用于截流工程的改进型四面体抛投材料的制作方法
【专利摘要】本发明属于涉及水利工程江河截流领域，提供了一种用于截流工程的改进型四面体抛投材料，包括四面体本体，该四面体本体中设有相互贯通且贯穿四面体本体各个面的通孔，四面体本体的密度为2400kg/m3～3700kg/m3。与现有的实心正四面体抛投材料相比，本发明所述改进型四面体抛投材料在水流中受到的迎水阻力更小，在水流中的稳定性更高，在水流中的流失率更小，使用本发明所述改进型四面体抛投材料能降低截流难度。
【专利说明】
用于截流工程的改进型四面体抛投材料
技术领域
[0001] 本发明属于涉及水利工程江河截流领域，特别涉及一种用于截流工程的改进型四 面体抛投材料。
【背景技术】
[0002] 截流工程是在最短时间内，将原河道里的水流在拦河建筑物预留缺口（龙口）处予 以截断，让河道中的水流通过其它的地方宣泄或者拦蓄起来形成旱地施工的基坑，是水利 工程施工中的一个关键问题，它是影响施工进度的一个控制项目。在截断水流的过程中，河 道的水流紊乱、水下地形和戗堤形状随进占时段的不同而不断发生变化，容易导致截流材 料的流失和戗堤坍塌，增加截流难度。
[0003] 诸多的实验研究和工程实例表明，戗堤坍塌和截流材料的流失都和抛投材料在抛 投后的稳定性相关，抛投材料能否一次到位、能否在较短距离内达到稳定状态显得至关重 要。人工预制抛投材料在急流中较容易到位，具有较好的稳定性，可有效防护戗堤堤头坍 塌，阻止抛投材料流失，减轻截流难度，比如三峡导流明渠截流、溪洛渡水电站工程截流及 葛洲坝水电枢纽工程截流等截流工程中均使用了人工预制抛投材料。现有的人工预制抛投 材料主要有实心混凝土四面体(见图1)、实心混凝土六面体(实心混凝土正方体）以及钢筋 石笼串。大量的实验研究与工程实例表明，由于实心的混凝土四面体和六面体在水中的迎 流面较大、重心较高，受到的水流阻力作用明显，动水作用历时较长，稳定性差，而钢筋石笼 串也存在材料稳定性不佳和流失问题，因而现有的实心混凝土四面体、六面体以及钢筋石 笼串在截流困难时段的作用并不理想，有必要对现有的人工预制抛投材料进行优化，以取 得更好的截流效果。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供用于截流工程的改进型四面体抛投 材料，以降低抛投材料在水流中受到的迎水阻力，提高抛投材料在水流中的稳定性，减小抛 投材料在水流中的流失率，从而降低截流难度。
[0005] 本发明提供的用于截流工程的改进型四面体抛投材料，包括四面体本体，所述四 面体本体中设有相互贯通且贯穿四面体本体各个面的通孔，四面体本体的密度为2400kg/ m3 ~3700kg/m3〇
[0006] 上述改进型四面体抛投材料的技术方案中，四面体本体的至少一个面上设有贯通 该面的凹槽，优选的方案为四面体本体的各个面上均设有贯通该面的凹槽，当四面体本体 的至少两个面上设有贯通该面的凹槽时，相邻两个面上的凹槽最好相互贯通，为了取得更 好的技术效果，所述凹槽最好与通孔连通，以有利于该抛投材料抛投后通孔中的水流从凹 槽中排出。
[0007] 上述改进型四面体抛投材料的技术方案中，当四面体本体只设有所述通孔时，通 孔的体积为四面体本体总体积的5%~35%，当四面体本体设有所述通孔和凹槽时，通孔和 凹槽的总体积为四面体本体总体积的5%~35%。
[0008] 上述改进型四面体抛投材料的技术方案中，四面体本体各条棱长度的差异不超过 15%，上述四面体本体优选为正三棱锥或正四面体。
[0009] 上述改进型四面体抛投材料的技术方案中，四面体本体的棱长根据截流工程的规 模、水流以及地形等实际条件确定，通常四面体本体的棱长为2~4.5m。
