一種水庫清淤管道系統及其布設方法

2023-10-17 22:28:39

專利名稱：一種水庫清淤管道系統及其布設方法
技術領域：
本發明涉及水利工程技術領域。
背景技術：
泥沙隨水流匯集到水庫中形成淤積是ー種普遍現象。為減緩水庫淤積，延長水庫壽命，傳統水庫清淤通常採用清庫排沙、異重流排 沙等水力方法和機泵抽吸、車輛拉運等機械方法。但水力清淤消耗的水資源量巨大，並且不適於三角洲這種水庫淤積的基本形態。機械清淤不僅要消耗大量能源，而且受水面和水深條件的限制，成本高昂，清淤量有限。無論採用何種傳統清淤方法，都不能避免水庫清淤與淤積周而復始的問題。

發明內容
本發明克服現有技術存在的缺點，提出一種水庫清淤管道系統及其布設方法。包括預防性水庫清淤管道系統和恢復性水庫清淤管道系統。其特徵是預防性水庫清淤管道系統由主管道和支管排連接組成，在水庫蓄水前布設。主管道在支管排與水壩之間的河道兩岸坡向下遊布設，下遊端與水壩的壩下涵管連接。支管排橫向布設在水庫預計形成三角洲淤積的回水區下遊段，安裝在橫跨河道的管橋上。從河道中心和兩岸的岸坡分別坡向主管道，通過閥門與主管道連接。支管排由若干條支管並列組成ー個向上遊傾斜的平面，傾斜角度略小於三角洲前坡的水下休止角。各支管的頂部偏向上遊均布排沙孔，排沙孔間距小於或等幹支管間距，相鄰支管的排沙孔交錯布置，支管口徑隨排沙孔的增多向主管道逐段加粗。沿三角洲前坡潛入的推移質隨水流進入排沙孔匯集到主管道，通過壩下涵管排向水庫下遊。從三角洲形成的初始階段即阻斷其推進通道，預防三角洲淤積向水壩推進。恢復性水庫清淤管道系統由主管道、支管道和須管連接組成，採用密度大於水的塑料管，在已經形成淤積的水庫布設。其主管道縱向貫通水庫清淤區域，下遊端與水壩的壩下涵管或水下隧洞連接。支管道相互平行，分段連接於主管道兩側。須管採用柔性塑料管，分段與支管道連接，各須管的長度達到相對和相鄰須管的清淤邊界，並以此確定支管道的間距。須管自由端連接帶偏心配重的金屬吸沙管ロ，偏心配重及相鄰的一段須管底部分布ー排吸沙孔，挾帶泥沙的水流從管口和吸沙孔匯集到管道系統排出。主管道與支管道、支管道與須管的連接點以及須管的自由端，分別連接帶水深標尺的繩索，繩索的另一端連接浮標，繩索的水下長度在浮標一端的水面上可調。浮標以三種顏色和序列編號，連同繩索標尺顯示的水深，在水面上區別顯示各種連接點及其在水下的空間坐標和相互位置關係，通過工作船拉動繩索，牽引移動須管自由端清淤，全面覆蓋清淤區域。水面以下清淤管道系統在陸地上分段預製，在水面上拖航漂浮連接，利用須管管口和吸沙孔逐段為管道系統充水排氣，向上遊逐段下沉至水底，在淤積表面移動須管自由端清淤。淤積表面高出水面的清淤管道系統在淤積表面布設，主管道和支管道的一側開挖管溝至水位以下，將管道置於溝中，從須管管口和吸沙孔為管道系統充水排氣，沉入管溝水底，移動須管自由端抽吸管底和溝邊泥沙，加深和擴展水面，持續清除水庫淤積，恢復和保持水庫庫容。本發明的優點是利用水庫水面與管道系統之間的壓カ勢能，管道系統進ロ與出口之間的位置勢能以及水流動能，匯集挾帶泥沙的水流從水庫下遊排出。達到利用天然能量持續清淤，保持和恢復水庫庫容，解決水庫清淤與淤積周而復始的問題。
