一种土石坝溃坝被动泄流抢险方法

摘要

本发明的目的是提供一种在土石坝漫顶风险较高情况下预先布置泄流通道，或在土石坝漫顶达到漫顶溃坝第二阶段以前，应急布置泄流通道，降低库水位，消除溃坝风险的方法，属于水利工程土石坝防汛抢险领域。本发明方法主要包括：(1)确定泄流槽位置及泄流槽口门尺寸；(2)利用连续锚杆在下游坝坡预定泄流槽槽身位置锚定防水型土工织物；(3)对坝脚进行摊铺防护或抛石防护；(4)利用爆破或机械开挖降低坝顶高程，形成泄流槽泄流口门，提供了一种全新土石坝溃坝被动泄流抢险方法；缩短了工期避免了在土石坝被迫溢流时的垮坝风险，保障了下游人民的生命财产安全。

说明书

技术领域

本发明一种土石坝溃坝被动泄流抢险方法，属于水利工程土石坝防汛抢险领域。

背景技术

我国已建水库大坝8.6万多座，小型塘坝640多万座，其中90％以上为土石坝。这些水库建设年代久 远，许多都是当地农民自建，水文系列短，对水库防洪库容和泄洪能力估计不足，许多水库设计和建设标 准低，普遍存在泄洪设施泄流能力不足的现象(许多小水库溢洪道泄流能力均不达标)，一旦遇到超标准 洪水极有可能发生漫顶溃坝事故，将会给下游带来严重的灾难。以往的土石坝漫顶抢护主要以预防为主， 比较常见的方法就是筑堰抢护，即在坝顶筑子堤来防御漫顶洪水对下游坡面的冲刷，常用的土堰形式主要 有粘性土堰、袋装土堰、板状土堰、柳石土堰等。传统的抢筑子堤技术需要事先备足物料，存在效率低、汛 期过后处理复杂等缺点。还有一种常用的抢护方法是抢挖溢洪道泄流。对于我国面广量大的小型水库、塘 坝，平时维护力量就较为薄弱，出现漫顶险情时抢挖溢洪道往往开挖进度较慢，常常难以奏效。另外，由 于土石坝通常是不允许漫顶过水的，临时抢挖溢洪道存在一个重要的风险即是漫顶水流冲刷坝体，甚至引 起全面溃坝的事故。

鉴于此，本发明提出一种新方法，采用“疏”、“防”结合，研究一套应急泄流槽快速构建技术，利用“爆 破”技术或机械开挖方式实现应急泄流槽的快速构建，利用特制的高强合成材料，实现应急泄流槽的迅速 加固。该项技术具有实用性强，实施简便，推广应用前景广泛等诸多特点，对于我国面广量大的中小型水 库防洪抢险具有重要的价值，对于提高我国处置溃坝突发性洪水灾害，编制应急预案，发布洪水预警，组 织撤离与逃生，实施紧急救援等均具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种在土石坝漫顶风险较高情况下预先布置泄流通道，或在土石坝漫顶达到漫顶 溃坝第二阶段以前，应急布置泄流通道，降低库水位，消除溃坝风险的方法。

一种土石坝溃坝被动泄流抢险方法，包括以下步骤：

当土石坝具有高溃坝风险，但尚未漫顶时，或者当土石坝已开始漫顶，但溃坝现状未达到第二阶段以 前，利用连续锚杆预先在设计泄流槽内锚定防水型土工织物构建土石坝被动泄流通道。发明人对土石坝漫 顶溃决进行了多次试验，将土石坝漫顶的溃决过程分为五个阶段，具体而言包括：第一阶段漫顶初期坝下 游坡形成冲沟，第二阶段形成台阶状跌坎，第三阶段台阶状跌坎合并，第四阶段台阶状跌坎下切并向上游 扩展，第五阶段坝体横向扩展并最终溃决。由于锚定防水型土工织物的方法非常迅速，因此本方法在漫顶 溃坝到达第二阶段(形成台阶状跌坎)以前，作为避免扩大损失的方法均可使用。具体泄流抢险方法为：

(1)确定泄流槽位置及泄流槽口门尺寸；

本步骤是通过上游洪水预报得知上游在近期仍有较大洪水，而土石坝现已达到或逼近校核洪水位，现 有泄洪措施无法满足泄洪量要求，这时应迅速在坝体上选定预备泄流槽位置，依据预报洪水流量确定泄流 槽口门尺寸。

