CN116341210B - 一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构及其优化方法 - Google Patents
一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构及其优化方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116341210B CN116341210B CN202310167773.8A CN202310167773A CN116341210B CN 116341210 B CN116341210 B CN 116341210B CN 202310167773 A CN202310167773 A CN 202310167773A CN 116341210 B CN116341210 B CN 116341210B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- dam
- river
- water
- flow
- water flow
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 100
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 title claims abstract description 27
- 238000005457 optimization Methods 0.000 title claims abstract description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 273
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 67
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 31
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims abstract description 25
- 238000011161 development Methods 0.000 claims abstract description 18
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 32
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 claims description 24
- 239000011362 coarse particle Substances 0.000 claims description 23
- 238000009412 basement excavation Methods 0.000 claims description 22
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 16
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 claims description 16
- 238000012876 topography Methods 0.000 claims description 13
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 claims description 12
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 11
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 11
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 claims description 11
- 239000004575 stone Substances 0.000 claims description 11
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 7
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 claims description 7
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 6
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 claims description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 5
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 4
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 claims description 4
- 239000003657 drainage water Substances 0.000 claims description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000007788 roughening Methods 0.000 claims 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 abstract description 7
- 210000003323 beak Anatomy 0.000 abstract description 6
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 8
- 238000012942 design verification Methods 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 206010012735 Diarrhoea Diseases 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 241001391944 Commicarpus scandens Species 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 2
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 2
- 238000006424 Flood reaction Methods 0.000 description 1
- 208000025865 Ulcer Diseases 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 1
- 230000009172 bursting Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 description 1
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 1
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 230000003204 osmotic effect Effects 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 231100000397 ulcer Toxicity 0.000 description 1
