件下，网17的底部边缘必须设置成获得节制坝10上游处的沉积物25的给定最大值ysm。给定在携带沉积物的洪峰期间沉积物25的最大高度ysm和河床12的斜率im，出于简单的几何考虑，可能计算洪水通过期间分层的固体体积，如在下文解释的那样。应当注意的是，在附图中，在堰20(或320)的侧部上测量开口30(或330)的高度a；然而，如上所述，上述高度a的最优估计值必须与网的底部边缘相关。

在沉积物25的端部和节制坝结构10的段29之间的区域中，通常建立了二级循环，所述二级循环以突然增宽的状况为典型情况，如已经在实验室中观察到的那样。这种循环导致产生可改变沉积物量的巨大消散现象。

现在评估与计算前述沉积物高度相关的机械能守恒的上述假设的理由，并且在假设没有充分守恒的情况中，通过考虑消散现象，这种评估使得能够修正先前应用方程(3)估算的沉积物量。

通过把它比作对于突然增宽的波德效应可计算能量损失δeb

其中ub是节制坝10上游的段29中的平均速度。将连续方程(1)引入到方程(4)，我们获得

其中，对于第一逼近，已经假定紧随节制坝10之后的段27中的平均速度ub，从连续方程中推导出所述值

ub＝q/(hm+ysm)

(6)

为了获得沉积物25的量，也在这个情况中，可以从以下关系获得方程(5)的充分逼近

现在，考虑能量损失，评估沉积物高度的计算。必须将在方程(7)中先前估算的能量损失引入到能量平衡方程中。组合两个方程，获得

如先前使用方程(7)所做的那样，展开方程(8)获得：

其中，设定

其对应于处于能量守恒条件下的沉积物的值y’sm。因此我们获得

求解方程(11)，因此获得

仅仅方根前方带有负号的解具有物理意义。此外，如果，我们忽略项则如预期的，解与使用能量守恒的假设获得的解一致。

图9示出了在假设网17完全堵塞、假设能量守恒(点)以及假设能量有损失(实线)的情况下作为到达的水流的弗劳德数fm的函数的位于节制坝上游的相对最大沉积物ysm的标绘图，从图9的简图，应当注意的是将因节制坝10后方的涡流引发的消散引入到能量平衡方程中并不重要，并且应当注意的是对于合理逼近可忽略对应的能量损失。

在本说明书的后续部分中，还提供了如何计算作为设计液体排放(在洪峰条件下)的函数和固体排放的函数的水头hm和上游速度um的参数的表示。

现在评估网17(或117或217)的效果。先前，实际上已经针对网17完全不可透过的假设计算沉积物(并且因此计算分层的固体体积)阐释了一种标准。现在，目的是与根据本发明的解决方案一样有效地显示如何才可能使用基于假设网17可透过的条件提出的标准。

在网17堵塞的情况中，节制坝的行为是上述的一种。如果在存在植物物料的情况中使用网节制坝结构，则使用网的条件是优选的，或在存在具有粒度曲线的物料的情况中，其中，沉积物的合理百分比介于0.75dm和0.50dm之间，其中，dm是网17的孔的平均尺寸，适当的是出于安全的原因假定制定尺寸标准，由此假设网17完全堵塞。

如果替代地假定彻底清洁网17，则可能再次应用先前所述的标准，所述标准仅仅使用大于0.61的收缩系数cc。通过例如采用等于0.73的cc，假定20％的液体排放通过网17。显然，即使看起来将这个值增大20％至30％并不明智，但是也可能假设收缩系数cc的较大值。

在图10(三角形)中示出了在假设部分可透过的网以及特别地假设20％的排放设法通过网进行过滤的情况下作为到达的水流的弗劳德数fm的函数的节制坝上游的相对最大沉积物ysm并且与不存在过滤(实线)的情况中的沉积物相比较的简图。

由图10可以注意到的是，在不存在堵塞网17的情况中，如可预期的那样，在给定相同弗劳德数fm的条件下，上游沉积物小于堵塞网情况下的上游沉积物。因为堵塞通常在更高水头条件(即，伴随洪峰通过条件下)发展，所以在洪水第一部分可通过的范围内固体排放的分层效果将更加有效，从而在节制坝上游留下自由容积。如已经描述的那样，网17可在节制坝的整个宽度上(图1、2、3的实施例)上伸展或仅仅在宽度的一部分上(图4、5、6的实施例)伸展，在后述情况中，组合设置有在此描述的网的水平缝隙节制坝与垂直缝隙节制坝的效果，所述垂直缝隙节制坝例如在armaninia.,larcher，m.,“rationalcriterionfordesigningopeningofslit-checkdam”，journalofhydraulicengineering,2001，vol.127,no.2,p.94-104或者在armanini,a.,fraccarollo,l.,larcher,m.,2005b),“debrisflow”，chap.142,inanderson,m.g.(ed.)，encyclopediaofhydrologicalsciences，vol.4.hoboken,n.j.,chichester,wiley,2173-2185中有描述。

