漫顶溃决流量调控型黏土心墙坝设计方法技术

本发明专利技术公开漫顶溃决流量调控型黏土心墙坝设计方法。针对现有技术对黏土心墙坝设计仅解决渗透量与渗透稳定性问题的缺陷，本发明专利技术提供一种解决黏土心墙坝瞬时坍塌与漫顶溃决问题的技术方案。本方法通过在传统坝壳内增设格宾石笼骨架，改变拦挡坝心墙与坝壳在多个位置的受力，调节自身变形过程中的剪应力分布与大小，提高抗水流侵蚀能力，同时利用骨架及所附着土石重量增加拦挡坝自重，综合性地延缓心墙暴露时间，延长心墙顶部被侵蚀时间，避免心墙发生大规模倾倒或剪切破坏，从而实现调控漫顶溃决状态下洪峰流量目的。设计方法提供格宾石笼骨架可拆分的3部分结构的关键参数。3部分结构分别是重力式挡墙结构、平板支护结构、平行链铺层结构。链铺层结构。链铺层结构。

【技术实现步骤摘要】
漫顶溃决流量调控型黏土心墙坝设计方法


[0001]本专利技术涉及一种黏土心墙坝设计方法，特别是涉及一种通过优化设计黏土心墙坝结构而实现削减坝漫顶溃决洪峰流量的方法，属于水利工程、地质灾害防治


技术介绍

[0002]黏土心墙坝作为一种常见的土石坝类型，除具有土石坝的优势外，还具有工程量较小、基础防渗长度短等优势，在水利工程中应用广泛。在地质灾害防治工程领域，黏土心墙坝除建设数量增长迅速外，建设规模(如坝高)也不断突破。大量黏土心墙坝建设使用案例显示，黏土心墙坝在建成投入运营后最大的风险在于漫顶导致的溃坝。尤其在极端强降雨天气、强风场、库岸滑坡及上游溃决洪水等情形下，黏土心墙坝发生漫顶溢流溃决的概率迅速增加。在上述情形下，一方面，强降雨及上游溃坝洪水带来的罕见洪水可能超过大坝作为水利枢纽的最大泄洪能力，进而导致水位持续抬升直至漫顶溃决；另一方面，强风场、高烈度地震、库岸滑坡(包括地震作用引起的)容易激起大规模的库区涌浪，演进到坝前翻越坝顶后容易造成坝体背水面的掏刷破坏，进而造成坝体漫顶溃决。
[0003]任何溃坝事件首当其冲的直接灾害性后果即是溃决洪水迅速进入洪峰状态，对下游产生洪涝灾害威胁或是直接引发下游洪涝灾害。对于普通土石坝，应对这一威胁的防治措施主要是溃坝之前在科学指导下紧急部署实施人工开挖泄流槽。通过人工干预调控泄流水量，控制削减泄流过程初期的排泄流量，从而实现一定程度上的先期排险。然而，对于黏土心墙坝，泄流槽工程措施由于三方面原因通常难以奏效：第一，黏土心墙坝发生漫顶溃决前，库容往往接近满库状态，激发溃决的因素多样且变化迅速，难以在应急状态下完成开挖初始泄流槽、抛填人工结构体、人工爆破开槽、布设钢管桩等一系列关键技术的临时布置。第二，研究者在对黏土心墙坝的漫顶溃决机理、溃口发展过程、溃口洪水流量过程、洪水演进过程等研究中发现，黏土心墙坝溃决过程的最大特征在于心墙的瞬间倾倒破坏或剪切破坏在短时间内放大溃决流量。也即是说，相对于一般土石坝，黏土心墙坝的溃决过程更突出地集中于心墙破坏的瞬间时段。在险情多变的情况下，难以准确估计该瞬间时段何时出现。一旦估计失误，会使救灾部署陷入被动，造成更严重后果。第三，黏土心墙坝整体稳定的核心是心墙的稳定，泄流槽工程可能引发心墙墙顶直接暴露于洪水冲击，增加整个大坝的不安全水平。
[0004]针对黏土心墙坝的安全性问题，现有技术还集中于保证渗透量与渗透稳定性处于可控和安全状态的技术构思(如CN 111705752A、CN106013263A)，尚未涉及过从坝体构筑整体工程着手解决黏土心墙坝瞬时坍塌与漫顶溃决技术问题的构思。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，提供一种从坝体结构与构筑的整体改进出发，通过加增结构改变传统黏土心墙坝受力，规避心墙“瞬时破坏”特征，解决黏土心墙坝瞬时坍塌与漫顶溃决问题，最终达到调控溃决洪峰流量的目的。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种漫顶溃决流量调控型黏土心墙坝设计方法，其特征在于：
