CN114991094A - 堰塞坝泄流槽工程调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开堰塞坝泄流槽工程调控系统。针对现有技术仅针对泄流槽床面局部实施控流的缺陷，本发明提供一种堰塞坝泄流槽工程调控系统，在泄流槽工程中若需要调控泄流量则用泄流槽网罩覆盖堰塞坝初始泄流槽及周围坝顶坝面，泄流槽网罩顺流边通过连接件与坝顶坝面内埋置的钢管桩固定，泄流槽网罩主体是矩形钢索网，其上固定多排多列配重件，根据泄流槽最终溃决状态计算设计泄流槽网罩规格参数。本发明系统能够在调控系统中形成一个动态防护空间，该空间既能适应泄流槽形态发展变化，又能适应泄流槽上下游水流环境的动力差异，从而构成一个始终包裹泄流槽的有效控流微环境，实现有效限制初始泄流槽侵蚀速率、调控水流流量、避免突然进入洪峰状态。

Description

堰塞坝泄流槽工程调控系统

技术领域

本发明涉及防灾减灾技术，特别是涉及一种调控堰塞坝泄流槽洪峰流量的系统，属于地质灾害防治、防灾减灾工程技术领域。

背景技术

堰塞坝主要是由于河道两侧山体在地震与强降雨等诱发作用下发生滑坡、泥石流、冰碛物崩滑等现象，大量土石涌入并堵截河道，造成上游段壅水而形成的天然坝体。堰塞坝形成后，一方面，坝前壅水，使得堰塞湖水位不断抬升，造成上游回水淹没，形成水灾；另一方面，堰塞坝堆积形成速度较快，通常结构松散或者不均匀、稳定性差，但却面临上游来水所致的坝前壅水压力不断迅速增加，因而大多数堰塞坝从形成开始便存在溃决的潜在危险，构成触发下游洪灾的高危因素。因此，堰塞坝一经形成便直接引发河道上下游两岸的急发险情。

缓解堰塞坝急发险情的最常用措施是对堰塞坝实施科学指导的人工处置，最主要是人工开挖泄流槽紧急排险，即泄流槽工程。通过人工调控下的泄流，既降低上游水位、缩小淹没面积，又削减控制泄流过程初期的排泄流量，缓解下游后期洪灾压力。然后，由于堰塞坝物质组成具有自然堆积挤压所致的非均匀性特征，堰塞坝溃口形成与发展难以完全预测，若人工开挖泄流槽的紧急排险施工过程不能尽量处于设计控制条件之下，使泄流槽自初始状态起形变过快，则既无法按下游地区城镇防洪标准进行流量调控，反而更加剧堰塞坝溃决洪水风险。故此泄流槽工程中需要在人工开挖泄流槽的同时增加必要的工程辅助手段，尽量实现对泄流槽周围坝体及过坝水流的适度控制，确保堰塞坝泄流处置满足下游洪水设防标准。

ZL 2021106276551公开一种钢索网石笼结构体堰塞坝溃决排险防洪系统，是用钢索网石笼结构体在堰塞坝溃决前/中调节下游洪峰流量，结构体是分节式筒状钢索网的条状结构，在溃决前/中将结构体顺河道/沟道方向放置在泄流槽两侧坝顶面，目的是实现人工干预调节洪峰流量的“延迟干预”构思。该技术方案的缺陷在于主要针对泄流槽床面局部区域的防护，与整个过流床面的防护相比，控流效果有限。ZL2019111551119公开一种控制堰塞坝溃坝洪峰流量的结构，是在泄水渠两侧堰塞坝的中下部分别设置有钢管桩，钢管桩位置与埋深根据20年一遇洪峰流量条件设计，同时还设置保护性水泥浆钢筋石笼、出口抗冲击性水泥浆钢筋石笼，以延缓泄水渠两岸冲蚀扩展速度、延缓堰塞坝溃决时间、降低溃决最大洪峰流量。该技术方案仍然是一种针对泄流槽床面局部区域的防护，具有与上述现有技术相类似的缺陷。同时，该方案将堰塞坝视为坚实的人工构筑体，在泄水渠两侧密集植入钢管桩群，实际对本不均匀的堰塞坝坝体的施加了大量局部人为扰动，容易造成局部坝体破坏，增加不可预计的溃决风险。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种堰塞坝泄流槽工程中的控流技术方案，能够在灾害现场快速改变水流对堰塞坝迎水面、初始泄流槽、溃口以及背水面等泄流槽施工面的冲刷状态，有效调控堰塞坝溃决洪水风险。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种堰塞坝泄流槽工程调控系统，其特征在于：

