CN1137310C - 抗洪抢护管涌的方法及其设备 - Google Patents
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Abstract
抗洪抢护管涌的方法及其设备，方法包括：根据设计要求制作好滤垫、围井的围板和插销并贮备好；清理抢护场地及开挖安放围板的沟槽；将滤垫置于管涌孔处并加盖重，如水势太大先用块石消杀部分水头；将各围板连接成围井，并在围板连接处及围井与地面衔接处加设防渗材料。设备中的装配式抢护管涌围井由围井单元体构成，单元体设有围板，两侧设有连接件，下部设有固定件。围板之间的接缝处固定有防渗材料并设置有控制井内水位的排水系统。抢护管涌滤垫由三层构成，上下两层分别为保护层和减压层，采用土工席垫，中间滤芯，采用土工织物，三层固定成整体，土工席垫由若干纤维叠置在一起构成，由改性聚乙烯纤维叠置、熔结而成三维立体多孔材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种水利工程的方法及设备，特别是一种抗洪抢护管涌的方法，以及该方法所使用的设备——装配式围井与抢护管涌滤垫。
背景技术
我国现有的堤防25万km，其中主要堤防6.57万km。特点是堤基条件差，堤身填筑质量差，堤后坑塘多，堤脚无保护。因此遭遇洪水时经常发生管涌、滑坡和漫溢等险情。很多地区在抗洪，筑堤时，由于区内筑堤土料严重不足，多年来，普遍依靠堤后取土筑堤，但土坑、塘未做处理，以致在汛期洪水作用下，渗透压力大，地基上部覆盖层极易破坏，必然发生管涌和流土等险情。管涌和流土都属渗流破坏。其表现形式不同而已，前者为土体中的细颗粒在渗透力作用下沿着骨架颗粒所形成的孔隙通道中移动并被带走，而后者为土体的颗粒群在渗透力的作用下同时起动而流失。因此，对管涌而言，作用力为单个颗粒的渗透力，而流土则为单位土体的渗透力。虽然管涌和流土的发生机理存在根本区别，但在防汛抢险中，人们都把它们统称为管涌，不做细分，其抢护方法也类似，因此，本申请中所述的“管涌”包括这两种险情。在各种重大险情中，管涌占第一位，为各类险情总数的50％以上。从管涌险情看，有浅层管涌，有深层管涌，有单个管涌，亦有大面积管涌群。如管涌不能及时而有效地得到控制，则必然引起溃堤。现有技术中控制管涌的方法都是利用土石方工程，用土石或装土的防汛袋在管涌发生处的周围堆筑围井，在围井内设置砂砾反滤层，例如可以用砂、瓜米石和分口石等做三级反滤。围井的主要作用是在井内保持一定的水位，降低该部位的水力坡降，使管涌通道的动水压力减小，原流动的土粒恢复稳定，抑制堤后管涌破坏的发展。围井内的水位必须严格加以控制，若水位过低，则围井不能起控制管涌险情发展的作用；相反围井内的水位过高，虽然管涌险情能得以控制，但它与围井外的部位产生较高的局部渗透坡降，从而可能引起周围土体管涌的产生。因此，围井需设置可调节水位的排水孔，以控制水位的高度。多年抢护管涌险情实践可知，土袋围井的内径通常为管涌孔径的10倍左右为宜，井壁与地面的接触需严密。这种方法需要的劳力多，使用的编织袋等器材无法回收再利用，更主要的问题是建立围井的速度很慢，不能满足争分夺秒的抗洪抢险的需要，在围井建成之前的这段时间，大堤始终面临着危险。抢护管涌险情，除常用的围井以外，另一种有效措施为反滤铺盖，其作用为降低涌水流速，防止砂粒大量流失，以稳定管涌险情。现有技术常采用的反滤铺盖有砂石反滤铺盖、梢料反滤铺盖和土工织物反滤铺盖：砂石反滤铺盖适用于砂石料源充足的地区，在已清理好的大片有管涌群的面积上，铺盖一层粗砂，其上再分别铺小石子和大石子各一层，最后压盖片石或块石，加以保护。梢料反滤层铺盖，铺筑时先铺细料如麦秸，稻草等，再铺粗料如芦苇、柳枝等，然后上铺草垫、席片或苇席，这样梢席互层铺设，根据情况可铺一层或数层，然后用块石或土袋压盖，以抢护止梢料漂浮，制止涌水带砂。土工织物反滤铺盖，需将管涌处的地面整平、消杀水头后，铺一层土工织物，再铺一般透水料或砂，最后压盖片石或块石。现有的这三种反滤方案均需要实施者在事前接受这方面的培训，并需要有一定的实践经验。同时，这三种技术均需要在现场一步一步地铺盖，速度很慢，与抗洪现场争分夺秒的实际需要有一定距离。
