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喀斯特地区“断尾”山洪沟治理关键技术
——拦污栅设计

2021-09-11尹亚敏秦钰超彭尔瑞范春梅

中国农业文摘-农业工程 2021年5期
关键词:断尾过流水头

尹亚敏,秦钰超,彭尔瑞,范春梅

(云南家业大学水利学院,云南昆明 650201)

山区、半山区在荒山秃岭、山坡植被破坏地区,暴雨以后径流很快大量集中,造成山坡冲刷、水土流失,造成严重危害。治理山洪必须从分析形成山洪的原因着手,因地制宜进行整治,多年治理实践证明,采取综合治理措施,效果明显。综合治理措施是以植物措施与工程措施结合的方法,即治本和治标相结合。植物措施主要是植树造林和合理耕种以延缓径流和分散径流的集中,减少雨水对土壤的侵蚀;工程措施主要是进行沟头防护,修筑谷坊、塘坝、跌水、排洪渠道和堤防等构筑物治理山洪沟,免除山洪对下游的灾害[1]。目前对溶洞的发育、地质构造、裂隙地下水等研究较多,但对断尾沟尾部落水洞的过流能力及防污措施的研究并不多。本文以丘北县平坦“断尾”山洪沟为例,重点分析研究“断尾”山洪沟落水洞的拦污措施。

1 平坦“断尾”山洪沟基本情况及存在的问题

1.1 平坦“断尾”山洪沟情况

平坦山洪沟位于云南省文山壮族苗族自治州丘北县,东经103°34′-104°45′、北纬23°45′-24°28′之间。平坦河总长约19.8km,流域面积75.4 km2,属珠江流域西江水系清水江一级支流凤尾河的左岸支流,发源于丘北县双龙营镇雄山村民委员会大麻塘村,流经丘北县云龙、普格、栗松、戈衣、纳塞、绿湾、瓦窑、平坦,在平坦进入落水洞群,经长马山约3km后出露,汇入凤尾河。由于水量进入落水洞群,平坦河在平坦坝子形成断尾沟。

沿河灌溉面积5 200亩,保护人口2 115人。河床较平缓,淤积严重,水灾频繁。河床坡降29.9‰。

1.2 平坦“断尾”山洪沟存在的问题

目前平坦山洪沟两岸基本为土堤,起到了一定的防护作用,但河堤不同程度存在低矮、残破、单薄等情况,特别是汛期经常漫堤、决堤,造成两岸洪涝灾害,主要问题有:

(1)多年失修,河道整治投入不足,未能完全形成有效、完善的防洪体系;

(2)落水洞没有完全连通,是造成行洪不畅导致成灾的重要原因;

(3)沿河两岸堤防、堤身均不满足行洪要求,河堤虽经多年冲刷拉槽扩宽,但部分河道行洪断面仍不足,严重阻水;

(4)堤脚因河洪水冲刷导致淘脚严重;

(5)河道沿岸出现多处河岸滑坡,严重影响行洪时的堤防安全;

(6)两岸村民防洪减灾意识薄弱,部分居民在河堤上种地、建房侵占河道,沿河倾倒垃圾等,这些因素影响山洪沟的泄洪能力。

1.3 落水洞的分布及相关参数

(1)落水洞的分布及特性

平坦山洪沟末端无天然泄洪通道,落水洞为平坦山洪沟主要泄洪通道。

平坦山洪沟工程区末端(K6+590-K7+981)喀斯特地貌发育,沿线有7个大小不同的落水洞,其中K7+981处是7号落水洞起点,K8+221是7号落水洞终点,7号大落洞存在不同程度塌陷和较大淤积阻塞;K7+445-K7+981处无天然沟道;现状落洞及现有沟道淤积严重。各落水洞的位置分布、形状大小、特性见表1。

