一种利用土工合成材料截流的汛期堤坝决口快速抢险方法与流程

本发明涉及水利工程技术领域，特别是一种利用土工合成材料截流的汛期堤坝决口快速抢险方法。

背景技术：

土石堤坝是一类常见的挡水建筑物，是蓄水和防洪的基础性工程设施。目前我国已建约28万余千米的堤防工程和8万余座小型水库，这当中的大部分堤防和水库均采用土石料填筑。土石堤坝长期在挡水浸泡、水流冲刷、渗流及白蚁等动植物破坏等因素作用下，不少堤坝出现不同程度的质量问题或病害。

堤坝在汛期高水位作用下，受洪水或其他因素破坏，其薄弱部分极易发生决口等重大险情，并在决口处形成高速过流，威胁到下游的人身财产安全。因此，堤坝一旦发生决口，应立即采用各种方式对通过堤坝决口处的水流进行拦截、封堵，使水流回归至原河道，以此减少洪水对决口下游造成的灾害损失。堤坝决口抢险速度越快，损失越小。由于堤坝决口抢险时间紧迫，作业处水流湍急，若抢险不当，容易造成堤坝决口的进一步扩大，导致抢险失败。因此，必须寻求高效快捷和安全有效的堤坝决口抢险方法。

目前，汛期堤坝决口抢险的常用方法主要通过在决口附近抛填土石料，或抛投钢格石笼、钢筋石笼、混凝土四面体等特制大体积填筑体，从而对堤坝决口进行水流的约束和封堵，但是现有方法存在以下突出问题：

(1)传统的土石料抛填技术通常适用于堤坝决口范围小、流速低(如1～2m/s)、内外水头差较小的情况。对于汛期高水位运行的堤坝，一旦出现决口，决口出水流湍急(如流速超过4m/s)，常规抛填料极易被水流冲走，难以固定，决口封堵困难，抢险成功率较低。

(2)当堤坝决口较大，水情复杂时，需要抛投钢格石笼、钢筋石笼、混凝土四面体等大体积截堵材料。这些材料需事先专门制作，耗时长，造价高。同时需采用大型运输车辆和专用起吊设备，在一些条件受限地区，难以实施。

(3)传统的抢险方法在防汛材料的准备和抢险过程中，一般需投入大量的人力进行实施，作业安全性低，且抢险效率低下。

因此，现有技术难以用于汛期流速大、水情复杂的堤坝决口抢险的高效处理，有必要提供一种利用土工合成材料截流的汛期堤坝决口快速抢险方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种利用土工合成材料截流的汛期堤坝决口快速抢险方法，该利用土工合成材料截流的汛期堤坝决口快速抢险方法通过土工格栅提供承载力，为后续柔性土工席垫和复合土工膜的铺设提供受力支撑面。土工格栅还能均化堤坝决口处水流分布，土工席垫能有效减小堤坝决口水流流速，进一步控制过水量，复合土工膜能封堵水流，最终填筑的土工袋起到稳定决口封堵的作用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种利用土工合成材料截流的汛期堤坝决口快速抢险方法，包括如下步骤。

步骤1，准备抢险材料：抢险材料包括土工格栅、土工席垫、复合土工膜、土工袋和堤坝决口填筑所需的土石料；其中，土工格栅、土工席垫和复合土工膜为成卷购置，将与卷筒相连接的土工格栅、土工席垫和复合土工膜，均称为起始端；另将土石料装入土工袋备用。

步骤2，确定堤坝决口大小和抢险处理范围：清理堤坝决口附近区域的杂物，测量堤坝决口参数，堤坝决口参数包括决口底部宽度bm、决口上游水位h、决口底部高程hc、下游淹没水位h2以及决口边坡与水平方向夹角α。根据测量的堤坝决口参数，估测决口过水断面的面积a，进而确定堤坝决口的抢险处理范围。

步骤3，确定土工格栅、土工席垫和复合土工膜的铺设尺寸及土工袋填筑量：根据步骤2确定的堤坝决口的抢险处理范围，确定土工格栅、土工席垫和复合土工膜在堤坝决口处的铺设长度、宽度及土工袋填筑量，对步骤1准备的土工格栅、土工席垫和复合土工膜以起始端为基准，进行裁切，去除多余部分；其中，土工格栅、土工席垫和复合土工膜的铺设范围应完全覆盖堤坝决口，并超出其边缘1m及以上。

