一种堵江滑坡的河道预设导流管应急处置方法与流程

本发明涉及堵江滑坡的处置领域，具体涉及一种堵江滑坡的河道预设导流管应急处置方法。

背景技术：

滑坡堵江事件是指山区沿江两岸的大型斜坡体或高边坡，在地震、暴雨等灾害荷载下发生破坏失稳，滑坡体以一定的速度或高速向河谷方向运动，在运动过程中由于各种阻力使动力不断减小，最后终止于河床中某一位置或到达对岸经山体碰撞而破碎解体，造成堵江并形成堰塞坝。这里的滑坡是指广义滑坡，包括各种类型的滑坡、崩塌及泥石流。我国是一个滑坡堵江事件频繁发生的国家，堵江滑坡一般比非堵江滑坡造成的灾害损失更为严重，主要原因有：(1)类似于非堵江滑坡，堵江滑坡可能会造成直接灾害损失，如造成滑坡体上部、下部甚至对岸的生命与财产损失；(2)不同于非堵江滑坡，堵江滑坡还可能引发链生灾害损失，如滑坡形成的堰塞坝会抬升水位而造成上游淹没损失，堰塞坝自然或人为溃决可能会造成下游的洪水损失。

目前，对于堵江滑坡的研究主要集中在：堵江滑坡的形成机制、堰塞坝溃坝分析及其处置技术、灾害链各个环节及全过程的风险分析等，而对潜在堵江滑坡的预处置研究鲜有报道。实际工程中，一般采用非堵江滑坡的处置方法来处置潜在堵江滑坡，如对滑坡进行加固，对滑坡体上部、下部和潜在的直接危险区中的人员进行搬离等手段。实际上，不少堵江滑坡位于高山峡谷之中，加固处理施工非常困难或者经济代价太高。此外，如前述堵江滑坡最大的危害往往不是其引发的直接灾害，而且其次生的淹没和洪水灾害。因此，很有必对潜在的堵江滑坡提出应急处置方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种堵江滑坡的河道预设导流管应急处置方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种堵江滑坡的河道预设导流管应急处置方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据历史水文资料或者实测资料确定潜在的滑坡发生后入库流量q入；

(2)根据工程实际设计导流管路线与位置；

(3)估计滑坡形成的堰塞坝长度及位置，确定预设导流管长度，保证导流管的进出口在堰塞坝范围以外10m；

(4)根据入库流量q入和导流管的导流能力确定导流管的数量和直径；

导流管的导流能力由下式确定：

q为单根导流管导流流量，l为预设导流管长度，d为管道内径，ζ为局部水头损失系数，a为管道断面面积，h为不包括行近流速水头的作用水头，g为重力加速度，n为管道的糙率；

(5)在堵江滑坡下滑前，预先在河道水下布设导流管。

作为一种改进，还包括步骤(6)在导流管外部设置保护罩，以避免滑坡岩土体对导流管的破坏。

作为一种改进，保护罩为钢筋混凝土保护罩。

发明原理描述

本发明中，使用预设导流管的方法处置堵江滑坡，以避免堵江滑坡终止于河床中某一位置或到达对岸经山体碰撞而破碎解体，造成堵江并形成堰塞坝。从而导致引发链生灾害损失，如滑坡形成的堰塞坝会抬升水位而造成上游淹没损失，堰塞坝自然或人为溃决可能会造成下游的洪水损失。

导流管的过水能力的确定是应急处置方案的关键。一旦滑坡堵江形成堰塞坝后，堰塞坝下游河床会断流，因此，导流管流量计算时可考虑为管道自由流；由于堰塞坝上游有来水，该流量计算是变水头问题，而实际上天然河道库容很大，水位变化比较缓慢，故可通过逐步迭代将变水头问题转换成恒水头问题。因此导流管过水能力计算可采用恒定水头管道自由流计算公式，具体表达式如下：

其中，q为单根导流管导流流量，λ为沿程水头损失系数，l为预设导流管长度，d为管道内径，ζ为局部水头损失系数，a为管道断面面积，h0为包括行近流速水头的作用水头，g为重力加速度。由于行近流速较小，故行近流速水头可忽略，因此式(1)可进一步简化为：

其中，h为不包括行近流速水头的作用水头(如图1所示)通过估计现场或查阅历史水文资料可得到。

λ可由谢才系数的定义和曼宁公式联合求解得到：

其中n为管道的糙率，可通过查各种管道的糙率表得到；r为管道过水断面的水力半径，对于圆管，r可由下式确定：

将式(3)和(4)代入式(2)得

ζ可通过查局部水头损失系数表得到。

根据上游来水量(入库流量)和现场安装情况，利用公式(5)可确定导流管的数量和直径。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