表1 各落水洞特性表

(2)落水洞的特点

落水洞作为岩溶垂直发育阶段的产物,是岩溶含水介质内主要的集水区域和过流通道[2-3]。其在形成的初始阶段,侵蚀作用以沿垂直裂隙的溶蚀为主。当孔洞扩大以后,补给强度很大时,大量地表水流集中汇入落水洞,水流所携带的大量泥沙石砾不断对洞壁四周进行磨蚀,同时还会伴随着岩体的崩塌,使落水洞迅速扩大[4]。相比落水洞的扩大速度,岩溶裂隙和地下河因受地下水流的溶蚀所引起的尺寸改变可忽略。落水洞除起着汇水和输水作用外,在补给强度很大的情况下,落水洞内很可能来不及消水,水位壅高[5],这时落水洞还起着储水作用。丘北县平坦“断尾”山洪沟,由于末端落水洞排泄洪水有限、淤积物堵塞、里程7+445-7+981(536m)段,现状无天然沟槽,所以导致平坦山洪沟经常出现洪涝灾害。通过实地现场查勘及走访,发现在汛期(2年一遇洪水),高程1 343.50以下的耕地均会被淹没,淹没范围为271亩,水深在0.2-1.22m之间;历史上(10年一遇洪水),最大淹没范围达到393亩,淹没高程为1 345.50m,比瓦窑村最低居民房(1 344.05m)高出1.45m,淹没水深在0.58-3.22m之间。

1.4 落水洞泄洪情况

(1)落水洞的过流能力估算

结合实地调查,当设计断面发生常遇洪水时,落洞泄洪正常,不会造成治理沟道末端的封闭区域发生淹水现象,根据推求的设计洪峰流量成果,当发生2年一遇洪水时,即常遇洪水,6+628.3断面洪峰流量23.6m3/s,洪水经落洞完全排出,因此1-6号落水洞之间的落水能力为23.6m3/s。但6个落水洞的周长、平均直径、平均水深、平均深度大小不等,因此其泄流能力也不可能相等。以1-6号落水洞的泄流能力为23.6m3/s为依据,运用熵权法分析各落水洞的泄洪能力流量Q见表2。

表2 各落水洞流量计算表(单位m³/s)

(2)年各断面洪水洪峰流量

平坦山洪沟无实测水文资料,平坦山洪沟水文计算运用“地区综合法”和“实地洪水调查法”推求不同频率的洪峰流量。将以上两种方法计算得到的各控制断面P=10%设计洪水进行合理性分析。地区综合法设计洪水与实地调查法设计洪水两者相差1.89%-10.2%。

实地调查法根据对治理河道实地查勘测量结果,以常遇洪水计算作为基础,结合历史调查洪水,分析出治理沟段各控制断面设计洪水成果,虽然存在一定的误差,但比较符合实际,尤其针对无实测资料地区,其成果更符合流域实际情况,因此,将实地调查法计算成果作为本阶段设计洪水成果。

(3)治理后1-7号落水洞的相关参数

山洪沟治理后各落水洞的相关参数见表4。

表3 治理段设计洪峰流量成果表(实地调查法)

表4 山洪沟治理后各落水洞参数

2 治理关键技术

2.1 落水洞的拦污栅设计

(1)拦污栅设置位置

拦污栅设置在引水道进口处,主要用于拦阻水流夹带的污物[2],如水草、树枝、枯叶子、木块、垃圾、死畜等进入河道,以保护下游的构筑和建筑物不受损害,正常运行。由于平坦山洪沟的拦污栅是落水洞前拦污,无规范和相关资料,参照水电站拦污栅设置。拦污栅通常是倾斜放置,其优点是过水面积大,易于清污,而水电站坝式进水口的拦污栅多呈垂直布置[3]。平坦断尾山洪沟的拦污栅采用垂直布置,设置在落水洞前,防止污物进入落水洞,影响落水洞行洪。

(2)拦污栅的构造

拦污栅的栅条宽度和厚度由强度计算确定[3]。拦污栅的构造是由直立的栅条连接而成的栅面,栅面四周镶有角钢或槽钢,栅条的连接有螺栓联接和焊接两种,栅片无支承,长度不应超过厚度的70倍,栅条的间距一般75-200mm[4],每块栅面宽度不超过2.5m,高度不超过4m[3]。平坦断尾山洪沟的拦污栅栅条之间的间距为100mm;由于栅条截面形状为圆形的拦污栅水头损失最小,栅后形成的流速梯度较小,沿着水流流向水流过渡最平缓[5],因此,平坦山洪沟落水洞拦污栅栅条截面形状为圆形,采用Φ25-32的钢筋做栅条;栅条与四周角钢框连接采用焊接,角钢尺寸80mm×80mm×10mm,平坦断尾山洪沟拦污栅高度小于5m,采用人工清污。构造见图1。