步骤4，预估决口封堵完成后作用在土工合成材料上的水流冲击力，包括如下步骤：

步骤41，计算决口处的过水量，计算公式如下：

q＝1.71bms(h-hc)^1.5+1.2tan(90-α)s(h-hc)^2.5(1)

其中，q为流经决口的水流量，单位m³/s；bm为决口底部宽度，单位m；h为决口上游水位，单位m；hc为决口底部高程，单位m；α为决口边坡与水平方向夹角，s为下游淹没修正系数。

步骤42，计算决口处水流的行近流速，计算公式如下：

其中，v0为决口处水流的行近流速，单位m/s；q为流经决口的水流量，单位m³/s；a为决口过水断面的面积，单位m²。

步骤43，计算作用在土工合成材料上的水流冲击力，计算公式如下：

f＝βρqv0(3)

其中，f为水流冲击力，单位kn；β动量修正系数；ρ为水体密度，取1.0×10³kg/m³；q为流经决口的水流量，单位m³/s；v0为决口处水流的行近流速，单位m/s。

步骤5，计算横梁和土工合成材料的锚固力：

fm＝kf/n(4)

其中，fm为横梁和土工合成材料的锚固力，单位kn；k为安全系数，取1.2～1.4；f为水流冲击力，单位kn；n为锚杆数量。

步骤6，架设横梁：在邻近迎水面的堤坝顶部水平架设横跨堤坝决口的横梁，用于土工格栅、土工席垫和复合土工膜上端的固定；横梁与迎水面坡顶距离不小于0.5m，横梁两端各超出堤坝决口边缘1.5m及以上，并通过锚杆锚固于坝体上，根据步骤5中获得的锚固力确定锚杆的锚固深度；锚杆锚固深度的计算公式如下：

其中，la为锚杆的锚固深度，单位m；fm为横梁和土工合成材料的锚固力，单位kn；ξ为锚杆和土层黏结工作条件系数；d为锚杆直径，单位m；f为土层和锚杆黏结强度特征值，单位kpa。

步骤7，铺设和固定土工格栅：将土工格栅尾端水平固定在横梁上，将土工格栅起始端用钢管固定加重，确保土工格栅紧贴坝面铺设；土工格栅起始端的两边角处各绑定一个锚杆，将土工格栅从堤坝顶部沿迎水坡面坝坡自上而下滚动铺设，当起始端位于决口以下且处于紧绷状态时，启动锚杆，将土工格栅起始端两角锚固在坝面上，根据公式(6)确定锚杆的锚固深度。

步骤8，铺设土工席垫：在步骤7中的土工格栅表面铺设土工席垫，土工席垫的铺设方法为：将土工席垫尾端水平固定在横梁上，在土工席垫的起始端用钢管固定加重，从堤坝顶部沿坝坡自上而下滚动铺设，使土工席垫自然展开并紧贴在土工格栅表面。

步骤9，铺设复合土工膜：在步骤8的土工席垫表面铺设复合土工膜，复合土工膜的铺设方法为：将复合土工膜尾端水平固定在横梁上，在复合土工膜的起始端用钢管固定加重，从堤坝顶部沿坝坡自上而下滚动铺设，使复合土工膜自然展开，并在水压力作用下紧密贴合在土工席垫表面。

步骤10，填筑土工袋：复合土工膜铺设结束后，将装有土石料的土工袋填筑在位于土工格栅后侧的堤坝决口内。

步骤41中，下游淹没修正系数s的计算公式如下：

其中，s为下游淹没修正系数；h2为下游淹没水位，单位m；h为决口上游水位，单位m；hc为决口底部高程，单位m。

土工格栅采用组合式焊接成型格栅；当土工格栅铺设宽度超过幅宽时，采用人工捆扎的方法对土工格栅进行搭接，要求搭接后强度不低于原强度的80％。

土工席垫厚度为1.5～3.0cm；当土工席垫铺设宽度超过幅宽时，应使成卷的复合土工席垫之间进行搭接铺设，搭接宽度应不小于20cm。

复合土工膜采用两侧针刺织物保护的hdpe土工膜；土工膜厚度为1.0～2.0mm，两侧针刺织物每平米克重为300～500g/m²；当复合土工膜铺设宽度超过幅宽时，应使复合土工膜之间进行重叠铺设，重叠宽度应不小于20cm。

