一种散粒体型式生态堰坝的建立方法与流程

1.本发明属于生态堰坝领域，具体涉及一种散粒体型式生态堰坝的建立方法。


背景技术：

2.堰坝是修筑在内河上进行蓄水的一种壅水建筑物，传统的堰坝多以实心混凝土为主，可以满足引水灌溉等作用。近年来，随着水利工程建设的不断发展，逐步出现了干砌块石堰、浆砌块石堰、圬工硬壳堰、堆石堰、拱形堰、活动堰和橡胶坝等满足不同需求的堰坝，但堰坝对于河道纵向连通性的阻隔问题依旧没有得到有效的解决。
3.在“幸福河”建设理念深入人心的当下，尽可能的解决堰坝对于河道纵向连通性阻隔的问题，减少堰坝对于河流原貌的改变和生物的影响是当务之急。
4.鉴于此，提出本发明。


技术实现要素：

5.本发明为解决上述现有技术所存在的技术问题，提供一种散粒体型式生态堰坝的建立方法。
6.为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
7.一种散粒体型式生态堰坝的建立方法，包括如下步骤：
8.(1)选取5种均匀颗粒的粒径分别建立5座坝顶高度为2m，迎水面坡比为1:1，背水面的坡比为1:3的堰坝，测得5座堰坝的等效球体粒径d和等效球体重量g，并在流水线上的不同位置测取水深；
9.(2)在5座堰坝的相同位置测得抗冲流速v和单宽流量q；
10.(3)根据测得的等效粒径d和抗冲流速v拟合公式d＝0.232e
0.482ν
；
11.(4)根据测得的等效球体体重量g和单宽流量q拟合公式g＝16.203e
0.770q
；
12.(5)工程师在建立堰坝时，可以根据水流的流速和单宽流量计算出等效球体粒径和等效球体体重，最终确定出所需要选取的均匀颗粒粒径大小；根据水深和水流流速来确定均匀颗粒的粒径和坡比或非均匀颗粒的坡比；
13.所述散粒体型式生态堰坝包括坝顶、迎水面和背水面，所述坝顶、迎水面和背水面均由均匀颗粒或非均匀颗粒组成，所述均匀颗粒或非均匀颗粒之间存在缝隙，所述迎水面的坡比为1:1，所述背水面的坡比为1:3-5。
14.所述均匀颗粒的粒径为20-40cm、40-60cm、40-80cm、60-100cm和80-120cm中的一种。
15.所述非均匀颗粒包括粗颗粒块石，中颗粒块石和细颗粒块石。
16.所述细颗粒块石的粒径为20-40cm，所述中颗粒块石的粒径为60-100cm，所述粗颗粒块石的粒径为80-120cm。
17.所述细颗粒块石、中颗粒块石和粗颗粒块石之间的配比为2:1:3。
18.所述坝顶的高度为1-2m。
19.本发明的有益效果：
20.(1)本发明散粒体堰坝采用不同级配(粒径)的石块颗粒构筑坝体，可以形成一定的壅水，满足堰坝的蓄水功能，又不完全阻断河道的纵向连通性，水流可以通过块石间隙流向河道下游，不切断鱼类等水生动物的洄游通道；
21.(2)散粒体堰坝制作简单，取材方便，大颗粒块石(80-120cm)可从河道上游获得，中小颗粒块石(20-80cm)可从河道中下游获得，减少了混凝土坝的浇筑成本和运输成本；
22.(3)散粒体堰坝在洪水期间尤其是大洪水时期，可以减轻河道的防洪压力，当洪水流量达到临界破坏值后，堰坝会逐渐破坏直至解体，从而消除堰坝壅水对于河道行洪的影响，减轻防洪压力。
附图说明
23.图1为实施例10中一种散粒体型式生态堰坝的结构示意图一；
24.图2为实施例10中一种散粒体型式生态堰坝的结构示意图二；
25.图3为实施例2中等效粒径d与流速ν拟合关系曲线图；
26.图4为实施例2中等效重量g与单宽流量q拟合关系曲线图；
27.图5为实施例4工况1中沿程水面线的折线图；
28.图6为实施例4工况1中沿程断面平均流速分布折线图；
29.图7为实施例5工况2中沿程水面线的折线图；
30.图8为实施例5工况2中沿程断面平均流速分布折线图；
31.图9为实施例6工况3中沿程水面线的折线图；
32.图10为实施例6工况3中沿程断面平均流速分布折线图；
33.图11为实施例7工况4中沿程水面线的折线图；
34.图12为实施例7工况4中沿程断面平均流速分布折线图；
35.图13为实施例8工况5中沿程水面线的折线图；
36.图14为实施例8工况5中沿程断面平均流速分布折线图；
37.图15为实施例9工况6中沿程水面线的折线图；
38.图16为实施例9工况6中沿程断面平均流速分布折线图；
39.图17为实施例4-实施例11中堰坝测量位置示意图；