具體實施例方式水庫淤積受多種因素影響，推移質與懸移質隨水流速等條件的變化相互轉化，淤積形態複雜多變。下洩水量和水位變化幅度不大的水庫，在回水區形成三角洲淤積的雛形，洲面逐步抬升，前坡向水壩推迸。洩水量和水面升降 幅度較大水庫，三角洲局部突進，泥沙直達水壩而形成錐體淤積。排水量和水面升降幅度更大的水庫形成帶形淤積。在各種淤積形態中，三角洲淤積屬於基本形態。針對水庫淤積的不同形態、過程和階段，水庫清淤分別布設預防性清淤管道系統和恢復性清淤管道系統。I.預防性水庫清淤管道系統及其布設方法預防性水庫清淤管道系統在新建水壩及其截流堰施工前布設。作用是在三角洲形成的初始階段即開始攔截其前坡推移質，阻斷三角洲向水壩推進的通道，在遠離水壩的回水區建立淤積與清淤的相對平衡，預防三角洲淤積向水壩發展。預防性清淤管道系統的主管道宜採用混凝土管道，從與第一道支管排的連接點開始，保持適當坡度沿河道兩岸布設於基礎和管橋上，穿過擬建施工截流堰的位置通向下遊。主管道在新建水壩的壩下涵管建成後改道與其連接。支管排橫向布設在水庫蓄水後預計形成回水區的下遊段，向主管道保持適當坡度，固定在橫跨河道的管橋上。支管排由若干條支管並列組成ー個向上遊傾斜的平面，各支管出ロ安裝閥門連接在主管道兩側。組成支管排的支管數量根據河道水沙情勢確定，但不宜少於6條。朝向河道ー側的支管排延伸至河道中心相対，另ー側延伸至河岸的岸坡。支管排平面向上遊傾斜的角度略小於三角洲前坡的水下休止角。各支管的頂部均勻分布排沙孔，排沙孔略偏向上遊ー側，既便於前坡斜面下滑潛入的泥沙進入，又可避免支管在清淤間歇時被泥沙堵死。各支管的排沙孔間距小於或等幹支管間距，相鄰支管的排沙孔交錯布置。支管口徑隨排沙孔的增多向主管道逐段加粗。在管道系統坡度和管內水流速滿足卵石順利排出的條件下，排沙ロ允許適當粒徑的卵石進入。換言之，排沙孔的大小依據支管坡度和管內水流速對卵石的排出能力確定。為避免排沙孔被更大粒徑的卵石堵塞，孔外安裝防堵杆。支管排長期處於水下受到腐蝕和泥沙磨蝕，宜採用厚壁硬質塑料管或厚壁抗腐蝕鋼管。水壩施工的截流堰蓄水或水壩蓄水的水面升高到支管排時，水流從排沙孔進入，管道系統開始排水。作為水壩施工期間的輔助分流通道，降低截流堰的蓄水深度。蓄水後的回水段形成三角洲淤積的雛形，州面持續淤積抬升，前坡推進主導三角洲淤積的發展，前坡坡面角度為其水下休止角。當前坡面推進到支管排時，沿前坡斜面下滑潛入的推移質隨水流進入支管排沙孔，匯集到主管道排出，管道系統開始清淤。支管排平面以略小於前坡休止角的角度向上遊傾斜，可使各條支管能均衡接觸到前坡潛入的推移質，充分發揮清淤效能。從上面一條支管的排沙孔之間向下漏失的推移質，相繼進入下面各支管交錯布置的排沙孔，支管排平面上的水流絮亂，流動方向在上下支管和左右排沙孔之間反覆變化，部分推移質轉化為懸移質。在位置勢能、壓カ勢能釋放和水流動能的共同作用下，水流挾帶泥沙進入排沙孔，形成漩渦攪動周圍泥沙，提高清淤效果。推移質數量沿支管排平面向下快速減少，形成對前坡潛入推移質有效和充分的攔截，從而阻斷前坡推進通道。三角洲推進受到第一道清淤管排攔截後，淤積形態和發展趨勢明顯改變。前坡水平推進通道被阻斷，但州面仍繼續淤積抬升。由於前坡休止角的存在，州面與前坡的交線隨州面抬升而持續向上遊後退，前坡只能朝上遊單向拉長，前坡上邊緣線與下邊緣線之間的高差持續増大。