一种人工调控排泄流量的堰塞湖处置方法及其应用 【技术领域】
本发明涉及一种堰塞湖处置的减灾技术，特别是涉及一种人工调控排泄流量的堰塞湖处置方法及其应用。
背景技术
堰塞湖是一种自然的地貌现象，包括地震诱发的崩塌滑坡堰塞湖、冰川堵塞沟道形成的冰碛湖等，当下游有人类活动时，其溃决产生的洪水会严重威胁人民生命和财产安全，制约着全国广大山区国民经济发展。
2008年5月12日，汶川地震在龙门山前山断裂带和后山断裂带之间及其邻近区域激发了大量的堰塞湖，其中最为引人注目的是北川县的唐家山堰塞湖。唐家山堰塞湖泄洪、绵远河的小岗剑堰塞湖泄洪、茶坪河的肖家桥堰塞湖泄洪等几处大型堰塞湖处置结果都显示：堰塞坝溢流口过于快速下切产生超设计排泄洪水，增大下游区域风险，造成一定的社会经济损失。为了降低堰塞湖溃决时下游区域的风险、减小社会经济损失，研发一种排泄流量人为可以调控的堰塞湖处置方法非常必要。
从颗粒组成上看，堰塞湖坝体的物质组成有以大块石为主的，有以碎石土体为主的，其中后者占大部分，例如唐家山堰塞湖。基于此，针对以碎石土体为主的堰塞湖开发一种排泄流量人为可以调控的堰塞湖处置方法具有广泛的实用价值。
【发明内容】
本发明的目的就是针对现有技术的不足，针对碎石土类型堰塞坝的堰塞湖在排导槽排泄库水时易出现“排泄初期排泄效率偏低、后期排泄流量过大难于控制”的情况，提供一种人工调控排泄流量的堰塞湖处置方法，安全而快速地排泄堰塞湖的库水，快速降低堰塞湖风险，从而最大程度降低上游淹没区的损失和下游威胁区的风险。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供一种人工调控排泄流量的堰塞湖处置方法，涉及堰塞湖库水排泄的三个阶段，实现库水排泄初期的高效率和后期排泄流量的有效控制。具体步骤如下：
A.在堰塞湖坝体上相对低洼的凹槽部位开挖排导槽，以工程量最小、初期过流和下切能力最大为目标，确定并优化排导槽的纵断面和横断面型式。
B.在堰塞湖库水排泄中期，对影响下切侵蚀发展的排导槽中巨石采取人工爆破或机械清除等方式，保证排泄流量的稳定增长；所述巨石的判定，根据工程现场实际情况确定。
C.在堰塞湖库水排泄后期，针对排导槽的下切侵蚀过于快速，当排导槽中的库水排泄流量达到设定阀值时，向排导槽中放入人工结构体来稳定沟床，控制沟床的快速下切，发挥控流作用，防止产生超过下游防护标准的洪水而危害下游区域。所述设定阀值依据下游重要设施防洪的设计标准或校核标准来确定；例如一般城镇按照20年一遇设计、50年一遇校核等。
堰塞湖规模大小按照《堰塞湖风险等级划分标准》(SL450-2009)中4.1.1来确定，即库容大于等于0.1亿m3的为大中型堰塞湖、小于0.1亿m3的为小型堰塞湖。所述排导槽横断面的优化型式，针对库容小于0.1×108m3的堰塞湖，所述排导槽的横断面为三角形断面，横断面的横向坡比为1∶1.5～1∶2.0；针对库容大于等于0.1×108m3的堰塞湖，所述排导槽的横断面为梯形一三角形的复式断面，横断面的横向坡比为1∶1.5～1∶2.0。所述排导槽纵断面的优化型式，针对库容小于0.1×108m3的堰塞湖，所述排导槽的纵断面为直线型，纵断面的比降大于等于原始河道的比降；针对库容大于等于0.1×108m3的堰塞湖，所述排导槽的纵断面为折线型，纵断面的每一段比降均大于等于原始河道的比降，为防止冲刷过度，其中最陡坡段比降小于等于3％。
所述排导槽进口部位设有铅丝笼防护，铅丝笼尺寸可以是2.0m×0.5m×0.5m，笼内装填粒径为50-200mm的砾石；或铅丝笼尺寸为4.0m×1.0m×1.0m，笼内装填粒径为100-400mm地砾石；等等。所述铅丝笼在排导槽进口两侧呈倒八字形，与排导槽槽体连接，即排导槽进口两侧的铅丝笼间距沿堰塞湖库水流向逐渐变小，也即排导槽进口两侧的铅丝笼间距向靠近排导槽槽体方向逐渐变小，与排导槽槽体相连接处间距最小。