(2)利用连续锚杆在下游坝坡预定泄流槽槽身位置锚定防水型土工织物；

(3)对坝脚进行摊铺防护或抛石防护。

(4)利用爆破或机械开挖降低坝顶高程，形成泄流槽泄流口门。

上述的利用爆破是在坝顶设定的泄流槽内埋设炸药，药室布置高程距离大于计算的爆破压缩圈半径， 并有一定的安全值，避免爆破破坏应急泄流槽顶部固定结构；

由于在溃坝泄流抢险的过程中缩短施工时间是最重要部分，因此本方法中的土工织物与传统的土工织 物的铺设方法有所不同，由于本方法构筑的是临时建筑物，因此土工织物不通过传统的锚固沟或掩埋的方 式施工而是通过如下方法进行施工。

上述利用连续锚杆预先在设计泄流槽内锚定防水型土工织物构建土石坝被动泄流槽包括如下内容：

a.锚定高程范围为坝下游水面至预定坝顶泄流槽下缘；

b.锚定水平范围根据如下方法确定：

W_H≥2～3B，

其中W_H为水平铺设宽度(m)，

B为设计泄流槽宽(m)。

c.当坝高小于或等于10m时，防水型土工织物采用经线法布置；

当坝高大于10m，小于15m时，防水型土工织物采用经纬线交叉法布置；

经多次实践，发明人得出这样的施工方法能较快地铺设土工织物，并且土工织物的状态在泄流期间基 本能满足临时构筑物的稳定要求。

上述的经线法布置是指：

土工织物卷轴沿泄流槽自上而下滚落铺设，沿坝轴线方向叠合方法为单向逐层叠合，叠合交叉宽度为 2～6倍锚宽，这些土工织物不能相互胶结，这样可防止水流冲力在上下层土工织物间形成累加效应。

上述的经纬线交叉法布置是指：

土工织物卷轴先按照经线法铺设在泄流槽口门正下方坝坡后(该处最易受到冲蚀)，在距泄流槽底缘 1/4坝高位置及距离下游水面1/4坝高位置沿水平向各铺设两幅土工织物卷轴，以逐级防护下游坝坡，铺设 长度为2～3B，两幅土工织物卷轴叠合方法为上压下，叠合交叉宽度为2～6倍锚宽。纬线布置上压下可 以使水流不会冲刷土工织物的接口处。

上述连续锚杆为龟壳型连续锚。龟壳型连续锚包括锚头和锚杆。锚头中间有孔，锚杆从孔中穿过固定， 这样的设计便于运输。

上述的防水型土工织物为三维复合滤垫及其他不透水的抗冲刷能力强的柔性材料。

本发明的有益效果在于：

1、提供了一种全新土石坝溃坝被动泄流抢险方法；

2、本方法避免了在土石坝被迫溢流时的垮坝风险，保障了下游人民的生命财产安全；

3、本方法施工时间短，确保了工程能够在洪水到来前完工。

附图说明

图1实施例一泄流槽设计示意图；

图2实施例一泄流槽构造示意图；

图3实施例二土石坝溃坝第一阶段坝下游坡形成冲沟示意图；

图4实施例二泄流槽构造示意图；

图5实施例三泄流槽构造示意图；

图6实施例四龟壳锚俯视示意图；

图7实施例四龟壳锚对称轴剖视示意图；

图8土石坝溃坝第二阶段坝下游形成台阶状跌坎示意图；

图9土石坝溃坝第三阶段坝下游台阶状跌坎合并示意图；

图10土石坝溃坝第四阶段坝下游台阶状跌坎下切并向上游扩展示意图；

图11土石坝溃坝第五阶段坝下游坝体横向扩展并最终溃决示意图。

具体实施方式

实施例一

土石坝溃坝被动泄流抢险方法，包括以下步骤：

根据大坝风险评估得出图1中土石坝1-1具有高溃坝风险，坝顶高程8.0m，坝上水位已达到7.6m校核 洪水位，根据短期预报，在未来3天上游仍有较大流量过程，土石坝1原有泄洪通道年久失修已经废弃， 预计5小时后土石坝将发生漫顶，需在5小时内构建应急泄流设施。