在汛期高含沙洪水入庫和水庫洩洪等大強度排水條件下，挾帶大量懸移質的水流越過三角洲，進入前坡後由於水深突然増大，水流速和挾沙能力驟然降低，懸移質在前坡及其以下區段形成爆發性集中下沉淤積， 轉化為推移質。在第一道支管排的下遊形成三角洲「第二淤積臺階」。為此，預防性清淤管道系統在預計形成第二臺階區段的下遊布設第二道清淤支管排，攔截第二臺階的推移質。受到兩道支管排的約束，第二臺階只能形成有限抬升，其下遊段已經不存在發生大規模集中沉降淤積的條件。布設兩道支管排便足以使推移質向水壩推進的通道受到有效阻斷。第二道支管排的清淤量比第一道支管排小得多，支管口徑相應縮小。第二臺階推移質的粒徑及其前坡水下休止角明顯偏小，支管排平面向上遊的傾斜角度也相應減小。形成三角洲淤積的推移質絕大部分來自汛期，特別是洪水條件下。對於入庫流量較小而水庫蓄水量需要保持的水庫，支管排與主管道連接的閥門可通過控制塔或潛水作業啟閉，對水庫實施季節性或洪水條件下的間斷性清淤。三角洲向水壩推進的通道被預防性清淤管道系統阻斷，而明流和異重流攜帯的細小泥沙仍會在攔截區至水壩之間形成較均衡的帶形淤積。但淤積進程緩慢，形成明顯或災害性淤積往往需要若干年。對此，可在需要清淤時再根據實際淤積形態布設恢復性清淤管道系統處理。新建水壩為恢復性清淤管道系統預設清淤壩下涵管，並連接的一段長度超過壩前水深的塑料主管道，以備與恢復性清淤管道系統的主管道在水面上連接。2.恢復性水庫清淤管道系統及其布設方法恢復性水庫清淤管道系統用於清除水庫蓄水後形成的各種形態和程度的淤積。管道系統呈樹枝狀分布在清淤區域內，通過須管移動清淤達到對清淤區域的全面覆蓋。恢復性清淤管道系統在布設前先對水庫的水上和水下淤積地貌，以及推移質粒徑分選情況進行勘察。然後確定管道系統的具體布設方案和清淤方案。恢復性清淤管道系統全部採用密度大於水的塑料管，以避免漂浮並抗腐蝕。主管道縱向貫通清淤區域，根據淤積寬度、壩下涵管和水下隧洞條件布設若干條。對於水壩建造時已預設清淤壩下涵管和一段塑料主管道的，直接在水面上與其連接。否則可利用水庫洩水清庫條件，將清淤管道系統與原有壩下涵管或水下隧洞連接。對於主管道不能從壩下通過的小型水庫，可採用虹吸管路跨越壩頂通向下遊。主管道兩側分段橫向或略向上遊斜向連接相互平行的支管道，主管道的口徑向上遊隨支管道接入數量的減少逐段縮小。支管道的管頂、兩側和末梢分段連接須管，支管道的口徑向主管道隨須管接入量的增多逐段増大。通過管道系統過水斷面匹配，保證管道系統都能滿管輸水，保持對須管清淤的抽吸負壓。須管採用便於牽引移動的柔性塑料管，口徑宜在DN60左右，長度以移動其自由端能達到相對和相鄰須管的清淤邊界，形成對清淤區域的全面覆蓋，並由此確定支管道間距。須管如章魚的觸鬚，可以經牽引而任意伸展、收攏、平移、升降。須管的自由端連接帶偏心配重的金屬管ロ，偏心配重和與其靠近的一段須管底部分布若干吸沙孔，如章魚觸鬚的吸盤。須管及其自由端的水下移動通過工作船拉動浮標繩索牽引，水面以上的淤積表面直接由人工牽引。在以與支管道的連接點為中心，以須管長度為半徑的圓形或半圓形範圍內清淤。為防止管口和吸沙孔吸附卵石堵塞，其口外安裝防堵杆。主管道與支管道的連接點、支管道與須管的連接點以及須管自由端，分別連接帶水深標尺的繩索，繩索的另一端連接浮標 ，繩索水下長度在浮標一端的水面上可調。浮標以三種不同顔色和序列編號在水面上區別顯示ニ種連接點和須管自由端。