[0010] 上述改进型四面体抛投材料通常由混凝土浇筑而成，为了增加抛投材料的密度， 可在饶筑时向混凝土中加入铁块、铅块等密度比混凝土更大的金属材料。
[0011] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0012] 1.本发明提供的用于截流工程的抛投材料是一种新型结构的抛投材料，该抛投材 料是在四面体本体中设置相互贯通且贯穿四面体本体各个面的通孔后形成，在抛投后，水 流能够从抛投材料的通孔中流过，从而降低抛投材料在水流中受到的迎水阻力，提高抛投 材料在水流中的稳定性，减小抛投材料在水流中的流失率，并且，通孔的存在增加了抛投材 料的透水性，进而增大戗堤的渗漏量，降低截流龙口处的流量和上下游水位落差，从而能降 低截流难度。
[0013] 2.本发明提供的适用于截流工程的改进型四面体抛投材料中，在四面体本体中设 置相互贯通且贯穿四面体本体各个面的通孔的基础上，还在四面体本体的至少一个面上设 有贯通该的凹槽，凹槽能进一步增加抛投材料的透水性，凹槽的设置不但有利于水流通过， 而且有利于抛投材料的相互啮合，从而综合地提升抛投材料在水流中的稳定性。
[0014] 3.模型实验表明，本发明提供的改进型四面体抛投材料不论是以迎流还是背流的 方式抛投，在水流中的止动流速都高于现有实心结构的正四面体抛投材料，本发明所述抛 投材料在水流中的稳定性更好。
[0015] 4.截流工程龙口合龙过程中的流量主要从导流建筑分流，但导流建筑的规模容易 受到地形和成本的制约，当导流建筑的规模较小时，在截流时容易造成龙口流量和流速过 大，进而导致截流困难和抛投材料流失，本发明所述抛投材料中设有通孔，或者同时设有通 孔和凹槽，具有一定的透水性，使用该抛投材料能适当增加戗堤的渗漏量，从而在截流困难 段分担部分龙口流量以降低龙口流量和龙口流速，从而降低截流难度，减少抛投材料流失。
【附图说明】
[0016] 图1是现有实心正四面体结构的抛投材料的结构示意图；
[0017] 图2是本发明所述第一种结构形式的抛投材料的结构示意图；
[0018] 图3是本发明所述第二种结构形式的抛投材料的结构示意图；
[0019] 图4是本发明所述第三种结构形式的抛投材料的结构示意图；
[0020] 图5是本发明所述第四种结构形式的抛投材料的结构示意图；
[0021] 图6是图5中的抛投材料的四面体本体的左侧面和底面上凹槽和通孔开口位置示 意图；
[0022] 图7是图5中的抛投材料的四面体本体的右侧面和后侧面上凹槽和通孔开口位置 示意图；
[0023] 图8是实施例5中采用水槽测量装置测定抛投材料在水流中的止动流速的示意图； [0024] 图中，1 一通孔、2-凹槽、3-四面体本体、4 一实心正四面体抛投材料、5-水槽、 6-消浪栅、7-探头、8-信号处理器、9 一数据传输线、10-计算机、11 一抛投材料、h-水 深、U-正四面体的棱长、。一正三棱锥等边三角形底面的边长、L3-正三棱锥三个等腰三 角形侧面的腰长。
【具体实施方式】
[0025] 下面通过实施例结合附图对本发明所述用于截流工程的改进型四面体抛投材料 及其使用效果作进一步说明。
[0026] 实施例1
[0027] 本实施例中，用于截流工程的改进型四面体抛投材料的结构示意图见图2,包括四 面体本体3,所述四面体本体3为正四面体，四面体本体中设有相互贯通且贯穿四面体本体 各个面的通孔1，正四面体的棱长1^ = 2.〇!11，通孔1由四个形状相同的圆柱形孔组成，各圆柱 形的孔的一端孔口位于四面体本体的各个面的中心处，另一端孔口位于四面体本体的中心 处，且在四面体本体的中心处相互贯通，通孔1的总体积占四面体本体总体积的35 %，该抛 投材料由混凝土浇筑而成，四面体本体的密度为2400kg/m3。
