砥墩式堰

暂无

本发明涉及一种拦河坝或堰的结构，尤其是溢洪道的消能设备。\n急流中的渠道工程一直是令人头痛而不易解决的问题。当河流水流湍急、流况不稳定时，极易导致河川改道，甚至冲毁拦河堰或淘刷河床。在这种情况下，往往会导致水头无法提高，造成导水灌溉的困难，严重时会使引水灌溉陷于停顿。为了提高河床因冲刷淘深的水位，习惯的作法是往被冲刷的河床处抛填“笱”勉强提高水位而获得引灌。但时隔不久，另一次洪水来临后，前功尽弃，破坏无遗。施工难度也比较大，效果不佳。笱的材料费与工费也比较昂贵。\n苏联专利SU889785利用排列呈方格状的许多消能块来解决上述问题，这种消能块迎水流方向端开口，背面竖立侧墙，底面用销钉楔入河床。这种结构由于是单个消能块面对水流，虽然从整体看多个消能块交错排列，对于减弱涡流是有作用的，但在一些水流湍急的河流，在使用的有效性上仍然存在一些疑问，从施工的角度来看，向河床底部楔入销钉也有一定的难度。\n本发明的目的是提出一种活动堰与固定拦河堰结合的砥墩式堰来拦截河流中的水将其引导进入灌溉渠。经受洪水时水流稳定，拦河堰稳定无恙，对洪水具有足够的抵抗滑移与抗倾复安全系数;且可稳定取水灌溉节省维修费用。\n本发明是这样实现的：包括排列成行的消能块1、设置于河川某段的排沙闸4，混凝土消能块呈2-4排排列，按照水流方向，每排混凝土消能块1的堰顶高度从上游至下游逐步递减形成阶梯状，每一混凝土消能块1之间纵横向均设钢筋2联结，每排消能块的排消闸4均设于同一位置。上排消能块至下排消能块的堰顶高差为25-50cm。连接消能块的钢筋直径25mm。位于上游的首排消能块1的前端设置干砌石块护坡6。每一块混凝土消能块的顶部，堆砌矩形石块3或多个废弃轮胎。\n本发明具有下述特点：\n1.砥墩式堰施工简易低廉，实用价值高。\n2.消能块的纵横向均有φ25的钢筋连接，形成整体拦河堰结构，同时又具有抗弯性，如果其中某一个消能块倾复，不会影响另一块消能块开裂破坏。\n3.消能块的摩擦阻力可以互相传递，增加了抗滑安全系数。\n4.各消能块之间由于钢筋的作用，使底面积增大，从而也增加了抵抗倾复的安全系数。\n5.阶梯式消能块结构能有效地防止拦河堰前端消能块的淘刷现象。这是因为混凝土消能块之间留有间隙，因水流的回流作用而使水相互冲击而抵消能量，因此可避免淘沙作用。\n6.节省施工费用与维修费用。这是因为若有部伤损坏，可以随时逐一修补，若消能块的表面经年累月而有磨损时也可在原址重新灌制。\n图1A为高150cm的矩形角锥笱平面示意图。\nB为短形角锥笱侧面示意图。\n图2A为圆柱形笱侧面示意图。\nB为圆柱形笱底面图。\n图3为固定堰侧视图。\n图4为砥墩式堰侧视图。\n图5为浮式基础的抵墩式堰受力分析图。\n图6为基础埋入式砥墩式堰受力分析图。\n图7为本发明承受砾石冲击受力分析图。\n图8为平顶式砥墩式堰侧视图。\n图9为阶梯式砥墩式堰侧视图。\n图10为砥墩式堰使用实施例。\n现结合附图进一步叙述本发明的结构实施例与可行性：\n参见图1～4：采用竹编或树枝编制笱，形状有四面角锥形或圆柱形，内填石块，抛填于被冲刷的河道中，施工容易，不耐撞击。固定堰一般按完全截水的要求，多为混凝土堰，耐久性高，挡水效果好，但由于这种固定堰是刚性结构，如地基强度不够或处理不当，常易造成危险，局部损坏不易修复，造价也比较昂贵。还有一种活动堰，这种结构类型适用于溢流水深过大或河床流动杂质过多的状况，采用固定堰可能埋没或堵塞进水口时，多采用活动堰。本发明的砥墩式堰同时兼有固定堰与活动堰的特点，将消能块之间以钢筋连接，一般采用横向三排式或四排式，遇到洪水时，洪水可以冲掉连接钢筋处或堰顶的堆砌物。\n参见图6：砥墩式堰作用力的计算公式如下：混凝土消能块采用2m×2m×2m，砥墩式堰埋入河床1米，处于饱和状态。\n设堰顶水深H3＝50cm\n水的容重Wo＝1000kg/m3\n混凝土容重r＝2.4T/m3\n石料容重r石＝2.6T/m3\n水流冲击力F1＝ (WOQ)/(g) V V为流\n速、Q为流量）……（1）\n静水压力F2＝ 1/2 W（H22-H21）……（2）\n土压力（按Rankine公式）\nP＝1/2（W1-Wo）CoH2……（3）\n式中：W1-淤沙单位容重＝1.8T/m3\nWo-水的单位容重＝1T/m3\nCo-土压系数＝0.4～0.5\nHo＝淤沙高度\n摩擦系数f＝0.4（混凝土与砂）\n一.