理论上，只要选择合适的管道长度、直径和数量，本文提出的河道预设导流管处置方法能够显著地减少堰塞坝溃决前的上游淹没灾害和堰塞坝溃决后的下游洪水灾害，甚至可以避免淹没和洪水灾害的发生。简单易行，便于实际工程使用。

附图说明

图1为预设导流管处置方案示意图(顺河流方向上剖面)。

图2为白格堰塞坝坝前实测水位-时间曲线。

图3为白格堰塞湖库容-水位曲线。

图4为白格堰塞湖入库流量-时间曲线。

图5为不同工况下的水位-时间曲线(注：各个图中[a亿m³，b％，cm]中，a代表2018年11月3日17:40～2018年11月13日14:00导流管共减少了堰塞湖库水量，b代计算时间段内导流管减少的库水量与上游来水量的百分比，c代表计算时间段内最高库水位值)。

附图标记：1-堰塞坝；2-保护罩；3-导流管。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步的详细说明。以下的具体实施步骤可以使本专业领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何形式限制本发明。

1、根据历史水文资料或者实测资料确定潜在的滑坡发生后入库流量q入。

2、根据工程实际设计导流管3路线与位置，计算进口、出口与局部水头损失系数。

3、实测导流管3进口段和出口段的高程，计算该段河道的平均坡降，河道平均坡降记为j。

4、估计滑坡可能形成的堰塞坝1长度及位置，计算预设导流管3长度。综合考虑过流能力和实际运输与吊装难度，设计导流管3直径。综合考虑过水能力，制作、运输与安装经济成本，和避免过大振动问题等方面，建议尽可能缩短导流管3的长度，增大导流管3的直径。由式(5)确定导流管3的数量和直径。

5、在堵江滑坡下滑前，预先在河道水下布设导流管3；

6、导流管3外部设置保护罩2以避免滑坡岩土体对导流管3的破坏，保护罩2采用钢筋混凝土结构。

具体实施例子：

白格滑坡位于西藏自治区江达县波罗乡白格村，其后缘顶点地理坐标为东经98°42′17.98″，北纬31°4′56.41″。2018年白格滑坡山体先后发生两次滑坡。2018年10月10日22：06，白格村山体发生滑坡(后文简称“10·10滑坡”)，堵塞了金沙江上游干流河段，形成堰塞湖。2018年10月13日凌晨0时45分左右，滑坡坝漫顶溢流后自然泄洪，逐渐冲刷形成泄流槽。11月3日17：40，白格滑坡后缘再次滑坡(后文简称“11·03滑坡”)，堵塞了泄流槽，形成了规模更大的堰塞湖。11月8日晚，相关各方开始在原泄流槽部位人工开挖泄流槽，11月12日10：50，人工开挖泄流槽开始过流。目前，滑坡后缘的三个裂缝区仍然存在，其危险并未完全消除。估算的裂缝区残余方量约1100×10⁴m³，裂缝区再次发生规模较大滑坡并堵江的危险性仍然存在。

1.计算参数

11·03滑坡发生前后，白格堰塞坝1坝前实测水位-时间曲线如图2所示。绘制了白格堰塞湖库容(v)-水位(l)曲线(图3)，基于该曲线拟合出v和l的关系如下：

v＝474.28728527436l³-4057066.59838877l²+11568800945.9143l-10996921455400.8

(6)

将图2中滑坡发生之后、堰塞坝1过流之前的各时间点的水位l代入式(6)中，可得到各时间点对应的库容v，将前后时间点对应的库容差比上时间差即得到了该时间段的平均入库流量。例如，t1时刻的水位为l1，t2时刻的水位为l2，t1<t2，将l1和l2分别代入式(6)可得t1和t2时刻对应的库容v1和v2，那么t1到t2时间段内的平均入库流量qt1-t2可表述为

当△t取得足够小时，qt1-t2可代表t1和t2时间点的入库流量。令△t＝1h，由式(7)可计算得到的各时间点的入库流量，结果如图4所示，平均入库流量为680.6m³·s^-1。