- 238000011179 visual inspection Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02B—HYDRAULIC ENGINEERING
- E02B8/00—Details of barrages or weirs ; Energy dissipating devices carried by lock or dry-dock gates
- E02B8/06—Spillways; Devices for dissipation of energy, e.g. for reducing eddies also for lock or dry-dock gates
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
- G06F17/10—Complex mathematical operations
- G06F17/11—Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
- G06F17/10—Complex mathematical operations
- G06F17/18—Complex mathematical operations for evaluating statistical data, e.g. average values, frequency distributions, probability functions, regression analysis
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2113/00—Details relating to the application field
- G06F2113/08—Fluids
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Operations Research (AREA)
- Databases & Information Systems (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Algebra (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- Evolutionary Biology (AREA)
- Probability & Statistics with Applications (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Revetment (AREA)
Abstract
本发明提出一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构及其优化方法，控泄结构包括适用于土质堰塞坝或能够全线开挖的岩质堰塞坝的泄水槽结构和适用于全线开挖困难的岩质堰塞坝的打"桩"结构，当堰塞坝垭口数量为1时，垭口作为泄水槽的进口位置，当垭口数量n≥2，泄水槽自近坝中位置斜向临单侧河岸的坝顶面末端开挖，利用溃坝水流主流下泄时的惯性和离心力作用，使下泄水流尽可能垂直且冲刷河道凹岸；打"桩"结构包括布置在垭口面靠近下游侧的多排"桩"，每排"桩"交错布置。本发明基于堰塞坝应急处置过程、泄水槽发展过程及打"桩"后漫顶水流溯源过程中的微积分思想，从减小蓄水库容及延长溃决历时两大准则出发，最大限度减小溃决灾害。
Description
技术领域
本发明涉及堰塞坝应急处置技术领域，具体是一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构及其优化方法。
背景技术
堰塞坝通常指地震和强降雨引发山体滑坡后，堵塞河道的松散堆积物。不同于人工坝，堰塞坝粒径分布差异大，受水压、渗透压力、溢流等因素的影响，其整体稳定性和抗冲蚀能力也低，极易发生溃决且溃决时间不确定。一旦溃决，溃坝洪水会对下游造成严重破坏。为减小溃坝造成的灾损，采取适宜且有效的应急处置工程措施至关重要。目前开挖泄水槽是最常用的工程措施之一，现有研究者对其开挖深度、断面型式均已开展了系列研究，但尚未有关于泄水槽的走向和位置，以及如何将其与堰塞坝险情所在位置的河道地形地形条件相结合的相关讨论。另外，对于具有含一定比例粗颗粒的堰塞坝，如存在全线开挖难度，从溃口粗化角度，通过减小垂向溃决程度来减小总下泄量，从而实现降低溃决洪峰流量目的方面的尝试还较少。关于堰塞坝处置工程措施，多样化措施的持续性探究是十分有必要的，并且深入理解应急处置过程的内在原理，有助于对溃决过程中坝体坍塌难以控制及溃决洪峰过大等问题提出更具针对性的处理方法，大幅降低灾害损失。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构及其优化方法，据微积分思想及溃口发展过程提出的减小总下泄量和延长溃决历时两大准则，考虑堰塞坝材料组成、几何形态特征、地形条件、周边环境等险情特征，提出了一种包含两大类分别适用于土质堰塞坝和岩质堰塞坝组成坝体的控泄结构与及其优化方法。
为实现上述目的，本发明采用了一种技术方案：
一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构，所述控泄结构分别包括适用于土质堰塞坝或能够全线开挖的堰质堰塞坝的泄水槽结构和适用于全线开挖困难的岩质堰塞坝的打″桩″结构，其中，
当堰塞坝垭口数量为1时，所述垭口作为泄水槽的进口位置，当垭口数量n≥2，所述泄水槽自近坝中位置斜向临单侧河岸的坝顶面末端开挖，限制溃口展宽过程，利用溃坝水流主流下泄时的惯性和离心力作用，使下泄水流尽可能垂直且冲刷河道凹岸；
所述打″桩″结构包括布置在垭口面靠近下游侧的多排″桩″，每排″桩″交错布置。
进一步地，当河段曲折系数SR大于1.5，且河道曲率半径Rc与河宽Rbf的比值Rc/Rbf＞A时，泄水槽自近坝中位置斜向单侧河岸角度即泄水槽过流流路与坝体顺河道方向中轴线所夹角度设置为当河段曲折系数SR大于1.5，且河道曲率半径Rc与河宽Rbf的比值Rc/Rbf＜A时，泄水槽自近坝中位置斜向单侧河岸角度即泄水槽过流流路与坝体顺河道方向中轴线所夹角度设置为γ1-20°≤γ2≤γ1-10°，A取值2-3，
其中，坝顶面垂直河道方向宽为B’，顺河道方向长为L0，泄水槽宽度为b’，x1＝B′-b′，y1＝L0。
进一步地所述打″桩″结构中以粗粒组角砾中粗砾或巨粒组中碎石尺寸最大值作为″桩″间距，″桩″的深度平均值为坝高的1/3-1/4。
本发明还提供一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构优化方法，包括如下步骤：
步骤S1.对险情特征进行判断，判断有无必要采用控泄结构；
步骤S2.判断堰塞坝类型，若为土质堰塞坝则优先执行步骤S3采用泄水槽控泄结构，若为岩质堰塞坝，如能够全线开挖则考虑执行步骤S3，若实现全线开挖困难，则执行步骤S5采用打"桩"控泄结构；
步骤S3.基于微积分思想，将堰塞湖的形成和减灾过程分别看作为微分过程和积分过程，建立河道主干流总水量变化表达式，基于所述河道主干流总水量变化表达式，采取减小实际总下泄量和延长溃决历时两大基本准则提出开挖泄水槽的方式；
步骤S4.构建溃坝水流冲击河道力学模式，确定泄水槽自坝中位置处倾斜的角度；
步骤S5.基于微积分思想，对打"桩"后水流溯源过程进行分析，建立一段时间内在顺河道方向上的主流下泄水流变化表达式；
步骤S6，基于主流下泄水流变化表达式，确定打"桩"方式、数量、位置、间隔及深度。
进一步地所述步骤S2中，所述堰塞坝类型包括土质堰塞坝和岩质堰塞坝，其中土质堰塞坝或能够全线开挖的岩质堰塞坝均可采用泄水槽结构，全线开挖困难的岩质堰塞坝采用打"桩"结构。
进一步地所述步骤S3中，具体过程如下：
设堰塞湖水位为H，泄水槽初始水位为H0，底部高程为Zs,梯形下底宽为b，边坡为m，湖内水位变化可表示为dH(t),槽底部高程变化可表示为dZs(t),泄流过程中渠道水位为H’；
则H′＝H0-∫H(t)-∫Zs(t)
则过水断面面积A可以近似写成：
A＝(b+mH’)H’＝bH’+mH’2
下泄水流流速V和时间t的关系可以表示为：