所述人工结构体可以是正四面体的钢筋混凝土块体；或基于正四面体稳定性最佳的四个柱体组成的人工结构体，该人工结构体包括四个相同长度的柱体，四个柱体的一端集中固定在一点，另一端在空间上组成正四面体的四个顶点；等等。通过观测确定排泄流量达到设定阀值时，所述人工结构体可以通过机械被抛掷入排导槽中，或者被堆放在排导槽两侧距离排导槽中心一定距离(L1和L2)处，利用排泄库水的侧蚀使人工结构体自动进入排导槽，发挥控流作用。其中距离L1和L2是排导槽排泄库水流量达到设定阀值时，对应的排导槽侧蚀所达到的位置。所述人工结构体可以在排导槽中单个使用，为了取得更好控流效果，也可以串连使用；充分利用人工结构体与排导槽底床的相互作用，防止排导槽过于快速冲刷下切产生超过下游防护标准的洪水而危害下游区域。
本发明充分利用库水溢流的冲刷下切能力降低堰塞湖风险，并利用人工结构体的抗冲刷能力控制排泄流量，达到安全、快速排泄堰塞湖库水的目的，从而快速降低堰塞湖风险。所述堰塞湖处置方法尤其适用于碎石土类型堰塞坝的堰塞湖处置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：能够避免传统方法处置堰塞湖易出现“初期排泄效率低、后期排泄太快而难于控制”的现象，大大提高堰塞湖应急排泄效率，快速降低堰塞湖风险，从而最大程度降低上游淹没区的损失和下游威胁区的风险；所述人工调控排泄流量的堰塞湖处置方法尤其适用于碎石土类型堰塞坝的堰塞湖处置。
【附图说明】
图1是横断面为三角形断面的排导槽横断面示意图。
图2是横断面为梯形一三角形复式断面的排导槽横断面示意图。
图3是纵断面为直线型的排导槽纵断面示意图。
图4是纵断面为折线型的排导槽纵断面示意图。
图5是基于正四面体稳定性最佳的四个柱体组成的人工结构体的立体图。
图6是铅丝笼与排导槽槽体连接的俯视图。
图中标号如下：
1排导槽 2人工结构体
3铅丝笼
i0原始河道的比降
i1排导槽纵断面的比降
i2排导槽折线型纵断面的最陡坡段比降
1∶n排导槽横断面的横向坡比
【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3、图5、图6所示。某堰塞湖的堰塞坝体垂直河流方向呈总体中间低、两侧高，呈鼓丘状横亘在主河上，垂直河流方向长180m，顺河向长250m，高50～70m，总方量150万m3，最大库容900万m3。堰塞坝主要由碎石土体组成，表面分布孤石；孤石直径1～3m，最大直径可达10余m，占20％；碎石直径0.1～0.5m，占70％；其余小粒径土体占10％；孤石、碎石的岩性主要为白云岩、白云质灰岩，岩质坚硬。该堰塞湖的集水区面积158km2，按照邻近水文站的观测数据推算5年一遇的洪峰流量为400m3/s、20年一遇的洪峰流量为520m3/s、50年一遇的洪峰流量为610m3/s。堰塞坝上游侧库水水位为844.7m，下游侧水位776.5m；上游主河入库水流量稳定在15m3/s左右，而且堰塞坝下游侧未见明显渗流点。该堰塞湖一旦溃决，将威胁下游2个场镇约8万人的生命财产安全。为了快速降低堰塞湖溃决风险，利用本发明所述人工调控排泄流量的堰塞湖处置方法进行设计。
所述堰塞湖处置方法涉及堰塞湖库水排泄的三个阶段，首先在堰塞湖坝体上相对低洼的凹槽部位开挖排导槽1，排导槽1按5年一遇洪水标准设计，相应设计流量400m3/s，排导槽1进口底高程设计为842.0m；排导槽1的横断面为三角形断面，排导槽横断面的横向坡比1∶n为1∶2.0；排导槽1的纵断面为直线型，原始河道的比降i0为0.5％，排导槽纵断面的比降i1为1％；按照水力学的明渠均匀流流量公式来确定槽体开挖深度，设计开挖深度5.6m。排导槽1进口部位设有铅丝笼3防护，铅丝笼3尺寸为2.0m×0.5m×0.5m，笼内装填粒径为50-200mm的砾石，铅丝笼3在排导槽1进口两侧呈倒八字形，与排导槽1槽体连接；排导槽1末端顺接下游陡坡。