浮式基础\n浮力pu＝1/2WoH2L……（4）\n上浮摩擦力pf＝f（Wo-Pu）……（5）\n水冲击力F1＝ (WO)/(g) QV\n= (HBWo)/(g) V2……（6）\n水静压力F2＝1/2Wo（H2-H1）……（7）\n着力点距离X＝ 1/3 H· (H2+2H1)/(H2+H2) ……（8）\n滑动安全系数\n$\mathrm{n\; =}\frac{{\mathrm{f\; (W}}_o\mathrm{-pu)}}{\mathrm{F1+F2}}=\frac{\mathrm{6680}}{\mathrm{4836.7}}\mathrm{=1.37\; \dots \dots (9)}$\n倾复安全系数\n$K_o=\frac{W_o}{{\mathrm{pu\; \times \; 4/3+\; F}}_3\mathrm{\times \; 0.78+\; F2\; \times \; 1}}$\n=2.41……（10）\n二.埋入式基础：\n滑动安全系数\nn＝ (f(Wo-pu-p'u))/(F3+F2+F1-F4) ＝ 5760/3492 ＝1.65\n倾复安全系数\n$K_o=\frac{W_o\mathrm{x\; +\; Pe\; \times \; 2/3\; +F\; 2\; \times \; 0.22}}{\mathrm{F\; 1\; \times \; 0.5\; +\; F\; 4\; \times \; 0.31\; +\; pu＇\; \times \; 4/3\; +\; p＇\; u\; \times \; 2/3}}$\n＝ 19994/6452.9 ＝3.09\n三.砾石所受冲击力\n根据牛顿公式，作用于砾石的力\n$F_{\omega }\mathrm{=\; CA}{}_{\mathrm{CD}}\frac{V^2{}_{石}}{\mathrm{2g}}\mathrm{\dots \dots (11)}$\n式中：C-经验系数＝0.53\nA-垂直水流方向的砾石面积\nω-水的单位容重\nV石-砾石体积\ng-重力加速度\n砾石在水中重\nW石＝（d-Wo）V石……（12）\n式中：d-砾石的比重\n砾石在河床向下移动的条件\nFω+W石sinα＞fW石cosα……（13）\n(CW)/(2g) AV2＞（d-Wo）V（fcosα\n-sinα）……（14）\n砾石长轴为a，中轴为b，短轴为c\nV石＝ 4/3 π (a+b+c)/8 A＝π· (ac)/4\na为平行水流方向的轴，c为与水流方向垂直的轴\n$\mathrm{V=}\sqrt{\frac{{\mathrm{\beta \; b(d-W}}_o\mathrm{)\; (\; fcosa\; -\; sina)}}{W_o}}\mathrm{\dots \dots (15)}$\n式中：V-水流速度，β (4g)/(3c) （为常数）\n若砾石直径为1米，则V＝4.87m/sec，也即使直径1米的砾石移动的水流速度为4.87m/sec\n若消能块之体积为2m×2m×2m，则能搬动上述消能块的水流速度为V＝12m/sec。从而可以根据水流流速，以及抵抗倾复，滑移的安全程度设计消能块的尺寸。\n参见图8～9：平顶式砥墩堰对水流的消能作用弱于阶梯形砥墩堰，其前端消能块有淘沙的状况。阶梯式消能块的每排高差相差25～50cm，顺水流方向逐步减低。阶梯形砥墩堰在堰顶处有高差，水流形成多处涡流，抵消水流方向的能量。这种类型能有效地减少前端消能块的淘刷现象。\n混凝土消能块1在河床就地灌注，可以埋入河床下一定深度。在混凝土消能块堰顶设置干砌块石层或废弃轮胎是为了进一步消除能量。如果该干砌块石层或废弃轮胎不能抵御水流冲刷，立即被河水冲走，但不会影响堰的基础以及消能块的本身结构。纵横向消能块1之间用φ25mm钢筋2连接。埋置于混凝土消能块内的埋置处周围需设构造钢筋。\n参见图10：由二排消能块，排砂闸4，组成阶梯式砥墩堰，排沙闸的闸门采取单闸式能更加有效地防止泥土等杂物的淤积。在打开排沙闸时，最好在水位刚退的瞬间。\n若上游接近砥墩堰的5处有淤积而使河床垫高的现象出现，只需要在5处用挖土机挖出一水道即可引水入渠而省掉加高引水坝的费用。