[0028] 实施例2
[0029] 本实施例中，用于截流工程的改进型四面体抛投材料的结构示意图见图3,包括四 面体本体3,所述四面体本体3为正三棱锥，四面体本体中设有相互贯通且贯穿四面体本体 各个面的通孔1，正三棱锥等边三角形底面的边长L 2 = 3.2m，正三棱锥三个等腰三角形侧面 的腰长L3 = 2.8m，通孔1由四个形状相同的截面为三角形的孔组成，各截面为三角形的孔一 端孔口位于四面体本体的各个面的中心处，另一端孔口位于四面体本体的中心处，且在四 面体本体的中心处相互贯通，通孔1的总体积占四面体本体总体积的5 %，该抛投材料由混 凝土饶筑而成，四面体本体的密度为2500kg/m3。
[0030] 实施例3
[0031] 本实施例中，用于截流工程的改进型四面体抛投材料的结构示意图见图4,包括四 面体本体3,所述四面体本体3为正四面体，四面体本体中设有相互贯通且贯穿四面体本体 各个面的通孔1，正四面体的棱长1^ = 4.5m，通孔1由四个形状相同的圆柱形孔组成，各圆柱 形的孔的一端孔口位于四面体本体的各个面的中心处，另一端孔口位于四面体本体的中心 处，且在四面体本体的中心处相互贯通，四面体本体的底面上设置一个有贯通底面凹槽2， 所述凹槽2与通孔在四面体本体底面上的开口连通，所述通孔1和凹槽2的总体积占四面体 本体总体积的15%。所述抛投材料由混凝土浇筑而成，为了增加抛投材料的密度，在浇筑时 向该抛投材料中放置了铅块，四面体本体的密度为3700kg/m 3。
[0032] 实施例4
[0033] 本实施例中，用于截流工程的改进型四面体抛投材料的结构示意图见图5,包括四 面体本体3,所述四面体本体3为正四面体，正四面体的棱长L 1 = 2.9m，通孔1由四个形状相 同的圆柱形孔组成，各圆柱形的孔的一端孔口位于四面体本体的各个面的中心处，另一端 孔口位于四面体本体的中心处，且在四面体本体的中心处相互贯通。
[0034] 如图5所示，该抛投材料的四面体本体的左侧面和底面（以图5的角度为基准)上均 设有三个相互平行且贯通左侧面和底面的凹槽2,且左侧面和底面上的第二个凹槽与通孔 在左侧面和底面上的开口连通，左侧面和底面上凹槽和通孔开口位置见图6，该抛投材料的 四面体本体的右侧面和后侧面（以图5的角度为基准)上均设有两个相互平行且贯通右侧面 和后侧面的凹槽2，右侧面和后侧面上凹槽和通孔开口位置见图7。
[0035] 通孔1和凹槽2的总体积占四面体本体总体积的35%。该抛投材料由混凝土浇筑而 成，为了增加抛投材料的密度，在浇筑时向该抛投材料中放置了铁块，四面体本体的的密度 为3000kg/m3。
[0036] 实施例5
[0037] 本实施例中，考察现有抛投材料和本发明所述抛投材料抛投后在水流中的稳定 性。
[0038] 第一种类型为现有的混凝土材质的实心正四面体结构的抛投材料4，将该抛投材 料编号为1-1#，该抛投材料的棱长为8cm，质量为156.72g。
[0039] 第二种类型本发明所述抛投材料，结构类似于实施例1中的抛投材料的结构，包括 四面体本体3,所述四面体本体3为正四面体，四面体本体中设有相互贯通且贯穿四面体本 体各个面的通孔1，通孔1由四个形状相同的圆柱形孔组成，各圆柱形的孔的一端孔口位于 四面体本体的各个面的中心处，另一端空口位于四面体本体的中心处，且在四面体本体的 中心处相互贯通。共包括4种规格，分别编号为2-1#、2-2#、2-3#、2-4#，抛投材料的棱长、质 量、通孔总体积占四面体本体总体积的情况见表1。
[0040] 表1第二种类型抛投材料的棱长、质量以及通孔体积占四面体本体总体积情况