[0008]现场调查获取工程基本数据；
[0009]在下游坝壳内构筑格宾石笼骨架，所述格宾石笼骨架包括重力式挡墙结构，所述重力式挡墙结构墙背紧贴心墙反滤层、重力式挡墙结构的墙面朝向坝坡、墙踵紧贴反滤层基部、轴向与心墙轴线同向且沿心墙轴向延伸，重力式挡墙结构高度H1≤心墙高度h、坡比K1≥1:0.6；
[0010]重力式挡墙结构由格宾石笼单体连接构成，相邻格宾石笼单体间用紧固件相互固定，所述格宾石笼单体填装碎石粒径大于反滤层最大粒径且小于坝壳粒最大粒径；
[0011]所述重力式挡墙结构埋置于坝壳料中，并根据坝体施工工艺对坝壳料严格压实。
[0012]本专利技术上述漫顶溃决流量调控型黏土心墙坝设计方法通过在传统黏土心墙坝坝壳内增设格宾石笼骨架，改变水流冲击下心墙与坝壳受力方向与大小，增强心墙与坝壳料的抗侵蚀能力，同时利用格宾石笼骨架自身及其附着土体的重力提高拦挡坝对水流冲击力的抵抗性能，综合性地避免心墙与坝壳在水流压力下发生大规模倾倒或剪切破坏，尤其是在短时间内发生瞬间的完全溃决，从而实现调控溃决洪峰流量的目的。根据黏土心墙坝的漫顶溃决机理分析，格宾石笼骨架埋置在下游坝壳内，对心墙与坝壳基部提供重力式防护结构，防止坝体发生坍塌。重力式挡墙结构设计高度H1与坡比K1是保证重力式挡墙结构功能发挥的关键参数。设计高度H1的关键是设置在最不利情况下坝体的留存高度。即坝体必须保有足够的重力用以平衡上游坝体及心墙的被动土压力及由格宾石笼骨架的其余两部分控流结构(平板支护结构及平行链铺层结构)施加的拉力。设计坡比K1的关键是在保有坝体自重的前提下降低重心，提升坝体稳定性，防止倾倒破坏。
[0013]进一步的设计是，格宾石笼骨架还包括平板支护结构，平板支护结构自重力式挡墙结构墙顶面起紧贴反滤层向心墙顶部延伸，平板支护结构高度H2、坡比K2＝k，k是心墙反滤层坡比。平板支护结构作用一方面在于可避免因贴壁水流对心墙下游面的直接冲刷而导致心墙变薄后发生大规模的倾倒或剪切破坏；另一方面，即使墙体自顶部发生倒塌，倒塌的墙体会堆积覆盖于下游坝体表面，成为抗冲能力极强的保护层，可以保护其下坝壳料随水侵蚀，进而减小侵蚀率，减小坝体受侵蚀程度，进而减小溃决洪峰流量。平板支护结构是从重力式挡墙结构墙顶面起向上延伸，高度H2，由于整个格宾石笼骨架都需埋置在坝壳料中，所以 H1+H2<坝高H。平板支护结构的坡比K2设计主要考虑现场施工条件与墙体稳定性两方面。
[0014]进一步的设计是，格宾石笼骨架还包括平行链铺层结构，平行链铺层结构由垂直于心墙纵剖面的石笼链间距平行铺设成平面α，平面α与心墙纵剖面垂直。平行链铺层结构相当于为坝壳料铺设粗化层，一方面，可消耗过坝水流的能量、降低流速，进而减小水流的冲刷侵蚀能力，发挥消能作用；另一方面，对坝壳料起到一定的保护作用(掩盖、遮挡、阻碍、压实)，从而提高坝壳料的抗侵蚀能力。尤其当下游坡脚处的溯源侵蚀发展到一定程度后，上部的格宾石笼群会覆盖住溯源侵蚀的整个底床，进而限制溯源侵蚀过程。此外，水平高度较高的平行链铺层结构随着侵蚀的发展，最终会移动并覆盖于高度较低的平行链铺层结构之上，形成更加密集有效的保护层。侵蚀速率的降低，能有效延缓心墙暴露时间，增加心墙顶部的被侵蚀时间，避免心墙发生大规模的倾倒或剪切破坏，进而达到降低洪峰流量的目