现场调查获取泄流槽工程基本数据；

测算是否需要调控堰塞坝泄流量，若需要调控则在初始泄流槽挖成后，用泄流槽网罩覆盖堰塞坝初始泄流槽及周围坝顶/坝面，覆盖区域包括初始泄流槽初始泄流槽两侧坝顶、初始泄流槽上游坝面、初始泄流槽下游坝面，在初始泄流槽两侧的坝顶、上游坝面、下游坝面内埋置钢管桩，泄流槽网罩顺流边通过连接件与钢管桩固定连接；所述泄流槽网罩主体是矩形钢索网，矩形钢索网网面上固定多排多列排布的配重件；

根据泄流槽最终溃决状态数据设计泄流槽网罩规格，确定泄流槽网罩设计宽度B、泄流槽网罩设计长度L，所述泄流槽网罩设计规格应该不小于泄流槽最终溃决状态平面展开面积。

上述堰塞坝泄流槽工程调控系统是在堰塞坝泄流槽工程中，利用泄流槽网罩覆盖初始状态的泄流槽及其左右与上下游坝面，并将左右两边经连接件固定在顶/坝面内的埋桩上，由此共同构成一个控流系统。系统主要实现两方面目的，一是增加泄流槽边界的粗化程度降低溃口的侵蚀发展速率；二是通过泄流槽控流网张力，使泄流槽与周围坝顶/坝面组成一个灵活可随水摆动的网罩兜护拦截结构。两方面作用共同阻止泄流槽工程挖掘过程中坝体物质的大面积快速起动，防止泄流槽自初始状态随水流冲击发生不可控制的迅速演化，可有效降低堰塞坝溃决速率，消减溃决洪峰流量，减轻下游的防洪压力。

上述堰塞坝泄流槽工程调控系统实现洪水流量调控的技术关键是泄流槽网罩在水流冲击下形成的动态防护空间。该防护空间的主要参数是泄流槽网罩规格，即泄流槽网罩设计宽度B与设计长度L。在堰塞坝泄流槽工程中，可以利用现有技术匡算泄流槽最终溃决状态数据，确定泄流槽最终溃决状态的形态参数，并进一步确定其平面展开面积。泄流槽网罩设计规格只要不小于泄流槽最终溃决状态平面展开面积，保证左右两顺流边能够固定在钢管桩上，即可构成调控系统。本发明的优化方案进一步完善泄流槽网罩规格设计。具体是将设计泄流槽网罩宽度与长度的构思分开：

对于泄流槽网罩宽度设计，充分考虑泄流槽最终溃决状态的形态特征，要求泄流槽网罩设计宽度B满足式1的各变量关系。

式1中，W_t、W_b、H_b是泄流槽最终溃决状态顶部宽度、底部宽度、深度，单位m，由堰塞坝泄流槽工程的基本数据确定；k是溃决速率调控衰减系数，是指通过实施本发明堰塞坝泄流槽工程调控系统所希望达到的堰塞坝溃决速率目标值，可以利用现有洪峰流量调控设计方法计算确定，也可在紧急情况下取经验值。

对于泄流槽网罩长度设计，需分段考虑。泄流槽网罩设计长度L包括3段，分别是覆盖上游坝面段L₁、覆盖两侧坝顶段L₂、覆盖下游坝面段L₃。覆盖上下游坝面段的长度L₁、L₃应以泄流槽最终溃决状态深度H_b为量，L₁、L₃应当分别满足式2、式3条件，L₁与L₃应满足式4条件，其中，α、β分别为上下游坝坡坡角，单位°，由基本数据确定。

L₁>L₃ 式4

对于堰塞坝泄流槽工程调控系统所形成的动态防护空间规格另一组有意义的设计参数是连接件长度。作为优化方案之一，连接件采用钢索，钢索设计长度L_s符合依式5、式6关系，