发明内容
本发明的任务是将抗洪工作中抢护管涌的土石方工程改为由专用设备实施的快速方法，将土石方工程中使用的传统材料改为利用工厂化批量生产的设备，即一种抢护管涌用的装配式围井与一种抢护管涌滤垫。该方法应能够用很短的时间在管涌出口建立围井和同时铺设滤垫，为抗洪争取宝贵的时间。同时考虑节省人力物力，施工便捷和经济耐用等因素，围井与滤垫应当能够反复使用，可降低抗洪器材的成本，另外，与土石相比，工厂化生产的围井体积较小，为运输和储备抗洪器材提供方便。其机械强度稳定，比土壤、砂石更加可靠。当铺设反滤铺盖时，抢护管涌滤垫可以直接铺设到清理好的地段上，铺设十分方便、迅速。它不仅能透水保砂和消杀水势，而且能保护滤芯(可采用土工织物)不会因变形而影响其特性。
实现上述任务的技术方案是：一种抗洪抢护管涌的方法，包括以下操作步骤：
根据管涌的孔径，制作好滤垫、围井的围板和插销
发现管涌后，将选择好的滤垫、围板和插销等运至现场
清理抢护管涌险情场地及开挖安放围板的沟槽
将滤垫置于管涌孔处，并加盖重
将各围板连接成围井，并在围板连接处及围井与地面衔接处加设防渗材料。
以上方法所涉及的装配式围井，由围井单元体构成，单元体设有围板，围板的两侧设有连接件，围板的下部设有固定件。围板主要起挡水作用，并能承受一定的水压力。连接件用于各围板之间的连接，使之成为一个整体。可以是套筒型、铰链型、搭扣型或插销型等。固定件可以采用插杆或尖脚等，用以直接插入地层，确保围井的稳定。围井单元体可以用热塑性材料，如聚氯乙烯、耐油聚氯乙烯；结晶热塑性材料，如低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯；弹性材料，如二烯一异丁烯橡胶、氯丁橡胶、环氧丙烷橡胶和热塑性弹性材料，如氯化聚乙烯和氯磺聚乙烯等等制成。其中优选聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等。为了加强围板的强度，围板上可以设有金属加筋、非金属加筋，板材强度较高时也可以不加筋。本设计的优化方案是在围板之间的接缝处固定有防渗材料。所述的防渗材料可以采用橡胶、复合土工膜、单一土工膜，也可以采用毛毡等防渗材料，以阻隔围井渗水。围板与地面接触之间的接缝处也可以固定有防渗材料。围板与地面间的漏水则因地制宜，在装配围井时，先根据围并大小在地面挖一深为20～30cm的沟，再将围板插入沟中，并用插销连接和固定，然后在沟内回填粘土或壤土且压实。如固定有不透水材料，如土工膜等则效果更好，这样将大大减少漏水量。本设计的另一个优化方案是：围板上设置有控制井内水位的排水系统，例如固定一定孔径的排水孔或圆管，在使用时该排水孔或圆管可以连接皮管排出一定量的水，以稳定围井内水位。在实际使用时，本设计常与滤垫一起使用，滤垫的结构是：一种抢护管涌滤垫，由三层构成，其特征是：上、下分别为保护层和减压层，两层均为采用土工席垫，中间为滤芯，可采用土工织物，三层材料固定成一整体。所述的土工席垫由若干纤维叠置在一起构成。纤维可以是直径1.5～3mm左右的金属丝或非金属丝，但更应优选塑料丝，各丝叠置在一起形成有一定强度、对泥沙有过滤功能、透水性能又较好的多孔材料。各纤维间叠置固定的方式可根据纤维的性质决定，例如选用改性聚乙烯等热熔性塑料时，可以将塑料加热融化后通过喷嘴挤压出2mm左右的纤维叠置在一起，熔结而成三维立体多孔材料。其下层土工席垫主要起控制水势、抗御挟砂水流的流速水头的作用，可部分替代下部的块石及碎石层，可以厚一些。上层土工席垫为保护层，可以比下层薄一些，为今后盖压提供有利条件。在选择中层结构滤芯时，可采用土工织物，但此时应考虑织物的压缩性，其厚度、孔隙率、孔径和透水性随压应力的增大而减小，特别是针刺土工织物。因此，在采用土工织物作排水过滤时必须考虑上覆荷载(压应力)的大小，以满足排水通畅、保护土粒不流失两个滤层条件。目前所研制的滤垫，在土工织物上采取一定的保护措施，可以确保土工织物不发生变形。采用不同的土工织物担任中层结构，形成不同规格的产品。针对所抢护的不同砂砾地基，采用不同指标的土工织物产品。铺盖本滤垫后，向上的挟砂水流通过滤垫下部的土工席垫时使水流在席垫中扩散，消杀部分流速水头，另一方面由于席垫较厚，亦可使垂向水流转变为平面流动，流速水头随之降低。因此，下部席垫可控制涌水水势，降低通过织物滤层的渗流速度，流速下降后，挟砂水流的出水量和含砂量等可迅速减小，所挟带砂砾粒径亦随之变细。
