适用于直线型陡槽溢洪道的水沙分离建筑物的制作方法
【专利摘要】本发明公开了适用于直线型陡槽溢洪道的水沙分离建筑物，其构成主要包括上游端与来流溢洪道衔接的集沙池、位于集沙池下游并行设置的过流通道和排沙通道。排沙通道进口与集沙池平顺衔接，过流通道经由溢流堰与集沙池衔接。所述溢流堰的迎水面为圆弧面，构成将水流中的大颗粒及散粒体泥沙导入排沙通道的导沙墙，导沙墙圆弧面的上游端接于过流通道外侧边墙，下游端接于过流通道和排沙通道的隔离边墙。导沙墙前方的集沙池池底具有倾向于排沙通道进口的坡度。采用本发明能够实现陡槽高含沙水流中的大颗粒及散粒体泥沙从水流中较好地分离，使对陡槽溢洪道危害较大泥沙从专门的排沙通道下泄，从而达到减小防护范围与提高工程运行安全的目的。
【专利说明】
适用于直线型陡槽溢洪道的水沙分离建筑物
技术领域
[0001] 本发明设及水利水电工程与防灾减灾工程中排沙技术，具体设及一种适用于直线 型睹槽内溢洪道的水沙分离建筑物。
【背景技术】
[0002] 在水利水电工程或防灾减灾工程中，渣场、拦挡巧、尾矿库等水工建筑物的排水设 施通常采用睹槽溢洪道，该睹槽溢洪道除讯期泄洪之外，还兼具有排沙功效。由于该类拦挡 建筑物所设及的泥沙均具有粒径级配宽、大颗粒泥沙与散粒体含量较大等特征。研究表明， 在类似睹槽溢洪道中，高速水流携带的大量粗颗粒泥沙与散粒体具有很强的磨蚀与砸蚀作 用，当上述不利因素与水力冲蚀、空化空蚀等叠加后，对睹槽溢洪道的过流边界会产生更大 的破坏，从而会导致较大的安全隐患。然而，从工程性质而言，类似工程虽然设计为永久工 程，但破坏后的修复时间与修复难度均较大，对破坏后修复的预算也不足。因此，在其建设 期与施工期内，需要充分考虑大颗粒与散粒体泥沙的破坏作用，采取合理的工程措施W避 免睹槽溢洪道的破坏，延长其运行安全性和运行周期。
[0003] 在电站引水口、农业灌概、渠系输水等工程中，为了减小泥沙危害，均会在其适当 部位设置沉沙池与排沙建筑物。目前已出现了包括直线型沉沙池、曲线形沉沙池、沉沙条 渠、旋流式沉沙池、斜板式沉沙池、湖泊式沉沙池、连续冲洗式沉沙池、定期冲洗式沉沙池、 漏斗式沉沙池等诸多沉砂池形式，基于不同原理和功效，成功应用于不同的工程设施中。
[0004] 但上述所有沉沙池体型所针对的是水流中悬移质部分与细颗粒推移质，其设计主 要基于弯道螺旋流、沉沙与底部定期排沙等水沙分离原理，而且该类建筑物中出现大颗粒 与散粒体的概率相对较小。而针对位于睹槽溢洪道内含大颗粒与散粒体泥沙的含沙水流的 水沙分离措施却相对较少。然而，在实际工程中，含大颗粒与散粒体泥沙的高速高含沙水流 对睹槽溢洪道过流边界破坏的实例较多，诸多类似工程均需要定期做讯后修复。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的现状与不足，本发明旨在提出一种适用于直线型睹槽溢洪道的水 沙分离建筑物，W降低含大颗粒与散粒体泥沙的高含沙水流对睹槽边界的冲蚀、磨蚀与砸 蚀破坏，提高睹槽溢洪道使用寿命。
[0006] 本发明的基本思想，在睹槽溢洪道控制段出口部位设置集沙池，使上游下泄的推 移质泥沙在集沙池内沉积，并让大颗粒与散粒体泥沙经由专口的排沙通道下泄，并对排沙 通道做重点防护;过流通道与排沙通道并行设置，W下泄清水为主。
[0007] 针对上述发明目的，本发明提供的适用于直线型睹槽溢洪道的水沙分离建筑物， 其构成包括上游端与来流溢洪道衔接的集沙池、位于集沙池下游并行设置的过流通道和排 沙通道，排沙通道进口与集沙池平顺衔接，过流通道经由溢流堪与集沙池衔接，所述溢流堪 的迎水面为圆弧面，构成将水流中的大颗粒及散粒体泥沙导入排沙通道的导沙墙，导沙墙 圆弧面的上游端接于过流通道外侧边墙，下游端接于过流通道和排沙通道的隔离边墙，导 沙墙前方的集沙池池底具有倾向于排沙通道的坡度，使泥沙更容易流向排沙通道进口。