根據浮標位置和繩索標尺顯示的水深，確定各點的水下空間坐標及相互位置關係。水庫淤積在不同階段和區段呈現明顯不同的特徵，三角洲在向水壩推進的同時表面抬升翹尾而逐漸高出水面，水上淤積範圍持續向水壩擴展，使水面不斷退縮，直至消失。恢復性清淤管道系統針對水庫存在水面以下淤積和水面以上淤積兩種情況，採用ニ種不同的布設和清淤方法。水下部分的清淤管道系統在陸地上分段預製，在主管道和支管道連接點的底部加裝混凝土配重，用以保持各點的水下位置和姿態。將須管附在支管道的頂部，將繩索和不同顔色、系列編號的浮標分別系在各連接點。然後將分段預製的管道在水面上拖航漂浮連接，形成管道系統。關閉主管道出口，向上遊陸續將須管自由端置入水中，通過管口和吸沙孔為管道系統充水排氣，使其逐段下沉到庫底就位。通過工作船和岸邊觀測，記錄浮標顯示的各點位置及繩索標尺顯示的水深，連同水面高程折算成各點的水下空間坐標，繪製管道系統不同時段的空間坐標圖、須管移動清淤軌跡圖等，並據此安排各須管的後續移動清淤路線。乘工作船拉動浮標繩索牽引須管自由端分別到預定位置，打開主管道出口，管道系統排水啟動。須管置於庫底淤積表面，在壓力勢能和位置勢能的共同作用下，水流挾帶泥沙由須管管口和吸沙ロ匯集到管道系統從水壩下遊排出，管道系統開始清淤。須管分布在水底如章魚的觸鬚平鋪在淤積表面，管ロ配重和吸沙孔向下，繩索系點向上。管ロ配重的吸沙孔抽吸底部泥沙率先沉入淤積層，並帶動管口和吸沙孔貼附在淤積表面抽吸。水流進入須管形成漩渦攪動泥沙，形成漏鬥形凹坑並不斷加深和擴展。底部帶有吸沙孔的一段須管在偏心配重管ロ的帶動下向下彎曲，管口和吸沙孔貼附在坑底和坑壁上抽吸泥沙，凹坑在加深和擴展的同時向管ロ的反方向發展，形成溝狀凹坑。通過工作船對須管自由端的牽引調整和浮標在風浪條件下的漂浮拉動，逐步形成對清淤區域的全面覆蓋。使清淤管道和淤積表面均衡降低。水庫淤積表面穩定高出水面，或水庫水位較低時高出水面的三角洲洲面,其清淤管道系統直接在淤積表面布設。然後在主管道和支管道的一側開挖管溝至水位以下，將主管道和支管道置於溝中，與下遊的清淤主管道連接。系好繩索和浮標，關閉主管道出ロ，將連接於支管道兩側和末梢的須管置於水中，為管道系統充水排氣，管道沉入水底。打開主管道出ロ，啟動清淤管道系統，須管自由端與主管道出ロ之間的位置勢能釋放，形成對須管自由端的抽吸負壓，人工牽引須管自由端在淤積表面移動，抽吸主管道和支管道的管底泥沙，使其保持適當坡度下沉。同時抽吸溝邊泥沙，擴展管溝和水面面積，使高於水面的淤積區域降至水面以下，然後進入水下清淤程序。
在淤積表面大大高出水面，導致管溝過深而難以實施清淤的區段，可以導引河道徑流或汛期地表水進入管溝實施清淤。對於水上淤積範圍很大的舊水庫，管道系統很難做到一次全面覆蓋。可以採取橫向分段布設，分段清淤，向上遊持續推進的方式進行。水庫能利用洩水清庫條件布設預防性清淤管道系統的，原水下淤積區段可在清庫後參照水上部分的清淤管道系統布設方法布設。
水庫淤積的推移質受水流分選的作用，向上遊逐步粗化。恢復性清淤管道系統向上遊達到粒徑偏大的卵石淤積區段之後，須管便不能再進行清淤。恢復性清淤管道系統布設只能止於這類區段，在保留的清淤邊界形成人造三角洲前坡。水庫恢復性清淤完成後，利用清庫條件在人造前坡的下遊段布設預防性清淤管道系統，攔截上遊推移質，改變原來的淤積趨勢和形態，阻斷其重新向水壩推進的通道，。與恢復性清淤管道系統一道永久置於庫底，利用天然能量持續清淤，解決水庫清淤與淤積周而復始的問題，保持水庫庫容。