本申请提供的抗洪抢护管涌的方法，将抗洪工作中抢护管涌的土石方工程改为由专用设备实施的快速方法，将土石方工程中使用的传统材料改为利用工厂化批量生产的设备。该方法应能够用很短的时间在管涌出口建立围井、同时铺设滤垫，为抗洪争取宝贵的时间。本发明提供的装配式围井与抢护管涌滤垫，将抗洪工作中的土石方工程改为使用批量化的工业产品，使用方便，实施迅速。对装配式围井的实验表明：围井内装高为1.5米的水，围井底部围板出现少量挠曲变形，但围板的接口非常牢固，围井几乎不漏水。围井拆除后，围板仍恢复成平板，几乎没有挠度变形。直径为6.4m所需20块围板的装配时间仅30分钟(四个人)，每块围板重量20kg，一个人就可以搬运。同时还可以重复使用。这种装配式围井可以为抗洪争取宝贵的时间，它能够反复使用，可降低抗洪器材的成本，运输和储备方便，机械强度稳定，比土壤、沙石更加可靠。铺设滤垫时，只需将这种滤垫直接铺设到清理好的地段上即可，铺设十分方便、迅速。它不仅能透水保砂和消杀水势，而且能保护滤芯(如土工织物)不会因变形而影响其特性。因能够反复使用，若出现大面积管涌群，则可将若干块滤垫拼接成所需抢护的面积，各滤垫间用连接件加以连接固定，这样可以大幅度降低抗洪工作的成本。同时因工业产品的规格齐全，可以适应不同土质地层的需要。整齐的产品也给运输、储备抗洪物资提供了方便。
附图说明
图1为实施例1中装配式围井结构示意图；
图2为围井围板上排水孔示意图。
图3为抢护管涌滤垫结构示意图。
具体实施方式
实施例1，参照图1、图2、图3：一种抗洪抢护管涌的方法，包括以下操作步骤：
在室内根据设计要求，制作好滤垫、围井的围板和插销等，具体数量根据实际确定，并贮备好
发现管涌后，将选择好的滤垫、围板和插销等运至现场
清理抢护管涌险情场地及开挖安放围板的沟槽
将滤垫置于管涌孔处，并加盖重，如水势太大，可先用块石消杀部分水头再放置滤垫
将各围板连接成围井，并在围板连接处及围井与地面衔接处加设防渗材料。
以上方法所涉及的装配式围井采用宽1m、高1.5m的围板1拼装而成(围井的高度一般不超过1.5m，故暂定为1.5m)。考虑到围板应具有一定刚度，市场上供货方便和规格产品、价格便宜和耐久性等因素，最终选定围板采用聚氯乙烯(PVC)板材，宽1m，厚度为5mm。其抗拉强度经测试可达67.3kN/m。围板上设有扁铁框架2，两侧固定有钢管构成的连接件3，两侧的连接件尺寸错开，装配时用连接钢管4作为长插销，将两块相邻围板的连接件固定在一起。长插销的下端伸到围板下，构成固定件，插入土层。按围井直径6m，则围板需19块，在水压15kN/m2作用，围板挠曲变形成圆形，其挠度为0.041m，2h/b＝0.082，所要求围板的抗拉强度为37.9kN/m，故选用的围板强度满足要求。若围井直径为1.5m，则围板需5块，其挠度为0.143m，2h/b＝0.2865，所要求围板的抗拉强度为16kN/m。围板两侧还设有复合土工膜防渗材料。由于各块围板的尺寸一致，故可以任意拼装，施工方便拼装速度非常快捷，适应抢护要求。由于各围板用插销相连接并直接插入地层中，故各连接处在水压的作用下不会产生位移。以上方法所涉及的抢护管涌滤垫，由三层构成，其特征是：上下两层是将改性聚乙烯加热融化后通过喷嘴挤压出2mm左右的纤维叠置在一起，熔结而成三维立体多孔材料，成为土工席垫5、7。厚度均为15mm。中间层为土工织物6，三层材料固定成一整体。整个滤垫单块尺寸定为100×100cm2。对单个管涌而言，其管涌孔径在20cm以下，可直接进行抢护；当管涌孔径大于20cm或管涌群情况，可将数个滤垫拼接成整体，加以抢护。拼接可用专门的“U”形连接件。中间层为土工织物的水力特性取决于挟砂水流的流速、含砂量和挟砂粒径。通过26组应用土工织物抢护管涌险情的室内试验，并考虑实际抢护管涌的多种因素(如施工条件等)，得出实际抢护不同砂样时，土工织物的特征指标，见表1。