式5、式6中，L_s是钢索设计展开长度，单位m，B是泄流槽网罩设计宽度，单位m，依泄流槽网罩设计规格确定，B₀是泄流槽初始状态横断面周长，单位m，由基本数据确定，k含义同上文，W_t含义同上文，W_t0、W_b0、H_b0是泄流槽初始状态顶部宽度、底部宽度、深度，单位m，由基本数据确定。钢索长度设计思路的关键是确保在水流冲击下动态防护空间容积的有效性，并且保证网罩始终贴合泄流槽边界。

本发明上述堰塞坝泄流槽工程调控系统还可以对矩形钢索网网面上所固定的多排多列排布配重件加以优化。具体是，配重件在矩形钢索网覆盖上游坝面区域的重量分布密度大于其余区域的重量分布密度。更进一步地，矩形钢索网自迎游端起的前几排配重件重量应大于后面排配重件重量。该优化设计的目的在于：矩形钢索网同时覆盖上游坝面与下游坝面时，两端受水流动力特征不同。通过调节配重件在矩形钢索网上的质量密度分布，能够调节矩形钢索网与上下游坝面及其余坝体/坝面间的粗化程度，使整张网面的摩擦力分布与坝前壅水、坝后泄水的水流动力学特征更相匹配，是极为便捷经济的改进设计。

本发明中，现场调查包括了针对工程所在山洪泥石流沟道现场的各种测绘、测量、模拟实验测试，以及历史灾害记录获取，以及有参照借鉴作用的经验数据获取等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)相对于现有技术仅针对堰塞坝泄流槽床面局部区域设计泄流调控的技术方案，本发明堰塞坝泄流槽工程调控系统是一种对整个过流床面加以防护的控流措施。在泄流槽工程中，当泄流槽开挖呈初始状态后，使用泄流槽网罩覆盖泄流槽及周围坝面/坝坡，并将左右顺流边固定在两则坝面/坝坡上，类似于在泄流槽及周围坝体表面增设粗化层，共同组成一个动态防护网罩结构，能够有效适应堰塞坝过流的上下游水动力环境；网面上排布配重件并配合连接件的变形性能，保证控流网在环境变化条件下始终紧贴泄流槽及槽口边界，泄流溃决水流难以将其掀起，同时避免泄流槽两侧边坡的控流网滑落与两侧钢索网向槽口中部塌陷，由此保证粗化层的稳定性。(2)基于前期研究成果，本发明优化方案公开了堰塞坝泄流槽工程调控系统重要的设计参数，包括泄流槽网罩设计宽度B、设计长度L、钢索设计展开长度L_s。通过此三者的设计配合，能够在调控系统中形成一个动态防护空间，该空间既能适应泄流槽形态发展变化，又能适应泄流槽上下游水流环境的动力差异，从而构成一个始终包裹泄流槽的有效控流微环境，实现有效限制初始泄流槽侵蚀速率、调控水流流量、避免突然进入洪峰状态。(3)本调控系统结构简洁、易于就地取材、实施成本经济，贴合泄流槽工程实际，适宜推广。

附图说明

图1是堰塞坝泄流槽控流系统立体结构示意图(箭头所示为河道方向)。

图2是图1A-A剖示结构示意图(箭头所示为河道方向)。

图3是堰塞坝泄流槽控流系统俯视结构示意图(箭头所示为河道方向)。

图4是泄流槽横断面方向的剖面示意图。

附图中的数字标记分别是：1泄流槽网罩 11矩形钢索网 12配重件 121大号配重件 122标准配重件 13顺流边 14连接件 2泄流槽 31坝顶 32上游坝面 33下游坝面 4钢管桩

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图1～图4所示，设计一堰塞坝泄流槽工程调控系统。

某堰塞坝拟规划泄流槽工程。现为该泄流槽工程设计堰塞坝泄流槽工程调控系统。

1、现场调查获取泄流槽工程基本数据

该堰塞坝坝高H_d＝50m、坝顶宽度B_d＝40m、上游坝坡坡脚α＝30°、下游坝坡坡脚β＝25°、坝长L_d＝130m(垂直河流方向)，可形成最大库容V＝60×10⁶m³。