[0041]
[0042] 米用如图8所示的水槽测量装置测定上述两种类型的抛投材料11在35L/s和55L/s 两种工况下的止动流速。所述水槽测量装置由矩形水槽5和声学多普勒流速仪(ADV流速仪） 组成，所述矩形水槽由矩形混凝土底板和透明有机玻璃侧壁组成，水槽的长度为l〇.〇m，宽 度为0.39m，深度为0.35m，底板水平设置，底板的糙率为0.012，在距离水槽起始端2.4m处安 装了消浪栅6。所述ADV流速仪由探头7、信号处理器8、数据传输线9和计算机10组成，所述 ADV流速仪的探头7安装在水槽上方的支架上，且能在支架上移动。
[0043] 从水槽的起始端按照指定流速向水槽中通入水流，水流流过水槽后经水槽末端的 出水口排出，待水槽中的水流流速稳定后，在距离水槽起始端5.0m处向水槽中加入一块抛 投材料11，加入方式包括迎流和背流两种，抛投材料在加入水槽中后会随水流向水槽末端 运动并最终停止运动，通过精度1 mm刻度的钢尺测量抛投材料在水槽中的运动距离，通过 ADV流速测量仪测定水槽中的水流流速，测定水流流速时，从水槽底面到水面每隔5 . Ocm测 量一个流速，每一断面测量左、中、右三处，取这些点流速的平均值作为平均水流流速。根据 水流流速和抛投材料在水槽中运动的距离计算抛投材料的止动流速，结果如表2所示。
[0044] 表2不同工况下抛投材料的止动流速
[0045]
[0046]
[0047] 由表1可知，本发明提供的抛投材料不论是以迎流（ - Ο还是背流（.....的方 式抛投，在水流中的止动流速都高于现有实心结构的正四面体抛投材料，即本发明所述抛 投材料在水流中的稳定性更好。
【主权项】
1. 用于截流工程的改进型四面体抛投材料，包括四面体本体(3)，其特征在于四面体本 体中设有相互贯通且贯穿四面体本体各个面的通孔（1)，四面体本体的密度为2400kg/m 3~ 3700kg/m3。2. 根据权利要求1所述用于截流工程的改进型四面体抛投材料，其特征在于四面体本 体的至少一个面上设有贯通该面的凹槽(2)。3. 根据权利要求2所述用于截流工程的改进型四面体抛投材料，其特征在于所述凹槽 (2)与所述通孔(1)连通。4. 根据权利要求1至3中任一权利要求所述用于截流工程的改进型四面体抛投材料，其 特征在于当四面体本体只设有所述通孔（1)时，通孔的体积为四面体本体总体积的5%~ 35%，当四面体本体设有所述通孔（1)和凹槽(2)时，通孔（1)和凹槽(2)的总体积为四面体 本体总体积的5%~35%。5. 根据权利要求1至3中任一权利要求所述用于截流工程的改进型四面体抛投材料，其 特征在于四面体本体各条棱长度的差异不超过15%。6. 根据权利要求4所述用于截流工程的改进型四面体抛投材料，其特征在于四面体本 体各条棱长度的差异不超过15%。7. 根据权利要求1至3中任一权利要求所述用于截流工程的改进型四面体抛投材料，其 特征在于四面体本体为正三棱锥或正四面体。8. 根据权利要求4所述用于截流工程的改进型四面体抛投材料，其特征在于四面体本 体为正三棱锥或正四面体。9. 根据权利要求5所述用于截流工程的改进型四面体抛投材料，其特征在于四面体本 体为正三棱锥或正四面体。10. 根据权利要求6所述用于截流工程的改进型四面体抛投材料，其特征在于四面体本 体为正三棱锥或正四面体。
【文档编号】E02D19/02GK105951853SQ201610343703
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】李登松, 戴光清, 杨庆, 杜震宇, 马旭东, 范鹏源, 昌子多, 钟建, 胡成波
【申请人】四川大学