表1土工织物抢护管涌的特征指标
另外，在室内制作了5个管涌出口的管涌群模型，其管涌孔孔径分别为Ф50mm(2个)、Ф75mm(2个)和Ф100mm(1个)，整个试验模型尺寸为7.75×4.5m，分贮砂水池、管涌出口池和量水堰等三部分，目的在于研究滤垫抢护单个管涌险情所需的大小和滤垫上压盖重。试验在7.75×4.5m的模型中进行，贮砂池配置一份细砂和三份水，试验时将水砂搅拌相对均匀，由泥浆泵送至管涌出口处，测量相应的涌水高度和流量，然后将所研制的滤垫(单个滤垫尺寸为100×100cm)置于管涌孔的出流处，经6小时的抢护，观测其抢护效果，确定了滤垫抢护单个管涌险情所需的大小和滤垫上盖重；其结果分别列于表2。
表2滤垫的大小和重量
| 组次 | 管涌出口孔径(mm) | 涌水高度(cm) | 出水流量(m3/h) | 滤层大小(m×m) | 盖重 | |
| 滤垫重量(kg/m2) | 压盖重量(kg) | |||||
| 1 | 50 | 40 | 0.83 | 1×1 | 14 | 20.8 |
| 2 | 50 | 50 | 1.04 | 1×1 | 14 | 26.2 |
| 3 | 50 | 60 | 1.25 | 1×1 | 14 | 31.2 |
| 4 | 75 | 30 | 1.58 | 1×1 | 14 | 36.4 |
| 5 | 75 | 40 | 2.23 | 1×1 | 14 | 41.6 |
| 6 | 75 | 50 | 2.85 | 1×1 | 14 | 46.8 |
| 7 | 100 | 60 | 5.10 | 1×1 | 14 | 93.6 |
| 8 | 100 | 80 | 6.80 | 1×1 | 14 | 109.2 |
| 9 | 100 | 100 | 8.60 | 1×1 | 14 | 135.2 |
在抢护管涌群试验并确定了滤垫抢护单个管涌险情所需的大小和滤垫上盖重的基础上；在室外进行了模拟现场应用土工织物抢护管涌险情的中间试验，进一步明确了应用滤垫和围井抢险的可行性，完善了滤垫和围井的结应用土工织物抢护实际的管涌险情是可行的，并且经济、简便；但要根据实际的土质、水流等条件选择合适的滤芯(土工织物)，并检验了应用滤垫和围井的抢险效果。
Claims (8)
1、一种抗洪抢护管涌的方法，包括以下操作步骤：
根据管涌的孔径，制作好滤垫、围井的围板和插销
清理抢护管涌险情场地及开挖安放围板的沟槽
将滤垫置于管涌孔处，并加盖重
将各围板通过两侧的连接件连接成围井，并在围板连接处及围井与地面衔接处加设防渗材料。
2、按照权利要求1所述的抗洪抢护管涌的方法，其特征是：在开挖沟槽和铺设滤垫之间，增加以下操作步骤：先用块石消杀部分水头再放置滤垫。
3、一种装配式抢护管涌围井，由围井单元体构成，其特征是：单元体设有围板，围板的两侧设有连接件，围板的下部设有固定件。
4、按照权利要求3所述的装配式抢护管涌围井，其特征是：围板之间的接缝处固定有防渗材料。
5、按照权利要求3或4所述的装配式抢护管涌围井，其特征是：围板上设置有控制井内水位的排水系统。
6、按照权利要求5所述的装配式抢护管涌围井，其特征是：围板上设有金属加筋、非金属加筋或不加筋。
7、一种抢护管涌滤垫，由三层构成，其特征是：上下两层分别为保护层和减压层，采用土工席垫，中间为滤芯，采用土工织物，三层材料固定成一整体，所述的土工席垫由若干纤维叠置在一起构成。
8、按照权利要求7所述的抢护管涌滤垫，其特征是：所述的土工席垫为改性聚乙烯纤维叠置在一起，熔结而成的三维立体多孔材料。
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