其次，在堰塞湖库水排泄中期，一旦发现有直径4m以上的孤石影响排导槽1下切的发展时，采取机械清除孤石，保证排泄流量的稳定增长。
选用基于正四面体稳定性最佳的四个圆柱体组成的人工结构体2，其结构为钢筋混凝土。在堰塞湖库水排泄后期，当排导槽1中的库水排泄流量达到下游城镇防护设计标准20年一遇洪水流量520m3/s时，向排导槽1中通过机械抛掷若干单个人工结构体2；当排导槽1中的库水排泄流量达到下游城镇防护校核标准50年一遇洪水流量610m3/s时，将6个人工结构体2串连，通过机械抛掷向排导槽1中。通过人工结构体2来稳定沟床，控制沟床的快速下切，发挥控流作用，防止产生超过下游防护标准的洪水而危害下游区域。
实施例二
如图2、图4、图6所示。某堰塞湖的堰塞坝体垂直河流方向呈总体中间低、两侧高，呈鼓丘状横亘在主河上，垂直河流方向长611m，顺河向长803m，高82～124m，总方量2000万m3，最大库容3.2亿m3。堰塞坝体由基岩挤压或解体形成的碎裂岩、残坡积碎石土和苦竹坝库区沉积的含泥粉细砂组成；表面分布孤石，孤石直径1～3m，最大直径可达10余m。堰塞坝上游侧坡较缓，坡度为20°；下游侧坡上部和下部为陡坡，中部为缓坡，上部陡坡坡高50m，坡比1∶0.7，中部缓坡坡比1∶2.5，下部陡坡高20m，坡比1∶0.5。该堰塞湖的集水区面积3550km2，按照邻近水文站的观测数据推算5年一遇的洪峰流量为2160m3/s、20年一遇的洪峰流量为3920m3/s、50年一遇的洪峰流量为5120m3/s。堰塞坝上游侧库水水位为719.8m，下游水位669.5m；上游主河入库水流量83m3/s，而且堰塞坝下游侧未见明显渗流点。该堰塞湖一旦溃决，将威胁下游5个市、县城市超过100万人的生命财产安全。为了快速降低堰塞湖溃决风险，利用本发明所述人工调控排泄流量的堰塞湖处置方法进行设计。
所述堰塞湖处置方法涉及堰塞湖库水排泄的三个阶段，首先在堰塞湖坝体上相对低洼的凹槽部位开挖排导槽1，排导槽1按5年一遇洪水标准设计，相应设计流量2160m3/s，排导槽1进口底高程设计为738.0m；排导槽1的横断面为梯形-三角形的复式断面，排导槽横断面的横向坡比1∶n为1∶1.5；排导槽1的纵断面为折线型，原始河道的比降i0为0.3％，排导槽纵断面的比降i1为0.5％，排导槽折线型纵断面的最陡坡段比降i2为3％；中部施工平台宽度为6m，施工平台与槽底的高差为10m，按照水力学的明渠均匀流流量公式来确定槽体开挖深度，设计开挖深度20m。排导槽1进口部位设有铅丝笼3防护，铅丝笼3尺寸为4.0m×1.0m×1.0m，笼内装填粒径为100-400mm的砾石，铅丝笼3在排导槽1进口两侧呈倒八字形，与排导槽1槽体连接；排导槽1末端顺接下游陡坡。
其次，在堰塞湖库水排泄中期，一旦发现有直径5m以上的孤石影响排导槽1下切的发展时，采取人工爆破孤石，保证排泄流量的稳定增长。
在堰塞湖库水排泄后期，当排导槽1中的库水排泄流量达到下游县城防洪设计标准20年一遇洪水的3920m3/s时，向排导槽1中放入人工结构体2来稳定沟床，控制沟床的快速下切，防止产生超过下游防护标准的洪水而危害下游区域。选用正四面体的钢筋混凝土块体作为人工结构体2，将6个人工结构体2串连，将若干串串连的人工结构体2排成2排，分别堆放在排导槽1两侧，利用排泄库水的侧蚀使人工结构体2自动进入排导槽1，对洪峰发挥调控作用。