溃坝流量变化量ΔQ可以表达为：
参数Cv代表流速修正系数,因此：
微分也可以用导数的观点简单表示，即：
因此，在微小时间段内，干流流量变化率可表示为：
则干流流量在0到t时间段上的数学表达式为：
式中，H(t)为湖内水位，Zs(t)为槽底部高程，Qt2、Qt1分别为t2和t1时刻的溃坝流量，Δt为微小时间间隔；g为重力加速度。
进一步地河道主流总水量变化可进一步表示为：
式中，t1、t2、……tn分别为n个不同时刻，基于上述表达式，在下泄水量一定的情况下，限制溃口发展过程中展宽和切深变化率，也即减小侵蚀速率，可延长溃决历时。
进一步地步骤S4中构建溃坝水流冲击河道力学模式具体过程如下:
假设溃坝水流自泄水槽下泄后对河道的作用力为F'，则F为河道对下泄水流的作用力，二者为一对作用力和反作用力，方向未知，对其进行分解，包括x方向上的和y方向上的Fx和Fy，P1、P2为作用于溃坝水流脱离体两端断面上的动水压力，V1和V2分别为溃坝水流脱离体两端断面平均流速，β为溃坝水流顶冲角；
据x轴列动量方程：
P1cosβ-P2-Fx＝ρQ(α'2V2-α'1V1cosβ)
据y轴列动量方程：
Fy-P1sinβ＝ρQα1V sinβ
式中，α′1和α′2为动量修正系数，令二者相等，均约等于α′，设溃坝水流脱离体上下游动水压力均相等，等于P，且上下游过水断面面积和断面平均流速的值均相等，整合上式可得：
溃坝水流对河道的作用力大小F′与溃坝水流顶冲角β之间的关系可表示为：
可见，溃坝水流对河道的作用力大小F′与溃坝水流顶冲角β呈正比关系，ρ为水的密度；Q为水流流量，溃坝水流流速和顶冲角度越大，凹岸受侵蚀越剧烈，耗能越大。
因此考虑耗能效果及开挖时间，当河段曲折系数SR大于1.5，且河道曲率半径Rc与河宽Rbf的比值Rc/Rbf＞A时，泄水槽自近坝中位置斜向单侧河岸角度即泄水槽过流流路与坝体顺河道方向中轴线所夹角度设置为当河段曲折系数SR大于1.5，且河道曲率半径Rc与河宽Rbf的比值Rc/Rbf＜A时，泄水槽自近坝中位置斜向单侧河岸角度即泄水槽过流流路与坝体顺河道方向中轴线所夹角度设置为γ1-20°≤γ2≤γ1-10°，A取值2-3，
其中，坝顶面垂直河道方向宽为B’，顺河道方向长为L0，泄水槽宽度为b’，x1＝B′-b′，y1＝L0。
进一步地所述步骤S5中，建立的一段时间内在顺河道方向长上的主流下泄水流变化表达式过程如下：
假设x轴为顺水流方向水面，y轴和另一条红线为两条不同深度测量垂直线，两个垂面的水流流速分别为va和vb，且水深分别为ha和hb，由于这两条垂直线的水深不同，因此参数va和vb代表不同的权重，单位dx上的水深为ha+(hb-ha)x/L0，流速为va+(vb-va)x/L0，因此L0断面宽度上的过流流量可以表示为：
积分得：
其中，t1，t1+Δt，t1+2Δt，t1+(n-1)Δt)分别表示溯源侵蚀过程中不同的时间间隔，分别表示这些时间间隔上的过流流量。
进一步地，基于上述表达式，溯源历时延长，则每时段内过流流量减小，可实现在溃口及坝址处落淤大量粗颗粒的目的，″桩″在坝中面靠近下游侧布置，排数越多越好，但考虑时间的紧迫性，打″桩″排数占顺河道方向长L0的1/4，打″桩″结构中以粗粒组角砾中粗砾或巨粒组中碎石尺寸最大值作为″桩″间距，″桩″的深度平均值为坝高的1/3-1/4。
本发明与现有技术相比具体来讲具有以下有益效果：
1.对于高位逆向滑坡形成的由细颗粒组成的土质堰塞坝，易于通过开挖泄水槽来削峰时，优先垭口位置开挖，当垭口位置较多时，优先斜向单侧河段开挖，延长溯源路径，限制溃口展宽，从而延长溃决历时；当河段曲折系数SR大于1.5(弯曲型河段)，将溃坝水流流路朝向河道凸岸并控制在坝顶单侧的同时，利用溃坝水流主流下泄时的惯性和离心力作用，使下泄水流并尽可能垂直正对河岸凹岸，以最大顶冲角冲刷河道凹岸，耗散能量。根据急弯河道和微弯河道不同地形条件，确定泄水槽走向，借助天然河道地形条件消能削峰，延长溃时。
2.除常用挖槽措施外，对于低位顺向滑坡形成的含一定比例粗颗粒的岩质堰塞坝，如全线开挖困难，可以通过实施过流坝面打″桩″来粗化溃口及坝脚，通过限制溃口垂向下切、减小最终垂向溃决程度来减小溃决流量。
3.应急处置过程可以看作积分过程，处置的两大基本准则是延长溃决历时(减小侵蚀速率)和减小溃决程度。基于上述两大准则，以及堰塞坝泄水槽发展过程及打″桩″后漫顶水流溯源过程中的微积分思想，因地制宜地提出的合适措施是可行的，可最大限度减小溃决灾害。
附图说明
图1为本发明的步骤流程图；
图2为本发明堰塞坝应急处置过程中的微积分思想示意图；
图3为本发明实施例中泄流槽控泄结构示意图及其对照组示意图；
图4为本发明溃坝水流对河道凹岸顶冲的物理力学模式示意图；
图5为本发明实施例中打"桩"控泄结构示意图及其对照组示意图；
图6为本发明实施例打“"桩"”后漫顶水流溯源过程中的微积分思想示意图；
图7为本发明实施例打“"桩"”措施作用下溯源侵蚀过程中的差异性侵蚀现象示意图；
图8为本发明实施例中某堰塞坝所在地地形原型示意图；
图9为本发明实施例中上游库区水位变化及溃坝流量曲线示意图；
图10为本发明实施例中上游库区水位变化及溃坝流量曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，而并非用作对本发明的限定。凡是依据本发明的技术实质对上述实施例进行的变化、变形等均属于本发明的涵盖范围。
本发明提供一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构，所述控泄结构分别包括适用于土质堰塞坝或能够全线开挖的岩质堰塞坝的泄水槽结构和适用于全线开挖困难的岩质堰塞坝的打"桩"结构，其中，
当堰塞坝垭口数量为1时，所述垭口作为泄水槽的进口位置，当垭口数量n≥2，所述泄水槽自近坝中位置斜向临单侧河岸的坝顶面末端开挖，限制溃口展宽过程。利用溃坝水流主流下泄时的惯性和离心力作用，使下泄水流尽可能垂直且冲刷河道凹岸；
所述打″桩″结构包括布置在垭口靠近下游侧的多排″桩″，每排″桩″交错布置。
进一步地，考虑耗能效果及开挖时间，当河段曲折系数SR大于1.5，且河道曲率半径Rc与河宽Rbf的比值Rc/Rbf＞A时，泄水槽自近坝中位置斜向单侧河岸角度即泄水槽过流流路与坝体顺河道方向中轴线所夹角度设置为当河段曲折系数SR大于1.5，且河道曲率半径Rc与河宽Rbf的比值Rc/Rbf＜A时，泄水槽自近坝中位置斜向单侧河岸角度即泄水槽过流流路与坝体顺河道方向中轴线所夹角度设置为γ1-20°≤γ2≤γ1-10°，A取值2-3，
其中，坝顶面垂直河道方向宽为B’，顺河道方向长为L0，泄水槽宽度为b’，x1＝B′-b′，y1＝L0。
进一步地，所述打″桩″结构中以粗粒组角砾中粗砾或巨粒组中碎石尺寸最大值作为″桩″间距，″桩″的深度平均值为坝高的1/3-1/4。
如图1所示，本发明还提供一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构优化方法，包括如下步骤：
步骤S1.对险情特征进行判断，判断有无必要采用控泄结构；
步骤S2.判断堰塞坝类型，若为土质堰塞坝则优先执行步骤S3采用泄水槽控泄结构，若为岩质堰塞坝，如能够全线开挖则考虑执行步骤S3，若实现全线开挖困难，则执行步骤S5采用打″桩″控泄结构；
步骤S3.基于微积分思想，将堰塞湖的形成和减灾过程分别看作为微分过程和积分过程，建立河道主干流总水量变化表达式，基于所述河道主干流总水量变化表达式，采取减小实际总下泄量和延长溃决历时两大基本准则提出开挖泄水槽的方式：
步骤S4.构建溃坝水流冲击河道力学模式，确定泄水槽自坝中位置处倾斜的角度；
步骤S5.基于微积分思想，对打″桩″后水流溯源过程进行分析，建立一段时间内在顺河道方向长上的主流下泄水流变化表达式；
步骤S6，基于上述表达式，确定打″桩″方式、数量、位置、间隔及深度。
在本发明中，堰塞湖的形成可以看作是一个微分过程，而处置过程可以看作是一个积分过程。主河道流量从截流到恢复正常的整个过程可以理解为在无限短的时间内应急响应效果的累积。如图2中的(a)所示，当一个矩形被离散成许多个大小不同的小矩形后，经过人工拼凑，又可以重新组合成一个完整的矩形。同样，依据微积分中求曲线下所夹面积的思想，堰塞坝洪峰流量过程线Q(t)与时间横轴所夹面积，也可以近似视为n个小矩形的面积之和，面积总和可用公式(1)表示：