土工袋的袋体为pet聚酯材料；土工袋中土石料的填充量为土工袋体积的70～80％。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明通过依次在堤坝决口上游面铺设土工格栅，土工席垫和复合土工膜，并在堤坝决口内填筑土工袋，分层次削减堤坝决口处过水量和水流流速，分阶段完成对堤坝决口的封堵，确保了堤坝决口抢险的成功实施。其中，先期铺设的土工格栅能有效均化决口处水流分布、一定程度上减缓水流流速；后续铺设的土工席垫能有效减小堤坝决口水流流速，进一步控制过水量；铺设的复合土工膜起到封堵水流的作用；最终填筑的土工袋巩固了堤坝决口封堵的稳定性。

2.本发明中固定在堤坝决口上游面的土工格栅提供承载力，为后续铺设的柔性土工席垫和复合土工膜提供受力支撑面，避免这两种起挡水作用的柔性材料(土工席垫和复合土工膜)被湍急的水流冲走，确保抢险过程高效安全的进行。

3.本发明通过预先估算堤坝决口封堵完成后作用在土工合成材料上的水流冲击力，并根据获得的水流冲击力计算确定横梁和土工合成材料的锚固力，确保截流过程中横梁和土工合成材料在水流冲击力作用下稳定可靠。

4.本发明所使用的工格栅，土工席垫、复合土工膜和土工袋，属于工厂化生产的常规产品，容易购置，不需要专门定制，极大地缩短了堤坝决口抢险的准备时间。同时土工合成材料自重轻，便于运输和现场施工，不需要大型起吊机械，进一步提高了抢险效率。

5.铺设和填筑在堤坝中的土工合成材料能起到永久加固堤防承载力的作用，抢险完成后无需拆除，且环保无污染，造价低。

附图说明

图1显示了本发明中土工格栅铺设示意图。

图2显示了本发明中土工席垫的铺设示意图。

图3显示了本发明中土工袋的填筑示意图。

其中有：1、堤坝，2、堤坝决口，3、横梁，4、土工格栅，5、土工席垫，6、复合土工膜，7、锚杆，8、土工袋。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种利用土工合成材料截流的汛期堤坝决口快速抢险方法，包括如下步骤。

步骤1，准备抢险材料。

准备的抢险材料包括土工格栅、土工席垫、复合土工膜、土工袋和堤坝决口填筑所需的土石料；其中，土工格栅、土工席垫和复合土工膜为成卷购置，将与卷筒相连接的土工格栅、土工席垫和复合土工膜，均称为起始端；另将土石料装入土工袋备用。

步骤2，确定堤坝决口大小和抢险处理范围。

清理堤坝决口附近区域的杂物，测量堤坝决口参数，堤坝决口参数包括决口底部宽度bm、决口上游水位h、决口底部高程hc、下游淹没水位h2以及决口边坡与水平方向夹角α。根据测量的堤坝决口参数，估测决口过水断面的面积a，进而确定堤坝决口的抢险处理范围。

步骤3，确定土工格栅、土工席垫和复合土工膜的铺设尺寸及土工袋填筑量。

根据步骤2确定的堤坝决口的抢险处理范围，确定土工格栅、土工席垫和复合土工膜在堤坝决口处的铺设长度、宽度及土工袋填筑量，对步骤1准备的土工格栅、土工席垫和复合土工膜以起始端为基准，进行裁切，去除多余部分；其中，土工格栅、土工席垫和复合土工膜的铺设范围应完全覆盖堤坝决口，并超出其边缘1m及以上。

上述土工格栅优选采用组合式焊接成型格栅；当土工格栅铺设宽度超过幅宽时，采用人工捆扎的方法对土工格栅进行搭接，要求搭接后强度不低于原强度的80％。

上述土工席垫厚度优选为1.5～3.0cm；当土工席垫铺设宽度超过幅宽时，应使成卷的复合土工席垫之间进行搭接铺设，搭接宽度应不小于20cm。

上述复合土工膜优选采用两侧针刺织物保护的hdpe土工膜；土工膜厚度优选为1.0～2.0mm，两侧针刺织物每平米克重优选为300～500g/m²；当复合土工膜铺设宽度超过幅宽时，应使复合土工膜之间进行重叠铺设，重叠宽度应不小于20cm。