的。平行链铺层结构铺设平面α的边界，在顺河道方向上位于平板支护结构与坝坡之间，在垂直河道方向上位于坝体与左右岸坡的交界面之间。平行链铺层结构的高度设计的关键在于对黏土心墙坝溃决过程中存在明显溯源侵蚀的特征及溃决流量变化建立的水量平衡方程。在漫顶溃决中，溃决流量大小主要是由坝顶下切速率决定，因此平行链铺层结构高度主要以坝顶下切深度的估算结果为量。同时，采用多层设计时，下层石笼链平均投影直径大于上层，可有效防止坝顶发生快速下切，从而减小溃决流量。
[0015]在优化技术方案中，本专利技术漫顶溃决流量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.漫顶溃决流量调控型黏土心墙坝设计方法，其特征在于：现场调查获取工程基本数据；在下游坝壳(2)内构筑格宾石笼骨架(3)，所述格宾石笼骨架(3)包括重力式挡墙结构(31)，所述重力式挡墙结构(31)墙背(311)紧贴心墙(1)反滤层(11)、重力式挡墙结构(31)的墙面(312)朝向坝坡(21)、墙踵(313)紧贴反滤层(11)基部、轴向与心墙(1)轴线同向且沿心墙轴向延伸，重力式挡墙结构(31)高度H1≤心墙(1)高度h、坡比K1≥1:0.6；重力式挡墙结构(31)由格宾石笼单体连接构成，相邻格宾石笼单体间用紧固件相互固定，所述格宾石笼单体填装碎石粒径大于心墙(1)反滤层(11)最大粒径且小于坝壳粒最大粒径；所述重力式挡墙结构(31)埋置于坝壳料中，并根据坝体施工工艺对坝壳料严格压实。2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述格宾石笼骨架(3)还包括平板支护结构(32)，所述平板支护结构(32)自重力式挡墙结构(31)墙顶面(314)起紧贴心墙(1)反滤层(11)向心墙(1)顶部延伸，平板支护结构(32)高度H2、H1+H2≤h、坡比K2＝反滤层(11)坡比k；所述平板支护结构(32)由格宾石笼单体连接构成，相邻格宾石笼单体间用紧固件相互固定，平板支护结构(32)与自重力式挡墙结构(31)的连接面用紧固件相互固定，所述格宾石笼单体填装碎石粒径大于心墙(1)反滤层(11)最大粒径且小于坝壳粒最大粒径；所述平板支护结构(32)埋置于坝壳料中，并根据坝体施工工艺对坝壳料严格压实。3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于：所述格宾石笼骨架(3)还包括平行链铺层结构(33)，所述平行链铺层结构(33)由垂直于心墙纵剖面(12)的石笼链(331)间距平行铺设成平面α，平面α与心墙纵剖面(12)垂直，所述平面α的边界，在顺河道方向上位于平板支护结构(32)与坝坡(21)之间，在垂直河道方向上位于坝体与左右岸坡的交界面之间；所述石笼链(331)由格宾石笼单体间距连接构成，构成石笼链(331)的格宾石笼单体填充料粒径小于坝壳粒最大粒径；所述石笼链(331)埋置于坝壳料中，并根据坝体施工工艺对坝壳料严格压实。4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于：所述平面α高度H3，H1≤H3≤H2。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓清，陈华勇，阮合春，赵万玉，陈剑刚，李霄，俞昀晗，
申请(专利权)人：中国科学院，水利部成都山地灾害与环境研究所，
类型：发明
国别省市：