[0008] 在本发明的上述技术方案中，所述集沙池优先设计成由池底为睹坡的上游与来流 溢洪道衔接的睹坡段和池底为缓坡的下游与过流通道溢流堪和排沙通道入口衔接的缓坡 段构成，所述缓坡段的池底在纵向和横向均为缓坡设计，所述横向缓坡的坡度方向为过流 通道外侧边墙端高，排沙通道外侧边墙端低。进一步地，所述睹坡段的池底坡度ii优先考虑 控制在1:1~1: 3的范围，所述缓坡段的池底纵向坡度i3和横向坡度i2分别优先考虑控制在 1:5~1:10范围。
[0009] 本发明主要原理为：利用集沙池拦挡上游下泄的推移质，由于在沉沙池出口与排 沙通道进口平顺衔接，一方面，上游下泄的高含沙水流在集沙池经初步沉积，水流由通道直 接下泄，另一方面，沉积于集沙池内的泥沙在集沙池横向水流与溢流堪上游圆弧形导沙墙 的作用下，向排沙通道方向输运，最终均经由排沙通道下泄。
[0010] 针对本发明，需重点确定的工程参数包括:排沙通道宽度化2)、集沙池规模(长度L 与深度P)、集沙池与来流溢洪道衔接坡度（ii)、集沙池底面横、纵向坡度（i2、i3)、溢流堪弧 形迎水面布置形式(起点A与半径R)等。运些参数确定方法如下：
[0011] (1)排沙通道宽度b2,主要由泄流能力、过沙能力、施工条件、工程投资等因素确 定。
[0012] 1)从泄流能力出发，排沙通道宽度b2由公式（1)确定。首先根据实际情况，合理确 定睹槽溢洪道的设计流量(始)作为分界流量，当流量小于该设计流量时，水流与泥沙均经 由排沙通道下泄；当流量大于该设计流量时，实施水沙分离，大颗粒与散粒体泥沙均由排沙 道下泄，水流和无法即时沉积的悬移质则由过流通道下泄。计算过程中，可初设几个不同的 溢流堪高度P'。
[0013] 2)从过沙能力、施工条件与工程投资等因素出发，排沙通道不宜过宽，其宽度b2宜 控制于（1/4~1/3)B之间。
[0014] (2)集沙池规模(长度L与深度P)，主要由来水来沙量W及排沙通道宽度b2确定。
[0015] 由于来沙量非恒定，无法予W细致考虑，主要从水流条件出发，来确定集沙池规 模。当来流量小于设计流量时，水、沙均经由排沙通道下泄，对集沙池规模影响较小；当来流 量大于设计流量时，则需综合考虑排沙通道与过流通道的泄流能力、溢流堪高度P、上游下 泄的大颗粒与散粒体泥沙能否在集沙池内沉积W及沉积于集沙池内的泥沙能输移至水沙 混合流通道等因素。需重点考虑大洪水下，水流中的大颗粒与散粒体不会进入过流通道。
[0016] 当来流量大于设计流量后，集沙池内水位由式（1)式(2)联合计算，上游来流在集 沙池内形成水跃，重点控制因素在于既要使悬浮于水跃中的大颗粒与散粒体泥沙能够在集 沙池内沉积，又要使流速发展至溢流堪前的弧形导沙墙，将沉积的泥沙输运出集沙池。综合 考虑W上各因素，确定集沙池长度L宜介于1~2倍水跃长度k，其中k为不受集沙池水位影 响的自由发展水跃长度，采用式(3)计算。针对集沙池深度P(即溢流堪高度)需综合各因素， 设计过程中，需假设几个不同高度P'，通过不断试算，W水流衔接W及前述控制因素作为边 界条件，选取各方面均满足条件且较优的P '作为集沙池深度P。
[0017] (3)集沙池与上游流道衔接坡度ii、集沙池底面横向坡度i2、纵向坡度i3。