预布设导流管3拟选用纵缝和横缝都是焊接，但都不束窄过水断面的钢管，故由各种管道的糙率表可知其糙率n＝0.012；进水口完全修圆，故由局部水头损失系数表可知进口水头损失系数ζ1＝0.10；由于是自由流，故出口水头损失系数ζ2＝0；根据谷歌地球布设导流管3，主要有一个半径r≈900m、转角θ≈30°的缓弯管段，故根据局部水头损失系数表可确定局部水头损失系数ζ3＝[0.131+0.1632×(d/900)^7/2]×(1/3)^1/2≈0.076(因为d＜＜900，故(d/900)^7/2≈0)。

式(6)中令v＝0，可解出堰塞坝1上游端河床高程l坝＝2876.55m，进口段和出口段高程根据河道平均坡降计算，河道平均坡降j取为2.5‰。

10·10滑坡堰塞坝1长约1200m，11·03滑坡新形成的堰塞坝1约270m，故预设导流管3计算长度l分别按300m和1500m等2种工况分析；综合考虑过流能力和实际运输与吊装难度，拟分别考虑4个导流管3直径分别为3m、4m、5m和6m等4种工况；上游入库流量分别取真实流量(图4)的100％和200％(称为“入库流量系数”，记为k)等2种工况；导流管32种长度和4种直径，再加上2种入库流量系数进行排列组合，共计16种工况(表1)。

表1计算工况

注：所有工况均布设4个导流管3(n＝4)。

2.计算流程

以下以工况1-1500-3为例，加以说明计算流程。记滑坡发生时刻为t0，即t0＝2018-11-317:40。由图2可知，t0时坝前水位l0＝2896.61m；将l0代入式(6)可得到t0时的库水量v0＝5.07×107m3；时间步长记为△t(时间步长内假定库水位为定值)，取△t＝15min＝900s，即t1＝t0+△t＝2018-11-317:55。t0到t1时间段内：(1)根据图4可知，入库流量q入0-1＝1144832.0m³·s^-1；(2)从而入库水量△v入0-1＝q入0-1·△t·k＝1144832.0m³；(3)假定导流管3有四分之一位于堰塞湖中，则导流管3出水口高程l出＝l坝－j·l/4＝2875.61m；(4)水头差h＝l0－l出＝20.998m；(5)将h、n、l、d、ζ1、ζ2、和ζ3等代入式(5)可得q出0-1＝52.76m³·s^-1；(6)出库水量△v出0-1＝q出0-1·△t·n＝189933.97m³。

t1时刻，库水量v1＝v0+△v入0-1－△v出0-1＝5.17×10⁷m³。将v1代入式(6)中，解方程得l1＝2896.87m。重复上述步骤可得各个时间点的堰塞湖水位。

3.计算结果与分析

根据计算流程，得到不同工况下的堰塞湖水位-时间曲线(图5)。

图5内，图(a)中k＝100％，l＝1500m；图(b)中k＝100％，l＝300；图(c)中k＝200％，l＝1500m；图(d)中k＝200％，l＝300m。

图5还给出了2018年11月3日17:40～2018年11月13日14:00(以下简称“计算时间段内”)导流管3共减少的堰塞湖库水量，计算时间段内导流管3减少的库水量占上游来水量的百分比，计算时间段内库水位达到的最大值。

图5表明：(1)各种工况下，计算时间段内导流管3减少2.8亿～11.8亿m³的堰塞湖库水量，减少的库水量占上游来水量29.1％～108.5％；可见本发明提出的河道预设导流管3处置方法能够显著地减少堰塞坝1溃决前的上游淹没灾害和堰塞坝1溃决后的下游洪水灾害；(2)当入库流量系数k和导流管3长度l一定时，导流管3的过水能力随着管径d增加而显著增加；(3)当k＝100％和l＝1500m时，要使堰塞湖入、出水量达到动态平衡需布设4个d＝4m的导流管3，计算时间段内的最高库水位为2915.1m(低于波罗乡高程2930m)；当k＝100％和l＝300m时，库水动态平衡只需布设4个d＝3m的导流管3，最高库水位为2912.9m(低于波罗乡高程)；当k＝200％和l＝1500m时，库水动态平衡则需布设4个d＝5m的导流管3，最高库水位为2927.6m(低于波罗乡高程)；当k＝200％和l＝300m时，库水动态平衡只需布设4个d＝4m的导流管3，最高库水位为2931.5m(略高于波罗乡高程)；(4)图(a)和(b)，图(c)和(d)分别对比，不难发现导流管3长度对其过水能力影响也较显著，导流管3越短，沿程水头损失越小，过水能力越强。

注意：本发明的实际范围不仅包括上述所公开的具体实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。