坝体土体颗粒累积质量百分比为80％的粒径D₈₀＝78mm。

根据堰塞坝形成后开挖初始泄流漕的情况，测量泄流槽2初始状态形态参数，包括：泄流槽2初始状态顶部宽度W_t0＝8m、底部宽度W_b0＝4m、深度H_b0＝8m。

采用现有技术(Peng M,Zhang LM.Breaching parameters of landslidedams[J].Landslides,2012,9(1):13-31)测算泄流槽2最终溃决状态的形态参数。有，泄流槽2最终溃决状态顶部宽度W_t＝71.49m、底部宽度W_b＝52.10m、深度H_b＝24.06m。

2、测算是否需要调控堰塞坝泄流量

堰塞坝形成后，测算堰塞坝溃决洪水最大洪峰流量Q_p、堰塞坝下游城镇防护设计标准允许最大洪峰流量Q_lim，若Q_p≥Q_lim判断为需要调控堰塞坝泄流量。

本实施方式中，利用溃坝洪水分析软件DB-IWHR(http://www.geoeng.iwhr.com/ytgcyjs/czy/zlxz/kbfx/webinfo/2017/09/1499910858046676.htm)模拟测算溃决洪峰流量，结果显示堰塞坝溃决洪水最大洪峰流量Q_p＝5800m³/s。根据《城市防洪工程设计规范》(GB/T 50805-2012)与《城镇防洪技术与设计导则》测算堰塞坝下游城镇防护标准(P＝1％)下的允许最大洪峰流量Q_lim＝3000m³/s。Q_p≥Q_lim，需要调控堰塞坝泄流量。

3、设计堰塞坝泄流槽工程调控系统

图1是堰塞坝泄流槽工程调控系统立体结构示意图(箭头所示为河道方向)，图2是图1A-A剖示结构示意图，图3是堰塞坝泄流槽工程调控系统俯视结构示意图，图4是初始泄流槽横断面方向的剖面示意图。

用泄流槽网罩1覆盖堰塞坝初始泄流槽2及周围坝顶/坝面，覆盖区域包括初始泄流槽2、初始泄流槽2两侧坝顶31、初始泄流槽2上游坝面32、初始泄流槽2下游坝面33，在初始泄流槽2的两侧的坝顶31上游坝面32、下游坝面33内均埋置钢管桩4，泄流槽网罩1顺流边13通过连接件14与钢管桩4固定连接。泄流槽网罩1主体是矩形钢索网11，矩形钢索网11网面上固定多排多列排布的配重件12。

将各参数代入式1，其中溃决速率调控衰减系数k取值0.7，计算有，泄流槽网罩1设计宽度B＝72.79m。为便于施工取值73m。

依式2、式3、式4计算有泄流槽网罩1覆盖上游坝面32段的长度L₁＝28.88m～38.50m，取值35m；覆盖下游坝面33段的长度L₃＝14.23m～56.93m，取30m；覆盖两侧坝顶段的长度L₂＝B_d＝40m。泄流槽网罩1设计长度L＝L₁+L₂+L₃＝105m。

矩形钢索网11的网孔等效直径≤D₈₀。

本实施方式中，连接件14选用钢索。将各参数代入式5、式6，其中溃决速率调控衰减系数k取值0.7，计算有，泄流槽2初始状态横断面周长B₀＝12.94m，钢索设计长度L_s＝11.02m，为便于依原料规格下料，取值12m。

对于计算所得泄流槽网罩1设计宽度B、设计长度L、钢索设计展开长度L_s结果，采用四舍五入取整作为工程设计值。

本实施方式中，依照就地取材原则，配重件选用束口石笼网兜。束口石笼网兜设计两种规格，与大号配重件121与标准配重件122。束口石笼网兜由孔径80mm×100mm格宾网兜充填石块后束后而成，再用高强铁丝固定到矩形钢索网11上。充填石块后的束口石笼网兜(密度1600kg/m³)等效直径0.5m～2.0m，其中标准配重件122等效直径0.8m，大号配重件121等效直径1.5m。为提升配重件与坝面间摩擦力分布的均匀程度，配重件12错列排布，相邻间距5m～8m。配重件2也可采用纵横整齐排列。

本实施方式中，初始泄流槽2的两侧坝顶各埋置10根钢管桩4，桩距10m～20m，埋深不低于20m。

Claims (10)

1.堰塞坝泄流槽工程调控系统，其特征在于：

现场调查获取堰塞坝泄流槽工程基本数据；

测算是否需要调控堰塞坝泄流量，若需要调控则在初始泄流槽(2)挖成后，用泄流槽网罩(1)覆盖堰塞坝初始泄流槽(2)及周围坝顶/坝面，覆盖区域包括初始泄流槽(2)、初始泄流槽(2)两侧坝顶(31)、初始泄流槽(2)上游坝面(32)、初始泄流槽(2)下游坝面(33)，在初始泄流槽(2)两侧的坝顶(31)、上游坝面(32)、下游坝面(33)内埋置钢管桩(4)，泄流槽网罩(1)顺流边(13)通过连接件(14)与钢管桩(4)固定连接；所述泄流槽网罩(1)主体是矩形钢索网(11)，矩形钢索网(11)网面上固定多排多列排布的配重件(12)；

根据泄流槽(2)最终溃决状态数据设计泄流槽网罩(1)规格，确定泄流槽网罩(1)设计宽度B、泄流槽网罩(1)设计长度L，所述泄流槽网罩(1)设计规格应该不小于泄流槽(2)最终溃决状态平面展开面积。

2.根据权利要求1所述的调控系统，其特征在于：所述泄流槽网罩(1)设计宽度B符合式1关系，

式中，B—泄流槽网罩(1)设计宽度，单位m，

k—溃决速率调控衰减系数，无量纲量，基本数据确定或取值0.6～0.8，

W_t、W_b、H_b—泄流槽(2)最终溃决状态顶部宽度、底部宽度、深度，单位m，基本数据确定。

3.根据权利要求2所述的调控系统，其特征在于：所述泄流槽网罩(1)覆盖上游坝面(32)段长度L₁大于覆盖下游坝面(33)段长度L₃。

4.根据权利要求2所述的调控系统，其特征在于：所述泄流槽网罩(1)设计长度L满足式2条件，

式中，L₁—泄流槽网罩(1)覆盖上游坝面(32)段长度，单位m，α—上游坝坡坡角，单位°，由基本数据确定。

5.根据权利要求2所述的调控系统，其特征在于：所述泄流槽网罩(1)设计长度L满足式3条件，

式中，L₃—泄流槽网罩(1)覆盖下游坝面(33)段长度，单位m，β—下游坝坡坡角，单位°，由基本数据确定。

6.根据权利要求2～5任一所述的调控系统，其特征在于：所述连接件(14)是钢索，钢索设计长度L_s符合依式5、式6关系，

式2、式3中，L_s—钢索设计长度，单位m，

B—泄流槽网罩(1)设计宽度，单位m，依泄流槽网罩(1)设计规格确定，

B₀—泄流槽(2)初始状态横断面周长，单位m，基本数据确定，

k—溃决速率设计衰减系数，无量纲量，基本数据确定或取值0.6～0.8，

W_t—泄流槽(2)最终溃决状态顶部宽度，单位m，基本数据确定，

W_t0、W_b0、H_b0—泄流槽(2)初始状态顶部宽度、底部宽度、深度，单位m，基本数据确定。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述配重件(12)在矩形钢索网(11)覆盖上游坝面(32)区域的重量分布密度大于其余区域的重量分布密度。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述配重件(12)是束口石笼网兜，连接在所述矩形钢索网(11)覆盖上游坝面(32)区域的束口石笼网兜质量密度大于连接在矩形钢索网(11)其余区域的束口石笼网兜质量密度。

9.根据权利要求1～8任一所述的系统，其特征在于：所述矩形钢索网11的网孔等效直径≤坝体土体颗粒累积质量百分比为80％的粒径D₈₀。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：堰塞坝形成后，测算堰塞坝溃决洪水最大洪峰流量Q_p、堰塞坝下游城镇防护设计标准允许最大洪峰流量Q_lim，若Q_p≥Q_lim判断为需要调控堰塞坝泄流量。

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