[0018] 为了相对增加集沙池内底部流速，则上游来流与集沙池水流衔接不宜过睹或W跌 流衔接，故将集沙池设计成由池底为睹坡的睹坡段和池底为缓坡的缓坡段构成，集沙池睹 坡段与上游流道衔接坡度ii宜介于1:1~1:3。为了让沉积于集沙池缓坡段内的大颗粒与散 粒体泥沙在水力作用下更容易起动并输运，前置集沙缓坡段池底横向坡度i2、纵剖坡度i3， 均宜分别介于1:5~1:10范围。
[0019] (4)溢流堪弧形迎水面布置形式(起点A与半径R)。
[0020] 为了避免大量泥沙渺积于集沙池过流通道侧，将过流通道进口的溢流堪迎水面设 置成弧形导沙墙，并在导沙墙里面设反坡，起点A宜布置于（1/2~2/3化范围内，圆弧半径宜 为（1.5~3)bi，中屯、角宜介于30°~75°，且W45°~60°较优。
[0021] 除上述各具体参数外，作为水沙混合流的排沙通道底板，由于磨损快，为了降低运 行维修成本，设计采用工字钢龙骨与钢板衬搁进行重点防护。同时，为了避免水沙混合流中 的散粒体在高流速状态下摆脱水体束缚而发生无规律飞瓣，水沙混合流排沙通道睹槽部分 顶部需加设可拆卸盖板W方便检修，盖板可采用钢筋混凝±板或钢板。具体安装方式为:在 水沙混合流睹槽的边墙上设错粧，在盖板上设扣环，二者采用钢筋或较链连接并固定。本发 明所设及到的计算公式如下：
[0022] ................................................(1)
[0023] ...........................................口)
[0024] ...................................(3)
[0025] ..........................................(4)
[0026] ................................................巧）
[002引 ......................................(7)
[0029] ……巧)
[0030] ......(9)
[0031 ]在上述公式中，各符号的含义为：
[0032] Qg-设计洪水流量，m^s;
[0033] Qy一过流通道泄流量，m3/s;
[0034] Q-总来流量m3/s，设计洪水下，Qg等于上游总来流量Q;
[00巧]bi-排沙通道宽度，m;
[0036] b2-过流通道宽度，m;
[0037] L 一集沙池长度，m;
[003引 k-自由水跃长度，m;
[0039] ￡日_总能头，m;
[0040] h。一收缩断面水深，m;
[0041 ] Fr。一收缩断面佛汝德数；
[0042] 9-流速系数，取值为0.85-0.9;
[0043] Zi-来流水位，m;
[0044] Zh-集沙池出口高程，m;
[0045] Zy-溢流堪顶高程，m;
[0046] V。一收缩断面流速，m/s;
[0047] mi-排沙通道量系数，0.67<S2/化<2.5，按实用堪考虑，2.5<S2/Hi<10，按宽顶堪考 虑，在水力计算手册中查取相应系数值。
[004引 m2-过流通道流量系数，0.67<Si/出<2.5，按实用堪考虑，2.5<Si/此<10，按宽顶堪 考虑，在水力计算手册中查取相应系数值；
[0049] P-溢流堪高度，m，流量为0?时，P等于出，流量大于0?后，P = Hi-出；
[(K)加]B-溢洪道总宽度，m;
[0051 ] R-弧形导沙墙半径，m;
[0化2] Si-过流通道溢流堪顶宽，m;
[0化3] S2-排沙通道溢流堪宽度，m;
[0054] 本发明的主要具有W下优点：
