CN111581579B - 一种堰塞湖泄流调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种堰塞湖泄流调控方法，其包括以下步骤：(1)估算最危险泄流工况；(2)根据所述估算的泄流工况计算钢索柔性网的结构内力；(3)根据所述计算出的钢索柔性网的结构内力计算钢索柔性网两侧的抗滑埋置深度；(4)根据所述估算的泄流工况开挖人工泄流槽；(5)根据所述计算钢索柔性网两侧的抗滑埋置深度埋置钢索柔性网。本方法适用于不同的堰塞坝规模和地形，钢索柔性网可在结构内力过大时发生滑动，产生大变形来实现结构内力的自动调节，但又不破坏结构的完整性，具有较好的韧性变形特征，可以防止结构突然失效带来的灾难性后果。

Description

一种堰塞湖泄流调控方法
技术领域
本发明涉及一种堰塞湖处置技术，具体是一种利用钢索柔性网来调控堰塞湖泄流流量的方法。
背景技术
堰塞湖的产生与消亡是一种自然地质过程，其成因包括滑坡、崩塌碎屑流所形成的堰塞坝阻塞山区河道，冰碛物形成的堰塞坝拦截冰川融水等。堰塞坝将原本连续流动的山谷水流拦蓄成为具有很高势能的堰塞湖，其溃决过程往往造成极端洪水事件，对下游居民的生产生活、水利水电设施的建设与运营等产生极为不利的影响。一般将堰塞湖的形成、溃决到溃决洪水向下游演进称为灾害链事件，其所造成的影响往往比单一灾害事件大得多。对堰塞湖的应急处置技术已经成为我国应急救灾亟需攻克的难题。
堰塞湖应急处置的基本方式为开挖泄流槽，从而可以有效地降低堰塞湖水位和库容。堰塞湖溃决过程中，堰塞坝上泄流槽的土和碎石等被高速水流冲刷携带，导致泄流槽迅速下切和横向扩张，而泄流槽的扩大进一步地促进了溃决流量的快速增长。这种泄流槽扩大与溃决流量增长之间的相互促进效应使得溃决流量以一种不可控的方式迅速增长，所以堰塞湖应急处置的着力点在于斩断泄流槽扩大与溃决流量增长之间的正向促进链条。
目前已有的堰塞湖溃决流量控制方法主要是在泄流槽中放置人工结构体来阻碍水流，控制泄流槽下切和横向扩张。但是应急处置往往面临人工结构体准备时间长和缺乏合适的道路将沉重的结构体运送到山谷中的堰塞坝等难题。一些解决方案利用堰塞坝中的块石来制作人工结构体，但是由于形成堰塞坝的过程往往伴随着强烈的冲击破碎和磨蚀，现场甚至很难找到直径大于0.5米的块石。因而，利用结构轻盈的通用结构来实现流量调控对应急救灾来说显得尤为重要。
另一方面，堰塞湖溃决过程中，上下游巨大的水位差意味着巨大的势能向动能转化，溃决洪水有着较高的流速和物质携带能力，在泄流槽中布置人工结构体面临着被水流冲走的风险。因而，调控堰塞湖泄流流量的方法应当能够有效地控制湖水的势能向动能的转化。
发明内容
本发明是为了解决现有堰塞湖泄流调控方法中调控结构获取困难和调控效果难以预料的问题，提供一种调控堰塞湖泄流流量的方法：将结构轻盈、可普遍获取的钢索柔性网的两侧埋置于堰塞坝的上游坡面，配合人工开挖的泄流槽来调控堰塞湖泄流流量。
本发明提供一种堰塞湖泄流调控方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)估算最危险泄流工况；(2)根据所述估算的泄流工况计算钢索柔性网的结构内力；(3)根据所述计算出的钢索柔性网的结构内力计算钢索柔性网两侧的抗滑埋置深度；(4)根据所述估算的泄流工况开挖人工泄流槽；(5)根据所述计算钢索柔性网两侧的抗滑埋置深度埋置钢索柔性网。
进一步的，所述步骤(1)具体包括，计算未安装钢索柔性网时，堰塞坝泄流的洪峰流量、此时对应的泄流槽断面，以及以所述泄流槽底部为基准计算的堰塞湖水位高度。
进一步的，所述步骤(2)具体包括，计算所述钢索柔性网在静水压力时的均匀压力，所述钢索柔性网包括横向支撑绳及横向支撑绳上连接的耗能装置；计算所述横向支撑绳在所述均匀压力下所形成的圆弧的弧长；根据所述耗能装置的变形、泄流槽宽度和均匀压力计算圆弧半径；根据所述均匀压力和所述圆弧半径计算出所述横向支撑绳的拉力。