權利要求
1.一種預防性水庫清淤管道系統及其布設方法，其特徵是由主管道和支管排連接組成，在水庫蓄水前布設。主管道在支管排與水壩之間沿河道兩岸坡向下遊布設，下遊端與水壩的壩下涵管連接；支管排橫向布設在水庫預計形成三角洲淤積的回水區下遊段，安裝在橫跨河道的管橋上，從河道中心線和兩岸的岸坡分別坡向主管道，通過閥門與主管道連接；支管排由若干條支管並列組成一個向上遊傾斜的平面，傾斜角度略小於三角洲前坡的水下休止角；各支管的頂部偏向上遊均布排沙孔，排沙孔間距小於或等於支管間距，相鄰支管的排沙孔交錯布置，支管口徑隨排沙孔的增多向主管道逐段加粗；沿三角洲前坡潛入的推移質隨水流進入排沙孔匯集到主管道，通過壩下涵管排向水庫下遊，預防三角洲淤積向水壩推進。
2.一種恢復性水庫清淤管道系統及其布設方法，其特徵是由主管道、支管道和須管連接組成，採用密度大於水的塑料管，在已經形成淤積的水庫布設；主管道縱向貫通水庫清淤區域，下遊端與水壩的壩下涵管或水下隧洞連接；支管道相互平行，分段連接於主管道兩偵h須管採用柔性塑料管，分段與支管道連接，各須管的長度達到相對和相鄰須管的清淤邊 界，並以此確定支管道的間距；須管自由端連接帶偏心配重的金屬吸沙管口，偏心配重及相鄰的一段須管底部分布一排吸沙孔，挾帶泥沙的水流從管口和吸沙孔匯集到管道系統排出；主管道與支管道、支管道與須管的連接點以及須管的自由端，分別連接帶水深標尺的繩索，繩索的另一端連接浮標，繩索水下長度在浮標一端的水面上可調；浮標以三種顏色和序列編號，連同繩索標尺顯示的水深，在水面上區別顯示各種連接點及其在水下的空間坐標和相互位置關係，通過工作船拉動繩索，牽引移動須管自由端清淤，全面覆蓋水庫清淤區域；水面以下清淤管道系統在陸地上分段預製，在水面上拖航漂浮連接，利用須管管口和吸沙孔逐段為管道系統充水排氣，向上遊逐段下沉至水底，在淤積表面移動須管自由端清淤；淤積表面高出水面的清淤管道系統在淤積表面布設，主管道和支管道的一側開挖管溝至水位以下，將管道置於溝中，從須管管口和吸沙孔為管道系統充水排氣，沉入管溝水底，移動須管自由端抽吸管底和溝邊泥沙，加深和擴展水面，持續清除水庫淤積，恢復和保持水庫庫容。
全文摘要
本發明公開了一種水庫清淤管道系統及其布設方法，屬於水利工程技術領域。其特徵是根據水庫淤積的不同階段和形態，布設預防性清淤管道系統和恢復性清淤管道系統。預防性管道系統由主管道和支管排組成，在水庫蓄水前布設。主管道布設在河道兩岸，下遊端與水壩壩下涵管連接。支管排橫向布設在形成三角洲的回水段，支管均布排沙孔攔截三角洲前坡泥沙排出，預防三角洲推進。恢復性清淤管道在形成淤積的水庫布設，由貫通淤積區域，下遊端與壩下涵管或水下隧洞連接的主管道，橫向連接於主管道的支管道和連接於支管道的須管組成。須管管口和吸沙孔移動清淤，覆蓋清淤區域。水下清淤管道系統在陸地上分段預製，拖航漂浮連接，水上清淤管道系統在淤積表面的管溝中布設，充水排氣沉入庫底和溝底清淤，恢復水庫庫容。
文檔編號E02B3/02GK102767155SQ20121027992
公開日2012年11月7日 申請日期2012年8月8日 優先權日2012年8月8日
發明者馬向前 申請人:馬向前