其中n是分割矩形的数量。当n为无穷大时，无数矩形的总面积正好等于红色区域的面积，如公式(2)所示：
S曲线所夹代表整个应急抢险过程中，上游库区下泄总水量ΔV总下泄，如公式(3)所示。
从公式(3)可以看出，当总下泄量ΔV总下泄减小时，每一时刻的流量及洪峰流量均会减小；当总下泄量ΔV总下泄一定时，如果小时间段的数量增加，则在每一小时间段的流量会相应地减小。
现场堰塞坝多为部分溃，对下游造成影响的是实际下泄量(附图1(b))，考虑公式(3)中的积分关系，本发明中的工程处置措施方案主要基于减小实际总下泄量和延长溃决历时两大基本准则提出。
在对险情特征进行判断，判断有无必要采用控泄结构时，以下情况下，快速实施合适有效的控泄结构十分必要：
(1)下游有村庄及重要工程；
(2)坝体顺河道长与垂直河道宽比值较小(L/B<5)，整体不稳定，抗冲性弱，上游来流很大(Q来流≥150m3/s)，极易漫顶溃决；
(3)坝高(H坝高≥70m)很大，溃决会造成严重灾害。
在本实施例中，为满足快速抢险的需要，可先据堰塞坝形成方式及大致的颗粒分布情况界定坝体组成，主要指可通过判断坝体是以否含有大量岩块、碎石、卵块、砾石为主或以者泥土、黄土为主等，确定其是岩质堰塞坝还是土质堰塞坝，从而粗略将坝体划分为以细颗粒为主(土质堰塞坝)或由一定比例粗颗粒组成的坝体(岩质堰塞坝)。
针对上述堰塞坝物质组成分类，所述控泄结构分别包括适用于土质堰塞坝或能够全线开挖的岩质堰塞坝的泄水槽结构和适用于全线开挖困难的岩质堰塞坝的打"桩"结构，从开挖方便性及坝体稳定性方面考虑，泄水槽结构更易在细颗粒为主的土质坝体上实施。但不同于现场及以往考虑开槽断面形状或槽内抛填块石的研究，本实施例关注如何利用泄水槽朝向限制溃口发展和如何利用河道地形削弱洪削峰的问题。另外，二是：由一定比例碎块石土或碎块石组成的岩质堰塞坝更为常见，如实现全线开挖困难，可采用在颗粒间隙打"桩"，粗化溃口，来达到削峰目的。
一.泄水槽控泄结构
确定堰塞坝类型后，考虑减小总下泄量、开挖便捷性及坝体稳定性，可选用开挖泄水槽的方式。其次结合上述微积分思想，再对挖槽后溃口发展期的溃决历时t微分化，给出干流流量微积分表达：
假定：(1)堰塞湖水为理想流体，不可压缩且无粘性。(2)在溃决历时t内溃口的形状形成并且保持稳定。(3)堰塞湖旁侧入流的动量沿干流流向的分量较小，可忽略不计，且忽略降雨及下渗的影响；(4)溃口的底面高程及溃口横纵向侵蚀在某时间段内可看成线性变化。
以常见溃口形状为梯形为例，设堰塞湖水位为H，泄水槽初始水位为H0，底部高程为Zs,梯形下底宽为b，边坡为m，湖内水位变化可表示为dH(t),槽底部高程变化可表示为dZs(t),泄流过程中渠道水位为H’；
H′＝H0-∫H(t)-∫Zs(t) (4)
则过水断面面积可以近似写成：
A＝(b+mH’)H’＝bH’+mH’2 (5)
下泄水流流速和时间的关系可以表示为：
溃坝流量变化量ΔQ可以表达为：
参数Cv代表流速修正系数,其值在0.96到0.99之间波动。因此：
微分也可以用导数的观点简单表示，即：
因此，在微小时间段内，干流流量变化率可表示为：
则干流流量在0到t时间段上的数学表达式为：
根据堰塞湖的形成可以看作是一个微分过程，而减灾过程可以看作是一个积分过程。
根据“无限细分”和“无限总和”的概念，针对特定的开槽措施，河道主流总水量变化可进一步表示为：
式(13)为主流下泄水量与溃口尺寸b,m,H’及溃决历时t之间的关系，可见在下泄水量一定的情况下，限制溃口发展过程中展宽和切深的变化率，也即减小侵蚀速率，可延长溃决历时。
判断垭口位置和数量：通常情况下，堰塞坝地形起伏大，往往存在一个相对高程较低的垭口，适宜作为泄流槽的进口位置。一般新形成的堰塞坝存在多个垭口(垭口数n≥2)，可据垭口位置将泄水槽流路设置在单侧方便控制的位置，诱导溃口单向展宽，限制溃口发展。
对河道的凹凸案进行判断，溃坝水流主流流动最快处是河流的中心，如果河流不是直线流动，中间最快的部分会撞到前面的障碍物，削弱水流流速，耗散能量。当河床坡度降低时，河流的下蚀作用减弱，侧蚀作用增强，流水不断侵蚀河岸，凸岸凹岸形成。在当水流行至河道拐弯处，由于惯性和离心力的作用，使水流向凹岸方向冲去，凹岸受到强烈侵蚀(水流冲刷与侵蚀最弯曲的河岸)，耗散一定能量。在河道弯曲的地区，河岸向河流凸出的一侧叫凸岸，相对的另一侧叫凹岸。如附图3所示，河道右岸为凹岸，左岸为凸岸，附图3中，1为右岸凹岸；2为堰塞体顶面，3为泄水槽。
在河道凹凸岸确定后，同时考虑“将泄水槽流路设置在单侧方便控制的位置，诱导溃口单向展宽，限制溃口发展”，以及考虑“在当水流行至河道拐弯处，由于惯性和离心力的作用，使水流向凹岸方向冲去，凹岸受到强烈侵蚀(水流冲刷与侵蚀最弯曲的河岸)，耗散一定能量”，泄水槽走向应设置为斜向凸岸，使得溃坝水流主流方向流至下游坡面后，由于惯性和离心力作用急剧冲刷河道右岸凹岸。具体泄水槽自坝中位置处倾斜的角度需构建溃坝水流冲击河道凹岸时的概化物理力学模式(附图4)，并结合现场河弯几何型态确定：
假设溃坝水流自泄水槽下泄后对河道的作用力为F′，则F为河道对下泄水流的作用力，二者为一对作用力和反作用力，方向未知，对其进行分解，包括x方向上的和y方向上的Fx和Fy，P1、P2为作用于溃坝水流脱离体两端断面上的动水压力，V1和V2分别为溃坝水流脱离体两端断面平均流速，β为溃坝水流顶冲角。
据x轴列动量方程：
P1cosβ-P2-Fx＝ρQ(α′2V2-α′1V1cosβ) (14)
据y轴列动量方程：
Fy-P1sinβ＝ρQα′1V sinβ (15)
式中，α′1和α′2为动量修正系数，令二者相等，均约等于α′2，设溃坝水流脱离体上下游动水压力均相等，等于P，且上下游过水断面面积和断面平均流速的值均相等，整合式(14)和式(15)可得：
溃坝水流对河道的作用力大小F′与溃坝水流顶冲角β之间的关系可表示为：
可见，溃坝水流对河道的作用力大小F′与溃坝水流顶冲角β呈正比关系，可得溃坝水流流速和顶冲角度越大，凹岸受侵蚀越剧烈，耗能越大。
另外考虑耗能效果及开挖时间，当河段曲折系数SR大于1.5(弯曲型河段)，且测得河道曲率半径与河宽的比值(Rc/Rbf)＞2-3时(微弯河弯)，泄水槽自近坝中位置斜向单侧河岸角度时，顶冲角β最大，横向展宽受到限制，消能效果最佳；设坝顶面垂直河道方向宽为B’，顺河道方向长为L0，泄水槽宽度为b’，其中x1＝B′-b′，y1＝L0，如附图3(b1)组2(设计验证组)所示。泄水槽自靠近坝中处至左岸(单侧)开挖，路径相对较长，近河岸方便控制，可一定程度上限制了溃口向左岸展宽发展的范围，且借助了河道走向调整流路方向，使得顶冲角β尽可能大，达到削峰目的。当河段曲折系数SR大于1.5(弯曲型河段)，且测得河道曲率半径与河宽的比值(Rc/Rbf)＜2-3时(急弯河弯)，泄水槽自近坝中位置斜向单侧河岸角度γ2＝γ1-(15°～20°)时便可实现较好消能效果附图3(b2)。附图3中组1和组3为对比组，分别为无措施实施及泄水槽中主流方向顺应河道凹岸走向(无消能)的工况，后续对附图3(b1)组2(设计验证组)进行了效果验证，组1和组3起对比作用。
在本发明中，附图3(b1)中控泄结构的作用原理主要为通过减少蓄水库容、延长溃决时间和借助自然河道冲击消能来降低溃坝洪峰流量。首先开挖泄水槽可降低坝前最高蓄水水位；其次由于斜向挖槽时的流路相比正向挖槽时更长，所需过流及溯源的时间也更久。考虑溃口发展过程是先淘后塌的过程，当溃口下切到底，并向两侧扩大后，流量才迅速增加，后坍塌土体被溃坝水流快速冲走。斜向开槽方式使得溃口快速发展阶段的展宽侵蚀过程受到限制，其单向侵蚀为主的溃口发展过程较双向侵蚀更缓慢。最重要的是，泄水槽的处置效果还与溃坝时水流流路的顺畅程度有关，对于附图3(b1)中坝体，导流渠向左岸倾斜开挖，且河道向左岸弯曲，几乎垂直于槽中溃坝水流出流方向，这可在整个溃坝过程中通过阻挡水流来耗散能量。此外，由于这种阻水效应，坝趾处的水位相应抬高，这也可通过减小堰塞坝上下游之间的水头差来减缓侵蚀速率。
二.打"桩"控泄结构
当判断堰塞坝为存在全线开挖难度的岩质堰塞坝时，选择打"桩"方式的控泄结构，基于应急处置过程中的微积分思想，该控泄结构拟从减小最终垂向溃决程度和粗化溃口方面减小实际总下泄量和延长溃决历时。