进一步的，所述步骤(3)具体包括，埋置于碎石土中的钢索柔性网两侧受到在水流造成的横向力作用时，取横向力等于所有浸于水中的横向支撑绳拉力的合力，即可反推阻止滑动所需要的埋置深度。
进一步的，所述步骤(4)具体包括，在堰塞坝上低洼处人工开挖泄流槽，确保开挖土石方量小且初期过流量大。
进一步的，所述步骤(5)具体包括，在堰塞坝的上游坡面铺设钢索柔性网，钢索柔性网两侧利用堰塞坝的碎石埋置于坡体上，埋置深度依照钢索柔性网两侧的抗滑埋置深度的计算来确定。
本发明还提供一种钢索柔性网，其特征在于，包括横向支撑绳、侧边绳、金属柔性网、耗能装置和锚杆，所述横向支撑绳和所述侧边绳通过卸扣与所述金属柔性网连接，所述金属柔性网、所述横向支撑绳和所述侧边绳均采用强度为1770MPa的高强度钢丝编织而成。
进一步的，所述横向支撑绳包括上支撑绳、下支撑绳和数根中间支撑绳，所述上支撑绳、所述下支撑绳和左侧边绳、右侧边绳形成所述钢索柔性网的限定边界。
进一步的，所述横向支撑绳均连接有数个耗能装置，其目的并非耗散水流动能，而是提供米级的大变形以减小结构内力。
进一步的，所述金属柔性网，为菱形网或环形网，所述金属柔性网可任意剪裁，并通过卸扣拼接后进一步通过卸扣与横向支撑绳和侧边绳连接成整体。
进一步的，所述金属柔性网网孔直径为100-300mm，金属柔性网通过拦截堰塞湖水流中的漂木和树叶等碎屑来降低柔性网的透水性，从而实现控制流入泄流槽的流量和限制流速增长。
本堰塞湖泄流调控方法具体优点体现在以下几点：
(1)钢索柔性网铺设于堰塞坝上游坡面，由于金属柔性网所拦截的漂木和树叶等碎屑物质的阻挡，可以直接控制流入泄流槽的流量和限制流速增长，相比于安装于泄流槽中下游的人工结构，可以更有效地控制泄流槽的侵蚀扩大；
(2)钢索柔性网均由高强度钢丝编织而成，取材方便；结构轻盈，总重量有限，可通过直升机吊运实现，省去了在山区整修临时便道的工程量；
(3)金属柔性网可任意剪裁和拼接，灵活性高，可适用于不同的堰塞坝规模和地形；
(4)钢索柔性网的耗能装置和埋置于坡体上的钢索柔性网可在结构内力过大时发生滑动，产生大变形但又不破坏结构的完整性，实现结构内力的自动调节，具有较好的韧性变形特征；且结构内力可通过变形进行估算，防止结构突然失效带来的灾难性后果。
附图说明
图1为钢索柔性网及堰塞坝剖面图(不含两侧山体)；
图2为钢索柔性网及堰塞坝正视图(含两侧山体)；
图3为钢索柔性网的结构组成；
图4为钢索柔性网两侧的埋置土体局部放大图；
图5为泄流槽宽度范围内的横向支撑绳受力分析图。
图4、5中，h为埋置土体厚度；θ为坡面角度；p为均匀压力，d为两根横向支撑绳的间距，pd为水流施加于横向支撑绳上的线荷载；T为横向支撑绳拉力；r为圆的半径；s为弧长；l为泄流槽宽度；α为弧长s所对应角度的一半。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，钢索柔性网3，铺设于堰塞坝1的上游坡面4，配合人工开挖的泄流槽2使用。由于初始泄流流量较小，无需调控，如图2所示，钢索柔性网3铺设于泄流槽2的下方，相对距离可通过下游所能承受的洪峰流量确定。泄流槽2沿堰塞坝1横切剖面5的最低点开挖，钢索柔性网3横跨整个泄流槽最大断面7；
如图3所示，钢索柔性网3，包括横向支撑绳31、侧边绳32、金属柔性网33、耗能装置34和锚杆35；所述横向支撑绳31包括上支撑绳、下支撑绳和数根中间支撑绳；横向支撑绳31和侧边绳32通过卸扣与金属柔性网33连接，上支撑绳、下支撑绳和左侧边绳、右侧边绳形成钢索柔性网3的限定边界；
所述的横向支撑绳31均连接有数个耗能装置34，其目的并非耗散水流动能，而是提供米级的大变形以减小结构内力；