[0055] (1)通过对排沙通道部分实施重点防护，使上游来流中包含的大颗粒与散粒体泥 沙经由排沙通道集中下泄，有效避免了含大颗粒与散粒体泥沙的高含沙水流对整个溢洪道 边界的冲蚀、磨蚀与砸蚀破坏等不利影响。
[0056] (2)应用本发明后，通过设置专口排沙通道并实施重点防护，减小了睹槽溢洪道发 生破坏的概率，虽然建设中会一定程度增加成本，但却避免了修复施工W及省略了修复成 本。
[0057] (3)本发明能够增加类似工程的运行安全。尤其在讯期，如果睹槽溢洪道发生破 坏，因无法及时修复而会影响整个工程的运行安全，甚至引发各种次生灾害。
[0058] (4)本发明设计与布置简单，易于实施，对地形、地质条件要求低。
【附图说明】
[0059] 图1为本发明的水沙分离建筑物的平面结构示意图。
[0060] 图2是图1中的I-I向剖面结构示意图。
[0061] 图3是图1中的ii-n向剖面结构示意图。
[0062] 图4是图1中的III-HI向剖面结构示意图。
[0063] 图5是图1中的IV-IV向剖面结构示意图。
[0064] 图6是图1中的V-V向剖面结构示意图。
[0065] 图7是图6中C部分结构的放大图。
[0066] 图8是排沙通道盖板结构示意图。
[0067] 在附图中，各图示标号的标识对象是：1-来流溢洪道;2-集沙池;3-过流通道;4-排 沙通道;5-溢流堪;6-盖板;7-错粧;8-钢板衬搁；9-圆弧形导沙墙；10-工字钢龙骨；11-扣 环。
【具体实施方式】
[0068] 下面结合附图给出了本发明的实施实例，并通过实施例对本发明作进一步的说 明。有必要在运里特别说明的是，本发明的【具体实施方式】不限于实施例中的形式，根据本发 明公开的内容，所属技术领域的技术人员还可W采取其他的具体方式进行实施，因此，实施 例不能理解为是本发明仅可W实施的【具体实施方式】。
[0069] 工程实例
[0070] 本工程实例为某水电站施工堆料场的排洪系统，该堆料场位于泥石流沟内，料场 上游采用拦挡巧拦截上游来流、来沙，拦挡巧前用排导隧桐将上游来流来沙引导至合适位 置，然后采用睹槽溢洪道下泄至河道内。上游沟道内含有大量粒径介于3~15cm散粒体。睹 槽溢洪道宽8m，底坡1:2.5。
[0071] 讯期内，上游来流会携带大量泥沙经睹槽溢洪道下泄，研究表明，大颗粒与散粒体 在高速水流与大洪峰流量下，很容易导致睹槽溢洪道边界发生磨蚀与砸蚀破坏，每年讯后 均需花费大量的人力与财力对破坏部位进行修复。
[0072] 经过试验研究，采用本发明布置形式的水沙分离建筑物，其构成如附图1至8所示， 包括上游端与排导隧桐(来流溢洪道)1衔接的集沙池2、位于集沙池下游并行设置的过流通 道3和排沙通道4，排沙通道进口与集沙池平顺衔接，过流通道通过溢流堪5与集沙池衔接， 所述溢流堪的迎水面为圆弧面，构成将水体中的泥沙导入排沙通道的导沙墙9，导沙墙圆弧 面的上游端接于过流通道外侧边墙，下游端接于过流通道和排沙通道的隔离边墙，导沙墙 圆弧面的圆弧半径R为4.5m，导沙墙圆弧面的圆弧角a为50°。导沙墙前方的集沙池池底具有 能使流体形成流向排沙通道进口的坡度。所述集沙池长12m，由池底为睹坡的上游与排导隧 桐衔接的睹坡段和池底为缓坡的下游与过流通道溢流堪和排沙通道入口衔接的缓坡段构， 睹坡段的坡度为1: 2.5，所述缓坡段的池底在纵向和横向均为缓坡设计，所述横向缓坡的坡 度方向为过流通道外侧边墙端高，排沙通道外侧边墙端低，两个方向的坡度均为1:10。作为 水沙混合通道的排沙通道宽3m，底部采用工字钢龙骨+钢板衬搁进行重点防护，与集沙池采 用圆弧平顺衔接;过流通道进口溢流堪高4. Om，宽5.5m。