图1 拦污栅构造图

(3)各落水洞拦污栅栅面尺度的确定

根据实际情况及拦污栅结构计算确定各落水洞拦污栅栅面尺寸,相关参数见表5;当过栅流速为1.0m/s时,各落水洞拦污栅净过水断面面积见表5。

从表4、表5可看出,拦污栅总宽与落水洞平均直径的比值分别为:0.400-0.591,因此落水洞设置拦污栅时,其设计宽度应小于0.6倍落水洞平均直径。

表5 拦污栅特性表

2.2 拦污栅稳定计算

(1)拦污栅的结构荷载

拦污栅栅条的上下两端支承在横梁上,栅条可视为简支梁,设计荷载决定后不难算出所需要的栅条面积,栅条的荷载传给横梁,横梁受均布荷载。根据横梁、支柱、坝体等构件的相互支承关系,选择合理的方法计算内力,进行结构计算[6];结构计算时,拦污栅上的荷载,除自重外,还应包括堵塞情况下的栅前栅后的水位差,一般可取2-4m的均匀水压力[7],此次计算取4m。

(2)拦污栅栅条稳定计算

对于长方形的截面的栅条,当验算其整体稳定性时,其临界荷载分别按照(1)-(2)计算[6],计算结果见表6。

表6 拦污栅栅条稳定计算表

式中PL--栅条整体稳定的临界荷载

PL≥kql(2)

q--栅条单位长度上的荷载,N/mm;

l--栅条的跨度,mm;

E--钢材的弹性模量N/mm2;

G--钢材的剪切模量N/mm2;

Iy--栅条截面y轴惯性矩,mm4,;

Id--栅条截面的抗扭惯性矩,mm4,;

h--栅条截面高度,mm;

t--栅条截面厚度,mm;

k--整体稳定安全系数,取值为2.0。

从表6可以看出,各落水洞的拦污栅栅条的稳定安全系数k值为2.07-3.03之间,均大于整体稳定安全系数k=2.0,拦污栅栅条是稳定的;另外栅条的承载力值为2 352.53-5 612.22N,均小于栅条临界荷载PL值7 868.53-11 589.54N,因此拦污栅栅条满足稳定要求。

2.3 拦污栅过流能力复核

拦污栅的水头损失计算

拦污栅的水头损失[3]按下式进行计算

式中:S--栅条厚度,取25-32mm;

b--栅条净距,取100mm;

α--拦污栅倾角,取900;

β--与栅条断面形状有关的水头损失系数,取1.79;

Vz--允许过栅流速,取1m/s;

经计算,水头损失为0.019-0.027m。

(2)拦污栅的养护与清污

拦污栅栅条(钢筋)应做防锈处理,运行几年后(最多3年),需要做一次防锈处理。因为拦污栅栅条经多年运行锈蚀变粗[8],局部水头损失会增大,将影响落水洞的行洪;拦污栅堵塞后,其对水流的阻力要比本身锈蚀对水流的阻力大得多,局部水头损失随堵塞率的增加而急剧加大[8],拦污栅应定期清污,特别是汛期应及时清污,确保满足落水洞的行洪要求。

(3)采用多孔有坎宽顶堰计算拦污栅过流能力

把拦污栅看成多孔堰,则侧收缩系数及过流量[6]按(4)和(5)进行计算,结果见表7。

表7 各落水洞拦污栅过流能力复核

式中:ε1--侧收缩系数;

Ka--边墩形状系数,取0.10;

Kp--中墩形状系数(H0/Hd=0.99),取0.012;

H0--堰顶全水头(m);

n--堰孔数;

b'--堰宽(m);

m--流量系数,取0.34。

从表7可看出,1-7号落水洞拦污栅的过流能力为3.63-32.78m³/s,P=10%时各落水洞的下泄流量值为2.92-28.2m³/s,经复核,1-7号落水洞拦污栅的过流能力均大于P=10%时各落水洞的下泄流量,满足行洪要求。

3 结论

(1)落水洞拦污栅的宽度小于0.6倍落水洞平均直径;

(2)经过拦污栅栅条稳定计算,落水洞拦污栅栅条稳定安全系数在2.07-3.03之间,均大于拦污栅整体稳定安全系数2.0;

(3)落水洞拦污栅的过流能力参照多孔有坎宽顶堰进行计算,各落水洞均满足P=10%时的行洪要求。

(4)拦污栅栅条(钢筋)应做防锈处理,运行几年后(最多3年),需要做一次防锈处理,否则将影响落水洞的行洪能力;拦污栅堵塞后,其对水流的阻力要比本身锈蚀对水流的阻力大得多,局部水头损失随堵塞率的增加而急剧加大[8],拦污栅应定期清污,特别是汛期应及时清污,确保满足落水洞的行洪要求。

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