所述金属柔性网33，为菱形网或环形网。金属柔性网33可任意剪裁，并通过卸扣拼接后进一步通过卸扣与横向支撑绳31和侧边绳32连接成整体，以适应不同的堰塞坝1规模和地形；金属柔性网33网孔直径为100-300mm，金属柔性网通过拦截堰塞湖水流中的漂木和树叶等碎屑来降低柔性网的透水性，从而实现控制流入泄流槽的流量和限制流速增长；
如图4所示，钢索柔性网3两侧利用堰塞坝的碎石8埋置于坡体上，以增大整体抗滑阻力；必要时，可以在泄流过程中增加两侧埋置深度h，以进一步增加抗滑阻力；另外，钢索柔性网3的两侧可通过所述横向支撑绳31两端所连接的锚杆35锚固于两侧稳定山体6或锚固于大块石上，但锚杆35对于本发明不是必需的；
如图5所示，在湖水均匀线荷载pd作用下，泄流槽2的宽度l范围内的横向支撑绳31连同所连接的数个耗能装置34将发生大变形，形成角度为2α、半径为r的圆弧，横向支撑绳31的拉力T与均匀线荷载pd处于平衡状态。横向支撑绳31的拉力T将进一步传导至钢索柔性网3两侧被碎石土8埋置的部分。
本发明堰塞湖泄流调控方法的具体步骤如下：
(1)估算最危险泄流工况。根据“溃坝洪水分析软件[简称DB-IWHR]V2.0”(登记号：2019SR1035751)计算未安装钢索柔性网时，堰塞坝泄流的洪峰流量、此时对应的泄流槽断面和和以泄流槽底部为基准计算的堰塞湖水位高度。钢索柔性网埋置范围即为计算的泄流槽断面与两侧山体之间的堰塞坝上游坡面(如图2所示)。
由于安装钢索柔性网时流量和流速得到抑制，泄流槽扩大也相应更为缓和，即未安装钢索柔性网时对应的是最危险的泄流工况。以下计算均采取未安装钢索柔性网工况下洪峰流量时的泄流槽宽度和堰塞湖水位高度作为计算参数。
(2)计算钢索柔性网的结构内力。由于金属柔性网所拦截的漂木和树叶等碎屑物质的阻挡，堰塞湖水流经钢索柔性网时流速较低，这里假设作用在钢索柔性网上的压力为静水压力，某横向支撑绳距自由水面深度H，此深度所对应的均匀压力p为
p＝ρwgH (1)
式中，ρw为水的密度；g为重力加速度。
横向支撑绳在均匀压力p作用下，其外形为圆形的一部分，因而弧长s符合
Figure BDA0002402887800000061
式中，α为弧长s所对应角度的一半(角度制)；r为圆的半径。另一方面，考虑耗能装置变形，泄流槽宽度l与横向支撑绳伸长量之和即为弧长s
Figure BDA0002402887800000062
式中，T为横向支撑绳拉力，pd为作用在金属柔性网上的均匀压力p集中到横向支撑绳上的线荷载，这里取两根横向支撑绳的间距d来做计算，对于上支撑绳和下支撑绳，应取d/2来做计算；k为耗能装置的变形刚度；n为泄流槽宽度l范围内耗能装置的数量。
泄流槽宽度l与圆的半径r满足三角函数关系
Figure BDA0002402887800000063
以耗能装置的变形刚度k、数量n和泄流槽宽度l为常量，线荷载pd为自变量，即可根据公式(2-4)求解角度α和半径r。最后根据如下公式计算横向支撑绳拉力T
T＝pdr (5)
可见当耗能装置变形，造成横向支撑绳伸长和半径r减小，有利于减小横向支撑绳拉力T；另一方面，钢索柔性网两侧埋置部分发生滑动，也有利于减小横向支撑绳拉力T。
(3)计算钢索柔性网两侧的抗滑埋置深度。埋置于碎石土中的钢索柔性网两侧受到在水流造成的横向力F作用时，滑动准则如下
Figure BDA0002402887800000071
式中，ρs为碎石土的密度，水面以上一般取1400-1600kg/m3，水面以下一般取1000kg/m3；h为埋置深度；A为钢索柔性网的单侧埋置面积；θ为坡面角度；
Figure BDA0002402887800000072
为碎石土内摩擦角，一般取30°。取横向力F等于所有m根浸于水中的横向支撑绳拉力T的合力，依据公式(6)即可反推阻止滑动所需要的埋置深度h
Figure BDA0002402887800000073
(4)开挖人工泄流槽。在堰塞坝上低洼处人工开挖泄流槽，确保开挖土石方量小且初期过流量大。