附图5中为更适用的控泄结构布置，组5为本发明中的设计组，组4为无措施实施组，作为效果验证时的对比组。
借助微积分思想，对打"桩"后水流溯源过程进行分析；附图6显示了顺水流方向坝面上游端和下游端不同深度的测量垂线。溯源过程中，沿水流方向垂直断面的形状将逐渐发生变化。假设x轴为顺水流方向水面，y轴和另一条红线为两条不同深度测量垂直线。假定两个垂面的水流流速分别为va和vb，且水深分别为ha和hb。由于这两条垂直线的水深不同，因此参数va和vb代表不同的权重。单位dx上的水深为ha+(hb-ha)x/L0,流速为va+(vb-va)x/L0因此L0断面宽度上的过流流量可以表示为:
积分得：
只要有坝面上游端和下游端两不同垂面的流速与水深，则可得到顺河道方向长L0上的过流流量。因此如有一些特定溯源时间间隔上(比如t1，t1+Δt，t1+2Δt，t1+(n-1)Δt)上的流速和水深，则可得这些时间间隔上的过流流量溯源侵蚀过程中，坝面上游端和下游端水深及流速发生变化，过水流量及过水量均增加，因此在一段时间内在顺河道方向长L0上的主流下泄水流变化可以表示为：
式(16)为打″桩″后，溯源侵蚀过程中，主流下泄水量与过流流量和溯源侵蚀历时t之间的关系。可见，打″桩″后，如溯源历时延长，则每时段内过流流量减小，可实现在溃口及坝址处落淤大量粗颗粒的目的。考虑这一点，″桩″在垭口面靠近下游侧布置，排数越多越好，但考虑时间的紧迫性，经试验验证，打″桩″排数占顺河道方向长L0约1/4时便可达到较好效果。
附图5(b)所示：另，为减小打″桩″工作量，据现场垭口判断可能的漫顶位置，或将坝体某一位置(中间)处平面压低，后将一定数量的″桩″沿水流方向在可能过流的一个或多个小范围内布置。以一个室内小型物理模型为例，″桩″用焊条代替，在坝中面靠近下游侧布置，在距坝面靠近下游端约30cm位置处开始打入焊条(深度为25cm)，自下游至上游布置7排，垂直水流方向宽共24cm。另外，顺水流方向上每排间距不超过3cm，垂直水流方向各排中的焊条间距均为4cm(d)，交错分布，目的是阻碍大于的颗粒快速被水流冲刷至下游。
注意：①模型中的焊条用来代表″桩″，现场可根据实际环境伐木为″桩″，或在颗粒间隙处凿洞浇筑成"桩"，更加方便和高效。②"桩"间距离的确定最重要，现场可通过目测及简单工具测量的方法对坝体中较大比例粗粒组中的颗粒尺寸进行预估，一般可以粗粒组角砾中粗砾或巨粒组中碎石尺寸最大值作为"桩"间距。另外，由于坝内材料分布的不均性，"桩"的深度平均值为坝高的1/3-1/4即可。当坝下某些位置处大块石较多，"桩"深可相应减小；当坝下某些位置处大块石和细颗粒间缝隙较大，"桩"深可相应增加。该控泄结构对于小规模堰塞体更方便实用。
细颗粒和粗颗粒在溯源侵蚀过程中的起动状态不同，由于细小颗粒在小水深条件下的起动流速很小,而粗颗粒起动流速较大，当水流流速较小时，细颗粒大多被水流冲走，粗大颗粒发生剪切破坏后不能随即起动,停留在溃口底部,增大溃口底部的粗糙度。因此，打"桩"方案拟达到的目的即是在溯源侵蚀阶段，使得更多的粗颗粒在溃口，甚至在坝下游坡脚处落淤(附图7)。尽管在溃口快速发展阶段,一部分溯源侵蚀阶段未起动的偏粗颗粒被水流冲走，但随着展宽过程的发展，又会有更多的粗颗粒落淤，并且在经水流冲击作用后，密实度提高，再起动的难度增大。总的来说，所有堆积在溃口处的粗颗粒可抑制溃口下切，当级配变粗至一定程度后，溃口粗化有可能阻止溃决的进一步发展，即终止整个溃决过程。并且，由于坝体下游河道坡比较小且横向较宽，洪水自较窄溃口下泄至下游宽浅河道后，过水断面面积增加，溃坝水流流速明显减小，使得粗颗粒先于坝底溃口处沉降、淤积，偏细颗粒在水流向下游运动的过程中逐渐持续淤积，直至实现河床平衡。如在溯源侵蚀阶段，由于措施的实施，在坝脚处出现更多的淤积，将加速上述河床再平衡阶段，因而使得最终溃口下切深度减小，下泄水量减小即通过实现溃口粗化，来减小最终下切深度，即实际下泄水量的角度提措施方案。
下面以具体实施例对本发明的技术效果做出说明：
实例：2018年10月10日22时，某市境内发生山体滑坡，滑坡堵塞并形成堰塞湖。堰塞湖从10月12日17时15分开始自然过流，经过水流冲刷最终在原河道右岸形成新河道。2018年11月3日，“10.10”堰塞坝处再次发生滑坡，滑坡体堵塞上次堰塞湖溃决后形成的新河道形成“11.3”堰塞坝。新形成的堰塞体地面顺河方向长195m，底面顺河方向长约450m，二次滑坡体入江方量约300万m3，堰塞坝高度96-100m。溃决结束后，在堰塞体发生地两岸残留了约340万m3危险体，近年来由于受到降雨、融雪的影响，危险体变形区的裂缝逐渐加深，且横向裂缝数量变多，仍存在再次滑坡堵江，形成堰塞湖的风险，会对该处上下游造成洪水威胁。
本实施例中取11.3堰塞坝断面上游1.5km至下游2km的河道，以水平比尺1：200，垂直比尺1：150建立室内模型。物理模型包含18个地形断面，河道段为微弯河道，总长17.5m，其中坝前7.5m，坝后约10m。断面最宽处达3.2m，最窄2.4m(附图8)。
基于堰塞坝原型，本实施例将坝体概化为梯形，考虑更危险工况，上游流量3L/s(相当于实际1162m3/s，模拟突降暴雨情形)，尺寸依照11.3滑落坝体方量(长高比小的危险情况)按比尺缩放设计,河道中坝体尺寸为上底1m×下底长2.5m×高0.7m，坝体所在位置处宽度约为2.1m，开挖泄水槽为上底长20cm×下底长1.5cm×高10cm的梯形。为区分不同措施方案更适用的坝体材料，细颗粒为主的坝体d50为0.25mm。关于有一定比例粗颗粒的坝体材料，则将堰塞坝实际材料的级配按照相同组成比例缩放在0.001-4cm之间。
附图3中组次2(设计验证组)坝体在初始过流阶段，由于泄水槽走向不同，漫顶水流朝向不同方向“匍匐前进”，水流到达坝体下游坡面后，局部水流流速由于水头差显著增大，使得下游坡面随即出现多个陡坎，并迅速下切成深沟。随后溃决水流不断纵向冲击陡坎水平面，细颗粒被冲刷带走.陡坎落差不断增大，陡坎沿挖槽方向回溯发展。后在快速溃决阶段，斜向开挖泄水槽的方式限制了溃坝水流的展宽过程，溃口附近的坝体材料单侧坍塌。
打"桩"措施确可使得粗颗粒落淤，溃口发生粗化的现象。相比无措时组4，打"桩"措施实施后，在对粗颗粒的拦蓄作用下，漫顶水流流速减缓，致使另一个溯源侵蚀点出现，使得溃口处及下游坝趾处出现更多的淤积，减小了垂向溃决程度，也延长了溃决历时，从而削减溃决洪峰流量。
附图9和10分别为附图3和5中不同组次在溃坝过程中的上游库区水位变化过程及溃坝流量曲线。
表1和2分别为附图3和5中不同组次在溃坝过程中的上游库区水位变化历时，其中缓慢下降及快速下降两个阶段的总时长为溃坝历时。
表1上游库区水位变化过程历时(附图3)
表2上游库区水位变化过程历时(附图5)
从附图9(a)可以明显看出，开挖泄水槽后，最大雍高水位自1975mm(组1)明显减小至约1967mm(组2和3)，由于坝前蓄水量减小，措施实施后的溃坝流量较实施前大幅度降低(180L/s降至120L/s和140L/s)。另外，可见该发明中设计组组次2中的坝体洪峰流量低于组次3，同样是斜向开挖泄水槽，组次2及组次3中坝体展宽被限制程度相当，总溃决历时均为120s(2510-2630,2400-2440)，但由于组次2(设计验证组)中河道对溃坝水流的阻挡消能作用，组次2(设计验证组)中坝体的快速下降过程为90s,相对较缓慢，且该种消能作用使得溃坝流量较无消能影响时(组次3)减小了20L/s，相当于原型中7438m3/s，说明组次2(设计验证组)中的方案有一定效果。
从附表2可以看出，相比无措施坝体,在上游库容及来流相同的情况下,打"桩"措施确可以延缓溃决的发生。附图5中设计组组次5中的坝前水位平稳上涨阶段的结束时间为2530s较无措施坝体(组次4)推迟了20s,相当于原型中320s。恢复稳定阶段不存在侵蚀效应，而只是溃决的结果，故该阶段历时不算在总溃决历时里面。库水位下降过程涉及侵蚀效应，该过程历时为溃决历时。在库水位恢复稳定之前,设计组组次5中坝体坝前水位在整个下降过程的总历时分别为190s(2530-2720)，长于组次4中的110s(2510-2620),说明上述工程措施均一定程度上延长了溃决历时。