(1)根据计算结果，在坝顶中部设计宽5m顶高程7.5m的泄流槽1-2，见图1。泄流槽利用微差爆破施工， 泄流槽下坝面锚定防水型土工织物三维复合滤垫，

(2)利用连续锚杆在下游坝坡预定泄流槽槽身位置锚定防水型土工织物；

a.锚定高程范围为坝下游水面2.5m高程至预定坝顶泄流槽下缘7.5m高程；

b.锚定水平范围为：W_H≥2～3B，其中H_坝顶＝8m，B＝5m，H＝2.5m～7.5m，其水平锚定范围自上至下 为W_H≥10m～15m；由于整体坝面需要进行保护，因此最终选定水平锚定范围定为15m，选用 宽度为5m的三维复合滤垫1-3，选用宽度为30cm的龟壳锚4；

c.由于坝高为8m，采用经线法布置；布置为四轴三维复合滤垫经向铺设，首先施工中间的三维复合 滤垫，然后左右压叠逐步铺设。将中间的两张叠合在一起，然后将这两张三维复合滤垫的一端锚 定7.5m高程位置，然后将三维复合滤垫滚轴沿下游坝面滚落，然后分别以同样方法铺设两侧的 三维复合滤垫再锚定接缝，两接缝处叠合不小于2倍锚宽度0.6m。

(3)最后在坡脚处抛石护坡1-4，见图2。

(4)泄流槽利用微差爆破施工，形成泄流槽泄流口门。

施工在3小时内完成，爆破后土石坝下游面未被淘刷，持续3天稳定泄洪，未对下游造成淹没 损失。

实施例二

图3中土石坝2-1坝顶高程8m已开始漫顶，溃坝现状达到第一阶段下游坡形成冲沟未达到第二阶段形 成台阶状跌坎，如图3所示。

(1)根据现有溃口宽度确定流槽口门尺寸为3.5m；

(2)利用连续锚杆在下游坝坡预定泄流槽槽身位置锚定防水型土工织物；

a.锚定高程范围为坝下游水面至泄流槽顶端，铺设顺序为自上而下；

b.溃口边线最宽处为3.5m，锚定水平范围为W_H≥2～3B，其中H_坝顶＝8m，B＝3.5m，计算得W_H≥7～ 10.5m，为加大保护力度水平锚定范围为10.5m。选用宽度为5m的三维复合滤垫，选用宽度为30cm 的龟壳锚4，利用龟壳锚4在泄流槽内锚定三维复合滤垫1-3。

c.由于坝高为8m，故采用经线法布置，布置为三轴三维复合滤垫垂向滚落铺设，顶部设双排龟壳锚 锚定。

(3)最后在坡脚处抛石护坡1-4，见图4。

施工在1小时内完成，土石坝下游面未被继续淘刷，持续12小时稳定泄洪，错过下游洪峰，未对下 游造成淹没损失。

实施例三

根据大坝风险评估得出土石坝3-1具有高溃坝风险，坝顶高程14m，库容80000m³，坝上水位已达到 12.5m校核洪水位，根据短期预报，在未来3天上游仍有较大流量过程，土石坝原有泄洪通道年久失修已 经废弃，预计8小时后土石坝将发生漫顶，需在8小时内构建应急泄流设施。

(1)根据计算结果，在坝顶中部设计宽10m顶高程13m的泄流槽，泄流槽下坝面锚定防水型土工织 物三维复合滤垫，见图5。

(2)利用连续锚杆在下游坝坡预定泄流槽槽身位置锚定防水型土工织物；

a.锚定高程范围为坝下游水面4m高程至预定坝顶泄流槽下缘13m高程；

b.设计溃口宽度为10m，锚定水平范围为W_H≥2～3B，其中H_坝顶＝15m，B＝10m，计算得W_H≥20m～30m，为加大保护力度水平锚定范围选为30m，选用宽度为5m的三维复合滤垫，选用 宽度为30cm的龟壳锚4；

c.由于坝高为14m，故采用经纬线交叉法布置；布置为经线五轴三维复合滤垫3-2，纬线四轴 三维复合滤垫3-3，其中纬线两轴布置在距坝底四分之三个溃口底缘高程即高程9.75m处， 纬线另两轴布置在距坝底四分之一个溃口底缘高程即高程3.25m处，纬线叠压在经线上，见 图5。施工时先将经线三轴三维复合滤垫的一端锚定13m高程位置，然后将三维复合滤垫滚 轴沿下游坝面滚落，然后在距坝底四分之一个溃口底缘高程处横向铺设平面第一、二纬线三 维复合滤垫，在铺设同时以龟壳锚连续锚定上部三维复合滤垫，两接缝处叠合不小于6倍锚 宽度1.8m，铺设好坝体下部两轴后，铺设坝体上部两轴。

(3)最后在坡脚处抛石护坡1-4。

(4)泄流槽机械开挖施工。

施工在5小时内完成，土石坝下游面未被淘刷，持续3天稳定泄洪，未对下游造成淹没损失。

实施例四

如图6，图7所示龟壳锚4包括锚杆41，锚身42，锚身为龟壳型减小水流阻力，锚身上有锚孔43，锚 杆41穿过锚孔43插入土石坝。