(5)埋置钢索索性网。在堰塞坝的上游坡面铺设钢索柔性网，钢索柔性网两侧利用堰塞坝的碎石埋置于坡体上，以增大整体抗滑阻力，埋置深度h依照步骤(3)的计算来确定；必要时，可以在泄流过程中增加两侧埋置深度，以进一步增加抗滑阻力。另外，钢索柔性网的两侧可选择通过所述横向支撑绳两端所连接的锚杆锚固于两侧山体或锚固于大块石上。
由于初始泄流流量较小，无需调控，钢索柔性网铺设于泄流槽的下方，相对距离可通过下游所能承受的洪峰流量确定。

Claims (10)

1.一种堰塞湖泄流调控方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)估算最危险泄流工况；(2)根据所述估算的泄流工况计算钢索柔性网的结构内力；(3)根据所述计算出的钢索柔性网的结构内力计算钢索柔性网两侧的抗滑埋置深度；(4)根据所述估算的泄流工况开挖人工泄流槽；(5)根据所述计算钢索柔性网两侧的抗滑埋置深度埋置钢索柔性网，将钢索柔性网铺设于堰塞坝上游的坡面上，位于人工开挖的泄流槽下方。
2.根据权利要求1所述的堰塞湖泄流调控方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括，计算未安装钢索柔性网时，堰塞坝泄流的洪峰流量、此时对应的泄流槽断面，以及以所述泄流槽底部为基准计算的堰塞湖水位高度。
3.根据权利要求1所述的堰塞湖泄流调控方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括，计算所述钢索柔性网在静水压力时的均匀压力，所述钢索柔性网包括横向支撑绳及横向支撑绳上连接的耗能装置；计算所述横向支撑绳在所述均匀压力下所形成的圆弧的弧长；根据所述耗能装置的变形、泄流槽宽度和均匀压力计算圆弧半径；根据所述均匀压力和所述圆弧半径计算出所述横向支撑绳的拉力。
4.根据权利要求1所述的堰塞湖泄流调控方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括，埋置于碎石土中的钢索柔性网两侧受到在水流造成的横向力作用时，取横向力等于所有浸于水中的横向支撑绳拉力的合力，即可反推阻止滑动所需要的埋置深度。
5.根据权利要求1所述的堰塞湖泄流调控方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括，在堰塞坝上低洼处人工开挖泄流槽，确保开挖土石方量小且初期过流量大。
6.根据权利要求1所述的堰塞湖泄流调控方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括，在堰塞坝的上游坡面铺设钢索柔性网，钢索柔性网两侧利用堰塞坝的碎石埋置于坡体上，埋置深度依照钢索柔性网两侧的抗滑埋置深度的计算来确定。
7.一种钢索柔性网，其特征在于，铺设于堰塞坝上游的坡面上，位于人工开挖的泄流槽下方；所述钢索柔性网包括横向支撑绳、侧边绳、金属柔性网、耗能装置和锚杆，所述横向支撑绳和所述侧边绳通过卸扣与所述金属柔性网连接，所述金属柔性网、所述横向支撑绳和所述侧边绳均采用强度为1770MPa的高强度钢丝编织而成。
8.根据权利要求7所述钢索柔性网，其特征在于，所述横向支撑绳包括上支撑绳、下支撑绳和数根中间支撑绳，所述上支撑绳、所述下支撑绳和左侧边绳、右侧边绳形成所述钢索柔性网的限定边界,所述横向支撑绳均连接有数个耗能装置。
9.根据权利要求7所述钢索柔性网，其特征在于，所述金属柔性网，为菱形网或环形网，所述金属柔性网可任意剪裁，并通过卸扣拼接后进一步通过卸扣与横向支撑绳和侧边绳连接成整体。
10.根据权利要求7所述的钢索柔性网，其特征在于，所述金属柔性网网孔直径为100-300mm。
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