上述土工袋的袋体优选为pet聚酯材料；土工袋中土石料的填充量为土工袋体积的70～80％。

步骤4，预估决口封堵完成后作用在土工合成材料上的水流冲击力，包括如下步骤。

步骤41，计算决口处的过水量，计算公式如下：

q＝1.71bms(h-hc)^1.5+1.2tan(90-α)s(h-hc)^2.5(1)

其中，q为流经决口的水流量，单位m³/s；bm为决口底部宽度，单位m；h为决口上游水位，单位m；hc为决口底部高程，单位m；α为决口边坡与水平方向夹角，s为下游淹没修正系数。

上述下游淹没修正系数s的计算公式优选如下：

其中，s为下游淹没修正系数；h2为下游淹没水位，单位m；h为决口上游水位，单位m；hc为决口底部高程，单位m。

步骤42，计算决口处水流的行近流速，计算公式如下：

其中，v0为决口处水流的行近流速，单位m/s；q为流经决口的水流量，单位m³/s；a为决口过水断面的面积，单位m²。

步骤43，计算作用在土工合成材料上的水流冲击力，计算公式如下：

f＝βρqv0(3)

其中，f为水流冲击力，单位kn；β动量修正系数，为常数，优选取1.0；ρ为水体密度，取1.0×10³kg/m³；q为流经决口的水流量，单位m³/s；v0为决口处水流的行近流速，单位m/s。

步骤5，计算横梁和土工合成材料的锚固力：

fm＝kf/n(4)

其中，fm为横梁和土工合成材料的锚固力，单位kn；k为安全系数，取1.2～1.4；f为水流冲击力，单位kn；n为锚杆数量。

本发明中，锚杆数量优选为四根，分别固定在土工格栅的四个边角处，因而，

fm＝kf/4

步骤6，架设横梁：在邻近迎水面的堤坝顶部水平架设横跨堤坝决口的横梁，用于土工格栅、土工席垫和复合土工膜上端的固定；横梁与迎水面坡顶距离不小于0.5m，横梁两端各超出堤坝决口边缘1.5m及以上，并通过锚杆锚固于坝体上，根据步骤5中获得的锚固力确定锚杆的锚固深度；锚杆锚固深度的计算公式如下：

其中，la为锚杆的锚固深度，单位m；fm为横梁和土工合成材料的锚固力，单位kn；ξ为锚杆和土层黏结工作条件系数，为常数，优选取1.33；d为锚杆直径，单位m；f为土层和锚杆黏结强度特征值，单位kpa。

步骤7，铺设和固定土工格栅：将土工格栅尾端水平固定在横梁上，将土工格栅起始端用钢管固定加重，确保土工格栅紧贴坝面铺设；土工格栅起始端的两边角处优选分别用铁丝各绑定一个锚杆，将土工格栅从堤坝顶部沿迎水坡面坝坡自上而下滚动铺设，当起始端位于决口以下且处于紧绷状态时，启动锚杆，将土工格栅起始端两角锚固在坝面上，根据公式(6)确定锚杆的锚固深度。

步骤8，铺设土工席垫：在步骤7中的土工格栅表面铺设土工席垫，土工席垫的铺设方法为：将土工席垫尾端水平固定在横梁上，在土工席垫的起始端用钢管固定加重，从堤坝顶部沿坝坡自上而下滚动铺设，使土工席垫自然展开并紧贴在土工格栅表面。由于土工格栅处于紧绷状态且具有较强的承载力，因此铺设在土工格栅表面的土工席垫不会被堤坝决口的湍急水流冲走，且能明显减小堤坝决口处的过水量，减缓流速。

步骤9，铺设复合土工膜：在步骤8的土工席垫表面铺设复合土工膜，复合土工膜的铺设方法为：将复合土工膜尾端水平固定在横梁上，在复合土工膜的起始端用钢管固定加重，从堤坝顶部沿坝坡自上而下滚动铺设，使复合土工膜自然展开，并在水压力作用下紧密贴合在土工席垫表面，从而在堤坝决口处形成完整的挡水层，封堵水流。

步骤10，填筑土工袋：复合土工膜铺设结束后，将装有土石料的土工袋填筑在位于土工格栅后侧的堤坝决口内。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。