[0073] 讯期内，流量小于设计流量30m3/s时，水沙混合流均经由水沙混合流通道下泄；当 流量大于30m3/s后，过流通道参与泄流，观察发现，水流中混渗的大颗粒与散粒体泥沙能够 在集沙池内沉积，并经由水沙混合流通道下泄。部分细颗粒泥沙会悬浮于水体中无法在集 沙池内沉积，而是随水流经过流通道下泄。观测表明：排沙通道内钢板衬搁防护良好，未引 起较大程度破坏;过流通道内，细颗粒泥沙对溢洪道边界破坏较小。说明采用本发明后，能 够保证整个排洪系统的泄流排沙安全。
【主权项】
1. 一种适用于直线型陡槽溢洪道的水沙分离建筑物，其特征在于，包括上游端与来流 溢洪道（1)衔接的集沙池（2)、位于集沙池下游并行设置的过流通道(3)和排沙通道(4)，排 沙通道进口与集沙池平顺衔接，过流通道通过溢流堰(5)与集沙池衔接，所述溢流堰的迎水 面为圆弧面，构成将水流中的大颗粒及散粒体泥沙导入排沙通道的导沙墙(9)，导沙墙圆弧 面的上游端接于过流通道外侧边墙，下游端接于过流通道和排沙通道的隔离边墙，导沙墙 前方的集沙池池底具有倾向于排沙通道进口的坡度。2. 根据权利要求1所述的适用于直线型陡槽溢洪道的水沙分离建筑物，其特征在于，所 述集沙池由池底为陡坡的上游与来流溢洪道衔接的陡坡段和池底为缓坡的下游与过流通 道溢流堰和排沙通道入口衔接的缓坡段构成，所述缓坡段的池底在纵向和横向均具有一定 坡度，所述横向缓坡的坡度方向为过流通道外侧边墙端高，排沙通道外侧边墙端低。3. 根据权利要求2所述的适用于直线型陡槽溢洪道的水沙分离建筑物，其特征在于，所 述陡坡段的池底坡度ii为1:1~1:3,所述缓坡段的池底纵向坡度i 3和横向坡度i2分别为1:5 ~1:10〇4. 根据权利要求1或2或3所述的适用于直线型陡槽溢洪道的水沙分离建筑物，其特征 在于，所述圆弧面导沙墙圆弧面起点A布置于（1/2~2/3)L范围内，L为集沙池缓坡段长度， 其长度为1~2倍水跃长度Lj，所述水跃为水流从来流溢洪道进入集沙池形成的水跃。5. 根据权利要求1或2或3所述的适用于直线型陡槽溢洪道的水沙分离建筑物，其特征 在于，所述集沙池的深度P，采取假设几个不同深度值P'，以水流衔接控制因素作为边界条 件，通过不断试算，选取各边界条件均得到满足且较优的假定值P'作为集沙池的深度P。6. 根据权利要求1或2或3所述的适用于直线型陡槽溢洪道的水沙分离建筑物，其特征 在于，所述排沙通道宽度b2由公式1确定，并调整控制在（1/4~1/3)过流通道宽度B之间，所 述公式1为其中Q?为设计洪水流量，mVhnn为排沙通道量系数;出为 排沙通道前水头，H1 = Z3-Zh; g为重力加速度，9 · 8N/kg。7. 根据权利要求1或2或3所述的适用于直线型陡槽溢洪道的水沙分离建筑物，其特征 在于，圆弧面导沙墙为顶端设计有挡沙反坡的圆弧立面导沙墙。8. 根据权利要求7所述的适用于直线型陡槽溢洪道的水沙分离建筑物，其特征在于，所 述圆弧立面导沙墙的圆弧半径R为（1.5~3)倍排沙通道的宽度h，圆弧角度a为30°~75°。9. 根据权利要求1或2或3所述的适用于直线型陡槽溢洪道的水沙分离建筑物，其特征 在于，所述排沙通道为矩形断面的通道，通道的上方盖板为可拆卸盖板，通过锚粧设置在两 侧通道壁上端。10. 根据权利要求9所述的适用于直线型陡槽溢洪道的水沙分离建筑物，其特征在于， 所述排沙通道的底板由工字钢龙骨和钢板衬砌构成。
【文档编号】E02B8/06GK106013007SQ201610437308
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】马旭东, 聂锐华, 邓军, 刘兴年
【申请人】四川大学