另外,从附图10(b)中可以看出，设计组组次5中的溃坝洪峰流量分别为94L/s,明显小于组次4中的136L/s，最大差距可达42L/s，相当于原型约17000m3/s。与无措施组组次4相比，当本发明中提出的措施方案实施时，溃坝洪峰流量可减小约30％，说明设计组组次5中的方案有一定效果，措施减小了垂向溃决程度，溃口粗化的效果已在延长的溃决历时中得以明显体现。
综上所述：
1、本发明中首次提出了堰塞坝应急处置过程和泄水槽发展过程中的微积分思想，所有控泄结构与方法均基于上述思想中所得的减小蓄水库容及延长溃决历时(减小侵蚀速率)两大基本准则提出。
2、本发明中控泄结构与方法的提出考虑了堰塞坝形成方式、坝体组成及当地地形条件，两大类措施方案分别适用于土质堰塞坝和能够全线开挖的岩质堰塞坝(细颗粒为主的土质堰塞坝优先采用)及存在一定比例粗颗粒(难以实现全线开挖)的堰塞坝。在开挖泄水槽方案中，除实现减小蓄水库容及延长溃决历时目的外，提出当多个垭口存在时，将泄水槽流路设置在单侧方便控制的位置，并借助河道走向调整流路方向，达到削峰目的，是现场应急处置时可借鉴的一个新思路。另外，除挖槽外，对于存在一定比例粗颗粒的坝体(难以实现全线开挖)，利用坝体颗粒侵蚀的不均匀性，新提出的采取粗化溃口的方式来降低最终垂向溃决程度部分的思想和方法对于现场抢险及未来新措施探究奠定了一定的理论基础。
3、本发明对控泄结构与方法均进行了验证，验证方式为据堰塞坝残坝所在地河道地形和为原型，按照一定比尺建立了物理模型，非现有研究中使用的规则水槽，较好地体现了所提控泄结构与方法的应用意义。另外，该发明从堰塞坝发生时的溃决判断和微积分思想在溃坝事件中的应用分析，到应急处置中控泄结构布置及处置效果分析，呈现系统性和科学性。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的方法和装置并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构，其特征在于，所述控泄结构分别包括适用于土质堰塞坝或能够全线开挖的堰质堰塞坝的泄水槽结构和适用于全线开挖困难的岩质堰塞坝的打"桩"结构，其中，
对于高位逆向滑坡形成的由细颗粒组成的土质堰塞坝，当堰塞坝垭口数量为1时，易于通过开挖泄水槽来削峰时，对垭口位置开挖，所述垭口作为泄水槽的进口位置，当垭口数量n≥2，所述泄水槽自近坝中位置斜向临单侧河岸的坝顶面末端开挖，斜向单侧河段开挖，延长溯源路径，限制溃口展宽过程，利用溃坝水流主流下泄时的惯性和离心力作用，使下泄水流尽可能垂直且冲刷河道凹岸，从而延长溃决历时；
当河段曲折系数SR大于1.5，将溃坝水流流路朝向河道凸岸并控制在坝顶单侧的同时，利用溃坝水流主流下泄时的惯性和离心力作用，使下泄水流并尽可能垂直正对河岸凹岸，以最大顶冲角冲刷河道凹岸，耗散能量，根据急弯河道和微弯河道不同地形条件，确定泄水槽走向，借助天然河道地形条件消能削峰，延长溃时；
对于低位顺向滑坡形成的含一定比例粗颗粒的岩质堰塞坝，通过实施过流坝面打"桩"来粗化溃口及坝脚,通过限制溃口垂向下切、减小最终垂向溃决程度来减小溃决流量；所述打"桩"结构包括布置在垭口面靠近下游侧的多排"桩"，每排"桩"交错布置。
2.根据权利要求1所述的一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构，其特征在于，当河段曲折系数SR大于1.5且河道曲率半径Rc与河宽Rbf的比值Rc/Rbf>A时，泄水槽自近坝中位置斜向单侧河岸角度即泄水槽过流流路与坝体顺河道方向中轴线所夹角度γ1设置为当河段曲折系数SR大于1.5且河道曲率半径Rc与河宽Rbf的比值Rc/Rbf＜A时，泄水槽自近坝中位置斜向单侧河岸角度即泄水槽过流流路与坝体顺河道方向中轴线所夹角度γ2设置为γ1-20°≤γ2≤γ1-10°，A取值2-3；
其中，坝顶面垂直河道方向宽为B’，顺河道方向长为L0，泄水槽宽度为b’，x1＝B′-b′，y1＝L0。
3.根据权利要求1所述的一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构，其特征在于，所述打"桩"结构中以粗粒组角砾中粗砾或巨粒组中碎石尺寸最大值作为"桩"间距，"桩"的深度平均值为坝高的1/3-1/4。
4.一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构优化方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤S1.对险情特征进行判断，判断有无必要采用控泄结构；
步骤S2.判断堰塞坝类型，若为土质堰塞坝则执行步骤S3采用泄水槽控泄结构，若为岩质堰塞坝，如能够全线开挖则考虑执行步骤S3，若实现全线开挖困难，则执行步骤S5采用打"桩"结构；所述打"桩"结构包括布置在垭口面靠近下游侧的多排"桩"，每排"桩"交错布置，通过实施过流坝面打"桩"来粗化溃口及坝脚,通过限制溃口垂向下切、减小最终垂向溃决程度来减小溃决流量；
步骤S3.基于微积分思想，将堰塞湖的形成和减灾过程分别看作为微分过程和积分过程，建立河道主干流总水量变化表达式，基于所述河道主干流总水量变化表达式，采取减小实际总下泄量和延长溃决历时两大基本准则提出开挖泄水槽的方式；泄水槽对垭口位置开挖，所述垭口作为泄水槽的进口位置，当垭口数量n≥2，所述泄水槽自近坝中位置斜向临单侧河岸的坝顶面末端开挖，斜向单侧河段开挖，延长溯源路径，限制溃口展宽过程，利用溃坝水流主流下泄时的惯性和离心力作用，使下泄水流尽可能垂直且冲刷河道凹岸，从而延长溃决历时；
步骤S4.构建溃坝水流冲击河道力学模式，确定泄水槽自坝中位置处倾斜的角度；当河段曲折系数SR大于1.5，将溃坝水流流路朝向河道凸岸并控制在坝顶单侧的同时，利用溃坝水流主流下泄时的惯性和离心力作用，使下泄水流并尽可能垂直正对河岸凹岸，以最大顶冲角冲刷河道凹岸，耗散能量，根据急弯河道和微弯河道不同地形条件，确定泄水槽走向，借助天然河道地形条件消能削峰，延长溃时；
步骤S5.基于微积分思想，对打"桩"后水流溯源过程进行分析，建立一段时间内在顺河道方向上的主流下泄水流变化表达式；
步骤S6，确定打"桩"方式、数量、位置、间隔及深度。
5.根据权利要求4所述的一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构优化方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述堰塞坝类型包括土质堰塞坝和岩质堰塞坝，其中土质堰塞坝或能够全线开挖的岩质堰塞坝均可采用泄水槽结构，全线开挖困难的岩质堰塞坝采用打"桩"结构。
6.根据权利要求4所述的一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构优化方法，其特征在于：所述步骤S3中，具体过程如下：
设堰塞湖水位为H，泄水槽初始水位为H0，底部高程为Zs,梯形下底宽为b，边坡为m，湖内水位变化可表示为dH(t),槽底部高程变化可表示为dZs(t),泄流过程中渠道水位为H’；
则H′＝H0-∫H(t)-∫Zs(t)
则过水断面面积A可以近似写成：
A＝(b+mH’)H’＝bH’+mH’2
下泄水流流速V和时间t的关系可以表示为：
溃坝流量变化量ΔQ可以表达为：
参数Cv代表流速修正系数,因此：
微分也可以用导数的观点简单表示，即：
因此，在微小时间段内，干流流量变化率可表示为：
则干流流量在0到t时间段上的数学表达式为：
式中，H(t)为湖内水位，Zs(t)为槽底部高程，Qt2、Qt1分别为t2和t1时刻的溃坝流量，Δt为微小时间间隔；g为重力加速度。
7.根据权利要求6所述的一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构优化方法，其特征在于：河道主流总水量变化可进一步表示为：
式中，t1、t2、……tn分别为n个不同时刻，基于河道主流总水量变化表达式，在下泄水量一定的情况下，限制溃口发展过程中展宽和切深变化率，也即减小侵蚀速率，可延长溃决历时。
8.根据权利要求4所述的一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构优化方法，其特征在于：步骤S4中构建溃坝水流冲击河道力学模式具体过程如下:
假设溃坝水流自泄水槽下泄后对河道的作用力为F'，则F为河道对下泄水流的作用力，二者为一对作用力和反作用力，方向未知，对其进行分解，包括x方向上的和y方向上的Fx和Fy，P1、P2为作用于溃坝水流脱离体两端断面上的动水压力，V1和V2分别为溃坝水流脱离体两端断面平均流速，β为溃坝水流顶冲角；
据x轴列动量方程：
P1cosβ-P2-Fx＝ρQ(α'2V2-α'1V1cosβ)
据y轴列动量方程：
Fy-P1sinβ＝ρQα′1V1sinβ
式中，α'1和α'2为动量修正系数，令二者相等，均约等于α′，设溃坝水流脱离体上下游动水压力均相等，等于P，且上下游过水断面面积和断面平均流速的值均相等，整合上式可得：
溃坝水流对河道的作用力大小F'与溃坝水流顶冲角β之间的关系可表示为：
可见，溃坝水流对河道的作用力大小F′与溃坝水流顶冲角β呈正比关系，ρ为水的密度；Q为水流流量，溃坝水流流速和顶冲角度越大，凹岸受侵蚀越剧烈，耗能越大；
因此考虑耗能效果及开挖时间，当河段曲折系数SR大于1.5，且河道曲率半径Rc与河宽Rbf的比值Rc/Rbf>A时，泄水槽自近坝中位置斜向单侧河岸角度即泄水槽过流流路与坝体顺河道方向中轴线所夹角度设置为当河段曲折系数SR大于1.5，且河道曲率半径Rc与河宽Rbf的比值Rc/Rbf＜A时，泄水槽自近坝中位置斜向单侧河岸角度即泄水槽过流流路与坝体顺河道方向中轴线所夹角度设置为γ1-20°≤γ2≤γ1-10°，A取值2-3，
其中，坝顶面垂直河道方向宽为B’，顺河道方向长为L0，泄水槽宽度为b’，x1＝B′-b′，y1＝L0。
9.根据权利要求8所述的一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构优化方法，其特征在于：所述步骤S5中，建立的一段时间内在顺河道方向长上的主流下泄水流变化表达式过程如下：
假设x轴为顺水流方向水面，坝面顺水流方向任意两条不同深度测量垂直线所在垂面的水流流速分别为va和vb，且水深分别为ha和hb，由于这两条垂直线的水深不同，因此参数va和vb代表不同的权重，单位dx上的水深为ha+(hb-ha)x/L0,流速为va+(vb-va)x/L0，因此L0断面宽度上的过流流量可以表示为:
积分得:
其中，t1,t1+Δt,t1+2Δt,t1+(n-1)Δt)分别表示溯源侵蚀过程中不同的时间间隔，分别表示这些时间间隔上的过流流量。
10.根据权利要求9所述的一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构优化方法，其特征在于：基于表达式，溯源历时延长，则每时段内过流流量减小，可实现在溃口及坝址处落淤大量粗颗粒的目的，"桩"在坝中面靠近下游侧布置，排数越多越好，但考虑时间的紧迫性，打"桩"排数占顺河道方向长L0的1/4，打"桩"结构中以粗粒组角砾中粗砾或巨粒组中碎石尺寸最大值作为"桩"间距，"桩"的深度平均值为坝高的1/3-1/4。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310167773.8A CN116341210B (zh) | 2023-02-24 | 2023-02-24 | 一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构及其优化方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310167773.8A CN116341210B (zh) | 2023-02-24 | 2023-02-24 | 一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构及其优化方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116341210A CN116341210A (zh) | 2023-06-27 |
| CN116341210B true CN116341210B (zh) | 2024-05-28 |
Family
ID=86876669
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310167773.8A Active CN116341210B (zh) | 2023-02-24 | 2023-02-24 | 一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构及其优化方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116341210B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116976221B (zh) * | 2023-08-10 | 2024-05-17 | 西安理工大学 | 基于冲蚀特性的堰塞体溃决峰值流量预测方法及存储介质 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011236606A (ja) * | 2010-05-10 | 2011-11-24 | Nikken Kogaku Co Ltd | 堤防強化用ウエル工法における排水構造及びこれに使用する集水用ブロック |
| CN105808859A (zh) * | 2016-03-11 | 2016-07-27 | 武汉大学 | 一种洪水作用下车辆稳定程度的判别方法 |
| CN109657281A (zh) * | 2018-11-26 | 2019-04-19 | 西安理工大学 | 一种引流槽开挖措施的堰塞坝溃决机制分析方法 |
| CN110042856A (zh) * | 2019-05-07 | 2019-07-23 | 东华理工大学 | 一种用于堰塞湖泄流槽机械开挖的沉井及开挖方法 |
| CN110055981A (zh) * | 2019-04-18 | 2019-07-26 | 中铁第四勘察设计院集团有限公司 | 滑坡的支挡单元、支挡结构及施工方法 |
| CN111950062A (zh) * | 2020-08-14 | 2020-11-17 | 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 | 一种堰塞体溢流线及垭口的确定方法 |
| CN113322906A (zh) * | 2021-06-04 | 2021-08-31 | 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 | 钢索网石笼结构体堰塞坝溃决排险防洪系统、应用 |
| CN114120590A (zh) * | 2021-11-08 | 2022-03-01 | 四川农业大学 | 基于不同溃决模式的堰塞坝溃决危险性分级和预警方法 |
| CN114991094A (zh) * | 2022-07-17 | 2022-09-02 | 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 | 堰塞坝泄流槽工程调控系统 |
| CN115618553A (zh) * | 2022-06-28 | 2023-01-17 | 西南交通大学 | 一种高陡岩质边坡高位崩塌多级消能系统的防治方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111809556B (zh) * | 2020-07-22 | 2021-07-13 | 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 | 冰湖溃决型洪水泥石流防治方法 |
-
2023