40.其中标号：1为迎水面，2为坝顶，3为背水面，4为粗颗粒块石，5为中颗粒块石，6为细颗粒块石，7为河床。
具体实施方式
41.下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
42.一种散粒体型式生态堰坝的建立方法，包括如下步骤：
43.(1)选取5种均匀颗粒的粒径分别建立5座坝顶高度为2m，迎水面坡比为1:1，背水面的坡比为1:3的堰坝，测得5座堰坝的等效球体粒径d和等效球体重量g，并在流水线上的不同位置测取水深；
44.(2)在5座堰坝的相同位置测得抗冲流速v和单宽流量q；
45.(3)根据测得的等效粒径d和抗冲流速v拟合公式d＝0.232e
0.482ν
；
46.(4)根据测得的等效球体体重量g和单宽流量q拟合公式g＝16.203e
0.770q
；
47.(5)工程师在建立堰坝时，可以根据水流的流速和单宽流量计算出等效球体粒径和等效球体体重，最终确定出所需要选取的均匀颗粒粒径大小；根据水深和水流流速来确定均匀颗粒的粒径和坡比或非均匀颗粒的坡比；
48.如图1和2所示，散粒体型式生态堰坝包括坝顶、迎水面和背水面，坝顶、迎水面和背水面均由均匀颗粒或非均匀颗粒组成，均匀颗粒或非均匀颗粒之间存在缝隙，迎水面的坡比为1:1，背水面的坡比为1:3-5。(一般梯形堰坝的上游坡度在1:1以内，下游坡度在1:1至1:3左右)。
49.均匀颗粒的粒径为20-40cm、40-60cm、40-80cm、60-100cm和80-120cm中的一种。非均匀颗粒包括粗颗粒块石4，中颗粒块石5和细颗粒块石6。细颗粒块石6的粒径为20-40cm，中颗粒块石5的粒径为60-100cm，粗颗粒块石4的粒径为80-120cm。细颗粒块石6、中颗粒块石5和粗颗粒块石4之间的配比为2:1:3。坝顶2的高度为1-2m。
50.具体建立堰坝的方式为：
51.首先，寻找山区性河道适宜修建堰坝的位置，一般是河道较窄的收缩处。然后准备相关的建造材料，采用就近取材的原则：60cm以下的石块一般河道的原始河床7中都有，可以在河床7中收集，60cm-120cm的石块若河床7中没有，需从周边河道采集，将石块按颗粒大小分为20-40cm、60-100cm、80-120cm三组(非均匀颗粒)。
52.最后，平整堰坝施工处的河床7，一般采用20cm左右的细小石块，可以增大河底的摩擦力。选定堰坝主体及坝顶2所在位置，采用粗颗粒块石4相互堆叠形成一个长方体(1mx10mx2m，若有其他需求也可改变长方体尺寸)，在采用粗颗粒块石4对主体上下游进行铺设，上游按1:1铺设，下游按1:3-5铺设。粗颗粒块石4铺设完毕后，采用相同的方法用中颗粒块石5对粗颗粒块石4留下的缝隙进行填充。中颗粒块石4铺设完毕后，再用细颗粒块石6对剩余的缝隙进行填充。所有颗粒都铺设完成后，对堰坝进行的平整和压实，使堰坝的迎水面1的坡比控制在1:1坡度，坝顶2宽度控制在1-2m，背水面3的坡比控制在1:3-1:5坡度，并使堰坝整体的形态保持稳定(均匀颗粒与非均匀颗粒建立堰坝的方式相同)。
53.实施例1
54.取粒径为80-120cm的颗粒建立堰坝，对坝顶2和背水面3破坏时的水流速和单宽流量进行试验和比较。
55.表1:两组堰坝破坏时不同位置流速及单宽流量比较
[0056][0057][0058]
根据表1可知，迎水面1和背水面3为1:1和1:5时，水流将坝顶2和背水面3破坏所需的流速单宽流量较大，稳定性和抗冲性较好。
[0059]
实施例2
[0060]
取均匀颗粒(即粒径为20-40cm、40-60cm、40-80cm、60-100cm和80-120cm中的一种)建立堰坝，检测堰坝的稳定性和抗冲性。
[0061]
表2:块石粒径与抗冲流量关系表
[0062][0063]
其中，等效粒径d与抗冲流速ν的试验拟合公式为d＝0.232e
0.482ν
，相关系数：r2＝0.979(如图3)；等效粒径g与单宽流量q的试验拟合公式：g＝16.203e
0.770q
，相关系数：r2＝0.979(如图4)。根据表2可知，均匀颗粒中，粗颗粒块石建成的堰坝稳定性和抗冲性较好。
[0064]
实施例3
[0065]
在迎水坡和背水坡坡比相同的情况下，使用不同比例的粗颗粒块石4、中颗粒块石5和细颗粒块6石建成堰坝，并测得堰坝破坏时坝顶流速和单宽流量。
[0066]
表3不同级配与坝顶流速关系
[0067]
[0068][0069]
根据表3可知，在细颗粒块石4、中颗粒块石5和粗颗粒块石6之间的配比为2:1:3时，堰坝破坏时坝顶流速为4.0m/s，单宽流量外3.8m3/s
·
m，此时的稳定性和抗冲性都较好。
[0070]
实施例4
[0071]
建立一个堰高为2.0m，迎水面1坡比为1:1，背水面3坡比为1:3，粒径选用20-40cm的均匀颗粒(一级配)的堰坝，然后取7种桩子，并在7种桩子同一水平位置分别标记(如图17)，测得各个位置水深情况和桩子水底(底)、中间水深处(中)、水面处(面)的水流流速情况(工况1，如图5和图6)。
[0072]
表4:工况1水深流速表
[0073]
[0074][0075]
实施例5
[0076]
建立一个其他条件与实施例4相同的堰坝，其中粒径选用40-60cm的均匀颗粒，然后取7种桩子，并在7种桩子同一水平位置分别标记(如图17)，测得各个位置水深情况和桩子水底(底)、中间水深处(中)、水面处(面)的水流流速情况(工况2，如图7和图8)。
[0077]
表5：工况2水深流速表
[0078]
[0079][0080]
实施例6
[0081]
建立一个其他条件与实施例4相同的堰坝，其中粒径选用40-80cm的均匀颗粒，然后取7种桩子，并在7种桩子同一水平位置分别标记(如图17)，测得各个位置水深情况和桩子水底(底)、中间水深处(中)、水面处(面)的水流流速情况(工况3，如图9和图10)。
[0082]
表6：工况3水深流速表
[0083]
[0084][0085]
实施例7
[0086]
建立一个其他条件与实施例4相同的堰坝，其中粒径选用60-100cm的均匀颗粒，然后取7种桩子，并在7种桩子同一水平位置分别标记(如图17)，测得各个位置水深情况和桩子水底(底)、中间水深处(中)、水面处(面)的水流流速情况(工况4，如图11和图12)。
[0087]
表7：工况4水深流速表
[0088]
[0089][0090]
实施例8
[0091]
建立一个其他条件与实施例4相同的堰坝，其中粒径选用80-120cm的均匀颗粒，然后取7种桩子，并在7种桩子同一水平位置分别标记(如图17)，测得各个位置水深情况和桩子水底(底)、中间水深处(中)、水面处(面)的水流流速情况(工况5，如图13和图14)。
[0092]
表8：工况5水深流速表
[0093]
[0094][0095]
实施例9
[0096]
建立一个堰高为2.0m，迎水面1坡比为1:1，背水面3坡比为1:5，粒径选用80-120cm的均匀颗粒的堰坝，然后取7种桩子，并在7种桩子同一水平位置分别标记(如图17)，测得各个位置水深情况和桩子水底(底)、中间水深处(中)、水面处(面)的水流流速情况(工况6，如图15和图16)。
[0097]
表9：工况6水深流速表
[0098]
[0099][0100]
实施例10
[0101]
建立一个堰高为2.0m，迎水面1坡比为1:1，背水面3坡比为1:3，粒径选用细颗粒块石6、中颗粒块石5和粗颗粒块石4之间的配比为2:1:3(三级配)的堰坝，然后取7种桩子，并在7种桩子同一水平位置分别标记(如图17)，测得各个位置水深情况和桩子水底(底)、中间水深处(中)、水面处(面)的水流流速情况(工况7)。
[0102]
表10：工况7水深流速表
[0103][0104][0105]
实施例11
[0106]
建立一个堰高为2.0m，迎水面坡比为1:1，背水面坡比为1:5，粒径选用细颗粒块石、中颗粒块石和粗颗粒块石之间的配比为2:1:3的堰坝，然后取7种桩子，并在7种桩子同一水平位置分别标记(如图17)，测得各个位置水深情况和桩子水底(底)、中间水深处(中)、水面处(面)的水流流速情况(工况8)。
[0107]
表11：工况8水深流速表
[0108][0109]
实施例4-实施例11提供了充分的实验数据，建立堰坝者可以通过相对位置的水深和水的流速来确定所需要的颗粒级配和粒径大小以及背水面3的坡比。以上内容是结合本专利的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明，对于本专利所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本专利的保护范围。