现在阐释计算作为液体排放和固体排放的函数的上游条件(即，计算用于水头hm和上游流的速度um的参数)的可行程序，所述水头hm和上游流的速度um出现在前述关系中作为到达流的液体排放和固体排放的函数，使得上文陈述的标准可用作作为边界条件函数的设计标准，所述边界条件精确地是这两种排放。

假设河道11涉及河床负载的输送，可以使用均匀流公式和固体输送公式来计算水头hm和速度um。我们将通过举例的方式针对均匀流采用gauckler-strickler公式而针对固体输送采用meyer-peter和müller公式，所述公式几乎涵盖不存在质量输送的情况下的所有急流情况，如下：

-gauckler-strickler均匀流公式，假设宽矩形通道和液压粗糙壁：

其中，u·-m是在沉积物25上方拉伸的情况中的摩擦速度，d50是所运送物料的粒度分布的中间值；

-meyer-peter和müller河床负载公式：

其中，qs是每单位宽度的固体排放；δ(ρs－ρ)/ρ是构成沉积物的物料的平均相对浸没密度；θc是临界希尔兹参数，其在粗糙壁的情况中可假定等于0.056。

组合方程(13)和(14)，之后，我们获得

即，对于上游水头hm

并且对于上游流14的速度um，我们获得

因此，由以下等式给出沉积物25上方的新的河床的斜率im

其中，可以使用方程(13)、(15)和(16)计算摩擦速度u·-m。即，如果我们将斜率im直接表示为水头hm和速度um的函数，则我们得到

应当注意的是在此提出的固体排放的分层模型以及由水平缝隙和网引起的沉积的模型还可延伸为碎屑流，其甚至有更大的优势。先前描述的假设选择机制还可以很好地应用于存在碎屑流和泥流的情况中以及在其中发现节制坝结构为最有用应用的情况。

在这种情况中，利用与应用于碎屑流类似的关系修改输送和均匀流关系(方程13至18)的关系就足够了。然而，在碎屑流的情况中，显而易见合理的是假设在整个洪水事件期间完全堵塞网。而且，在碎屑流的情况中，例如根据由armanini,a.,fraccarollo,l.,和m.larcher(2005)引用的论文中已陈述的本领域已知的标准，网可以具有适当的尺寸，以承受任何动态冲击。

因此，由前述描述，本发明特征和优势将清晰可见。

当然，在不背离本发明的由附属权利要求限定的保护范围的前提下，就在此已经描述和阐释的内容可以对构造和实施例的细节进行各种修改。

根据本发明的截留结构有利地允许固体排放的初始部分通过，从而赋予沿着河道连续构造的这些结构的阵列以有效的分层能力。

而且，与刚性竖直缝隙节制坝相比，根据本发明的截留结构有利地能够具有更大的自清洁能力(传统网节制坝不具有此能力)。实际上，水平开口大幅降低了堵塞的可能性。

另外，根据本发明的截留结构有利地能够削减构造成本以及缩短构造时间。特别地，就这一点而言，为了在顶部(诸如梁处)界定流段，与采用其它元件相比，使用网尤为有利。网易于安装，削减了包括安装成本在内的成本。

就这一点而言，即使优选的实施例使用网眼或网状结构作为占据流段的上部部分的保持结构，使用不可透过的梁(例如钢筋混凝土板或钢板)的保持结构也可实现固体排放的分层，如参照方程(1)至(3)先前所述的那样。

根据本发明的截留结构的重要变型方案包括使得下游方向相对于竖直方向和定了开口的网倾斜例如介于10°和30°之间的角度，以有利于使得漂浮的物料逐渐向上移动，从而防止其堵塞水平缝隙。

根据其它变型方案，除了全宽度节制坝实施例和部分宽度节制坝实施例之外，限制节制坝的流段可以仅仅涉及堰的下部部分；即，底部开口是部分宽度类型，而网操作所在的节制坝的上部部分是全宽度类型。