- 2023-02-24 CN CN202310167773.8A patent/CN116341210B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011236606A (ja) * | 2010-05-10 | 2011-11-24 | Nikken Kogaku Co Ltd | 堤防強化用ウエル工法における排水構造及びこれに使用する集水用ブロック |
| CN105808859A (zh) * | 2016-03-11 | 2016-07-27 | 武汉大学 | 一种洪水作用下车辆稳定程度的判别方法 |
| CN109657281A (zh) * | 2018-11-26 | 2019-04-19 | 西安理工大学 | 一种引流槽开挖措施的堰塞坝溃决机制分析方法 |
| CN110055981A (zh) * | 2019-04-18 | 2019-07-26 | 中铁第四勘察设计院集团有限公司 | 滑坡的支挡单元、支挡结构及施工方法 |
| CN110042856A (zh) * | 2019-05-07 | 2019-07-23 | 东华理工大学 | 一种用于堰塞湖泄流槽机械开挖的沉井及开挖方法 |
| CN111950062A (zh) * | 2020-08-14 | 2020-11-17 | 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 | 一种堰塞体溢流线及垭口的确定方法 |
| CN113322906A (zh) * | 2021-06-04 | 2021-08-31 | 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 | 钢索网石笼结构体堰塞坝溃决排险防洪系统、应用 |
| WO2022252283A1 (zh) * | 2021-06-04 | 2022-12-08 | 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 | 钢索网石笼结构体堰塞坝溃决排险防洪系统、应用 |
| CN114120590A (zh) * | 2021-11-08 | 2022-03-01 | 四川农业大学 | 基于不同溃决模式的堰塞坝溃决危险性分级和预警方法 |
| CN115618553A (zh) * | 2022-06-28 | 2023-01-17 | 西南交通大学 | 一种高陡岩质边坡高位崩塌多级消能系统的防治方法 |
| CN114991094A (zh) * | 2022-07-17 | 2022-09-02 | 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 | 堰塞坝泄流槽工程调控系统 |
Non-Patent Citations (8)
| Title |
|---|
| Theoretical Description of the Hydrodynamic Process after Barrier Lake Formation and Emergency Responses Implementation;Jingwen Wang等;https://www.mdpi.com/journal/water;1-20 * |
| 不同横断面泄流槽的地震堰塞湖溃决实验研究;赵万玉;陈晓清;高全;贾世涛;;泥沙研究(第04期);29-37 * |
| 动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型;夏军强;王光谦;谈广鸣;;水利学报(第03期);296-30848-60 * |
| 基于物理模型试验的堰塞坝冲刷溃决过程研究;谢忱;李从江;杨兴国;范刚;李海波;周家文;工程科学与技术(第006期);43-53 * |
| 堰塞湖风险评估快速检测与应急抢险技术和装备研发研究构想与成果展望;蔡耀军;杨兴国;张利民;周家文;彭文祥;范刚;;工程科学与技术(第02期);10-18 * |
| 溃坝水流三维计算模型比较;郑力;钱忠东;曹志先;谈广鸣;;武汉大学学报(工学版)(第06期);758-763 * |
| 漫谈堰塞湖;朱诗鳌;;人民长江(第15期);25-27 * |
| 苏洼龙水电站遭遇白格堰塞湖灾害应对措施;王剑涛;薛宝臣;赵万青;郭兴;;水电与抽水蓄能(第02期);20-25 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116341210A (zh) | 2023-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6059490A (en) | Hydraulic energy dissipating offset stepped spillway and methods of constructing and using the same | |
| CN116341210B (zh) | 一种基于险情特征的堰塞坝控泄结构及其优化方法 | |
| CN104088250A (zh) | 基于泥石流形成模式的泥石流防治方法 | |
| CN109778798B (zh) | 多级孔管堰分流放淤方法 | |
| CN112878276A (zh) | 堰塞湖引流槽网链护坡防护结构及方法 | |
| CN116695630A (zh) | 加速堰塞湖溃决、提升泄流效率的阶梯式引流槽布置方法 | |
| CN110067230B (zh) | 一种针对粘性泥石流的窗口坝开口参数确定方法 | |
| CN216615688U (zh) | 一种堰塞湖引流槽结构 | |
| CN213805270U (zh) | 一种防止河道下切破坏的多曲拱形透水台阶式消能二级坝 | |
| Zhao et al. | Dam-break characteristics of landslide dams with different types of open channel discharge sections | |
| Awal et al. | Experimental study on piping failure of natural dam | |
| CN113565524B (zh) | 一种运营期防突涌砂的凹槽式斜井、隧道结构及设计方法 | |
| CN112144488A (zh) | 防止河道下切破坏的多曲拱形透水台阶式消能二级坝 | |
| Bieri et al. | Energy dissipation downstream of piano key weirs-case study of Gloriettes Dam (France) | |
| CN216809747U (zh) | 堰塞体柔性网块防护结构 | |
| Ali et al. | Characterizations of flow over stepped spillways with steps having transverse slopes | |
| JP7212581B2 (ja) | 土石流堆積工 | |
| CN215210844U (zh) | 堰塞湖引流槽锁链石笼串体防护结构 | |
| CN106930242A (zh) | 桩基溢流坝与铅丝石笼护坦 | |
| Yusof et al. | A hydrodynamic model of an embankment breaching due to overtopping flow using FLOW-3D | |
| Lara et al. | Reduction of the erosive effects of effluent jets from spillways by contractions in the flow | |
| CN105951615B (zh) | 一种低成本抗水毁的小桥涵出水口防护设计方法 | |
| CN109826164A (zh) | 一种堰塞湖瞬态激励泄流方法 | |
| CN113106930B (zh) | 一种之字型阶梯坝及其施工方法 | |
| CN114592485B (zh) | 适于黄土高原水土保持的拼装板式坝 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |