一种人工调控堰塞湖泄流槽底板冲刷的方法及气囊垫与流程

本发明涉及减灾技术，具体涉及一种人工调控堰塞湖泄流槽底板冲刷的方法及气囊垫。

背景技术：

堰塞湖是一种主要由地震、降雨和融冰等原因引起的大规模山体滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害在河道中形成堰塞体，堰塞体堵塞河道而蓄水形成湖泊。大型堰塞体高几十米，长几百米，需要及时处理，否则湖水上涨，会导致结构松散的堰塞体发生溃坝，对下游造成巨大洪涝灾害，水位越高，库容量越大，灾害越严重。

目前主要应急处置办法是通过机械开挖和爆破的方式，在堰塞体适当部位进行开槽引流，即在堰塞体上沿河流纵向开挖一条泄流槽，提供一条湖水泄流通道，排泄湖水，在排泄过程中水流对泄流槽不断冲刷，降低泄流槽底高程，达到降低湖水水位消除风险的目的。由于堰塞体是由松散堆积物组成，随着流速和流量的增加，水流的冲刷能力会快速增加，使槽底高程急剧下降，泄流量迅速增加，短时间内大量湖水下泄对下游极易形成洪灾，造成人员伤亡和经济损失。

由于，形成巨大下泄流量的根本原因是水流过快冲刷泄流槽，过水断面快速扩大，所以，为了防止泄流过程中出现洪涝灾害，需要设法调控水流对槽底的冲刷速度。

针对这个问题，目前并没有比较好的方法，人们曾尝试往槽底投放由钢丝网和块石组成的人工结构体，在槽底形成防冲刷覆盖层。如现有技术中的处理方法：

cn101718085a《一种人工调控排泄流量的堰塞湖处置方法及其应用》，该方法步骤如下：在堰塞湖坝体上相对低洼的凹槽部位开挖排导槽；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，保证排泄流量的稳定增长；在堰塞湖库水排泄后期，当排导槽中的库水排泄流量达到设定阈值时，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。

cn109811729a《堰塞湖应急处置的控制泄流结构及其方法》，堰塞湖应急处置的控制泄流结构包括泄流槽，沿水流方向，泄流槽位于堰塞体的中下部，还包括抗冲刷结构（抗冲刷结构由多块粒径在0.6m以上的块石构成，所有块石相互间隔设置，相邻块石之间的间距为2-4m）。抗冲刷结构设置在泄流槽中。堰塞湖的水流至泄水槽中时，抗冲刷结构对泄流槽中的水流进行阻碍，降低水流的冲击力，有效地降低了水流的峰值和流速，延长了堰塞体因泄流冲刷引起的堰塞体溃决时间，也降低了下游沿河两岸的淹没高度与冲刷范围，尽可能减少下游的破坏和损失，提高了对下游生态环境的保护。

虽然，cn101718085a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。cn109811729a堰塞湖处理的泄流结构及其方法，结构简单，处理效果好，实现了对泄水槽水量的大小和流速的控制，显著提高了堰塞湖处理的安全性。但上述两种方法存在有明显不足之处，并未被实际工程广泛采用，比如，水流流速大，容易将抛扔的结构石冲走，难以形成覆盖层；结构石体积大，重量大，在泄流过程中准确投放困难；一旦结构石对泄流槽槽底形成覆盖层，限制了槽底的进一步冲刷和槽底高程下降，又无法彻底排空湖水消除危险。目前在堰塞湖排险工程中，并没有有效的控制泄流槽冲刷的方法，而是任由水流冲刷，过大的泄流量，给下游带来洪灾危害。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对目前调控下泄水流对堰塞湖泄流槽底冲刷方法存在的不足，提供了一种通过可上浮和下沉的气囊垫来调控泄流槽冲刷的方法，当下泄流量不大时，气囊垫浮于水面，水流对槽底正常冲刷，沟床下切，若下泄流量达到允许流量时，气囊垫沉于槽底形成防冲刷覆盖层，冲刷停止，沟床稳定，气囊垫如此反复交替上浮和下沉，实现调控下泄水流对泄流槽槽底冲刷的调控目的，同时也调控了下泄流量，避免下游洪灾。该方法主要装置包括气囊垫，利用气囊垫充气体积变大可浮于水面，槽底受水流冲刷而下切；抽气体积变小会沉于水底，对槽底形成防冲刷覆盖层，冲刷停止，槽底稳定；通过反复交替上浮和下沉，气囊垫就可达到调控槽底冲刷的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案之一如下：

一种人工调控堰塞湖泄流槽底板冲刷的方法，在堰塞湖泄流槽底即冲刷面上，设置一气囊垫，利用气囊垫上浮，水流对槽底正常冲刷，及气囊垫排气后自然或在外力作用下下沉，沉于槽底形成防冲刷覆盖层，阻止或减少水流对槽底冲刷，从而实现人工调控泄流槽冲刷。

进一步，当下泄流量在允许流量范围内时，气囊垫浮于水面，水流对槽底正常冲刷，槽底高程下降，流量随之增大；若下泄流量达到或大于允许流量时，气囊垫沉于槽底形成防冲刷覆盖层，阻止或减少水流对槽底冲刷，槽底高程相对稳定；气囊垫如此反复交替上浮和下沉，实现调控下泄水流对泄流槽槽底冲刷，同时也调控了下泄流量。

进一步，人工调控泄流槽冲刷时，分阶段逐步降低槽底高程。

进一步，步骤如下：

s1泄流槽开挖过程中，在堰塞体上游湖面定位一浮船平台，正对泄流槽入口，距离泄流槽入口坡脚一定距离，浮船平台安装有卷扬机组；

s2在泄流槽入口斜坡坡脚外河床中间或至少两侧分别固定安装带定滑轮的底座；

s3组装气囊垫，气囊垫的宽度与泄流槽达到最大下泄流量时槽底的宽度相对应，长度依据需要控制的泄流槽底板的长度而定；

s4当泄流槽的泄流量未达到允许流量时，将气囊垫充气后放到水面，随着水流漂到泄流槽内，卷扬机组通过第一钢丝绳与气囊垫连接并调整气囊垫的前后位置，使气囊垫最前端处于泄流槽入口斜坡上方；

s5当下泄流量达到或大于允许流量时，抽出气囊垫中的空气，一方面因浮力减少而下沉，另一方面，卷扬机组的第二钢丝绳通过定滑轮与气囊垫连接，使气囊垫在斜坡和槽底形成防冲刷覆盖层，然后，随着泄流，湖水位会逐渐下降，流量也相应随时间逐渐变小；

s6当下泄流量减少到允许流量范围内时，再给气囊垫充气，放松第二钢丝绳，气囊垫上浮到水面，用第一钢丝绳调控其位置，此时，下泄水流从气囊垫下面通过，对槽底重新产生冲刷，槽底高程逐渐降低，下泄流量逐渐增加，增加到允许流量时，重复步骤s5；

s7不断重复步骤s5和s6，使气囊垫反复交替下沉和上浮，实现对下泄水流对槽底冲刷的人工调控。

更进一步，气囊垫在纵向包括若干个气囊垫单元，气囊垫的宽度需要调整时，通过增加或减少气囊垫单元。

更进一步，浮船平台安装有卷扬机组为两台卷扬机，即浮船平台安装有前后两组卷扬机，每组两台卷扬机，每台卷扬机上绕有钢丝绳，其中，一组卷扬机上的钢丝绳为平拉式第一钢丝绳；另一组的钢丝绳为下拉式第二钢丝绳。

更进一步，气囊垫前端有充气管和两个连接环，每个气囊均有一个充气管，用于与充气泵连接，连接环位于两端，用于与钢丝绳连接；其中第一钢丝绳直接与连接环连接，第二钢丝绳绕过定滑轮后再与连接环连接；充气管与充气泵连接。

更进一步，包括浮船平台、定滑轮和气囊垫；

所述浮船平台包括浮船、卷扬机和钢丝绳，所述浮船能锚定在堰塞体上游湖面；所述卷扬机设置在浮船上分前后两组两侧共四台，前方的两台分别设有第一钢丝绳，后方的两台分别设有第二钢丝绳，第二钢丝绳与定滑轮连接；

所述定滑轮的底座固定在河床上，两根第二钢丝绳之间的宽度与两个定滑轮之间的宽度对应；

所述气囊垫为柔性垫，气囊垫在纵向包括若干个气囊垫单元，气囊垫的宽度需要调整时，通过增加或减少气囊垫单元。

为实现上述目的，本发明的技术方案之二如下：

一种人工调控堰塞湖泄流槽底板冲刷的气囊垫，气囊垫在纵向包括若干个气囊垫单元，气囊垫的宽度需要调整时，通过增加或减少气囊垫单元，气囊垫单元为长条形，气囊垫单元纵向之间设有连接扣，通过连接扣能将若干气囊垫单元拼接在一起形成一气囊垫；气囊垫上至少设有一个为下拉式连接装置或设有下拉式和平拉式两种连接装置。

进一步，所述气囊垫单元包括柔性垫、若干气囊和重力杆；柔性垫之间设有连接扣，气囊为长筒状，长度与柔性垫相同，每个气囊独立，气囊一端通过充气管与充气泵连接，充气泵设有充气和抽气两种工作状态；

所述重力杆的横截面包括方形、圆形或梯形，固定在柔性垫下表面，在气囊垫单元拼接时，相邻单元的重力杆对齐并用销钉或连接环等连接；

或还包括控制杆，所述控制杆位于气囊垫最前端，与柔性垫牢固连接的直杆，当不同气囊垫单元连接时，控制杆采用刚性连接，连接后控制杆是一根直杆，直杆两端设有钢制连接环，用于与卷扬机上的钢丝绳连接。

本发明利用一种既可上浮到水面又可下沉到泄流槽槽底的气囊垫来调控下泄水流对泄流槽槽底的冲刷。当气囊垫上浮，水流对槽底产生冲刷，沟床下切，当气囊垫下沉，在槽底形成防冲刷覆盖层，冲刷停止，沟床稳定。在堰塞湖湖水排泄过程中，依据允许下泄流量，通过浮船平台上的卷扬机和充气泵反复操作，调控水流对槽底的冲刷，使槽底反复交替经历下切和稳定的过程，对槽底整个冲刷过程进行调控，分阶段逐步降低槽底高程，从而有效控制了过水断面和下泄流量，延长湖水排泄时间，水位逐步下降，避免下游洪灾。该方法操作简单方便，所用装置简单，易于加工和现场装配，成本低，可有效预防下泄湖水对下游产生的洪灾。

具体有益之处在于：

1.延长湖水排泄时间，预防下游洪灾。在调控泄流槽槽底冲刷的过程中的同时，也调控了最大下泄流量，延长了排泄时间，使排泄流量较为平稳，从而避免了下游洪灾。

2.原理清晰，装置简单，可现场装配。整个装置主要包括浮船平台和气囊垫，气囊垫由柔性垫、气囊袋和重力杆组成。气囊垫浮于水面时，水流对槽底产生冲刷，沉于水底对槽底形成覆盖层，冲刷停止。这些装置均可在现场组装，在交通条件不好的情况下也可实现。

3.操作简单，效果好。浮船就是操作平台，操作卷扬机和充气泵就可实现气囊垫上浮和下沉的操作。

4.可反复调节，有效消减下泄流量峰值。由于气囊垫可反复上浮和下沉，当下泄流量达到最大允许下泄该流量时，下沉气囊垫在泄流槽槽底形成防冲刷覆盖层，冲刷减缓或停止，流量会隋时间逐渐减少，减少到一定程度后，上浮气囊垫，水流对槽底重新产生冲刷，流量会不断增加，达到允许流量时，又重新下沉气囊垫，如此反复操作，可有效调控水流对槽底的冲刷，控制下泄流量在安全范围，避免洪灾出现。

5.装置容易加工制造，成本低，可反复使用。主要装置浮船和气囊垫的制造成本都很低，都可以在现场组装，可拆卸和反复使用。

本发明创造性地提出了一种基于气囊垫的人工调控堰塞湖泄流槽底板冲刷方法，水流即可对槽底正常冲刷，气囊垫沉于槽底又能形成防冲刷覆盖层，阻止或减少水流对槽底冲刷，从而实现动态调控泄流槽冲刷。

附图说明

图1是本发明实施例整体结构示意图；

图2是本发明实施例气囊垫结构示意图；

图3是本发明实施例气囊垫横a—b剖面示意图。

图中，浮船平台1、浮船101、卷扬机102、钢丝绳103、定滑轮2、气囊垫3、柔性垫301、气囊302、重力杆303、充气管304、控制杆305。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分，并非全部。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

某堰塞湖的堰塞体长240m，宽190m，高出河床50m，设计开挖倒梯形泄流槽，其顶宽42m，底宽3m，深15m，长200m，入湖流量300m³/s，设计最大允许下泄流量qmax=1200m³/s,，该流量值不会引起泄流槽明显溃决。估算下泄流量首次达到qmax=1200m³/s,时，槽底宽度会扩展到10m，水深4m。现采用气囊垫覆盖的方法来调控水流对泄流槽槽底的冲刷，槽底覆盖的设计长度为80m。

具体操作步骤为：

s1泄流槽开挖过程中，在堰塞湖水面组装一艘浮船平台1，平台长约25m宽约15m，平台后部和前部（即朝下游一端）两侧各固定一台电机驱动的卷扬机102，同一排卷扬机间距约10m，每台卷扬机上缠绕有钢丝绳103，其中后部卷扬机上的两根钢丝绳简称为下拉第二钢丝绳，前部卷扬机上的两根钢丝绳简称为平拉第一钢丝绳。整个浮船平台用锚定索固定在堰塞湖水面，正对泄流槽入口，距离泄流槽入口斜坡坡脚大约40～100m。

s2在岸边组装两个定滑轮底座，底座上表面安装定滑轮2，然后放置到泄流槽入口斜坡坡脚两侧河床上，定滑轮间距为10m（与卷扬机间距大致相同），正对泄流槽入口，即浮船平台、定滑轮连接和泄流槽入口三者中心线重合。

s3按照长80m、宽10m的规格在岸边较开阔地带组装气囊垫3，气囊垫单元尺寸规格是宽2m或4m，长80m，用一个宽2m和两个宽4m的气囊垫单元进行拼接，相邻单元的柔性垫301用绳子或铁丝连接，重力杆303用扣件连接，最前端一根控制杆采用刚性连接且两端各固定一个钢制连接环，从而得到一个宽10m长80m的气囊垫3。按照前端在下后端在上的顺序折叠后放到浮船平台1上。用前部卷扬机上的两根平拉第一钢丝绳直接与气囊垫连接环连接，后部两台卷扬机上的下拉第二钢丝绳穿过浮船夹板，绕过定滑轮2再与气囊垫连接环连接，充气管304与充气泵连接。

s4当泄流槽泄流量达到一定时，如q=600～800m³/s，将折叠的气囊垫3按从上往下的顺序在浮船平台上展开，充气后放到水面并随着水流飘浮到泄流槽内，用平拉第一钢丝绳调整气囊垫3前后位置，使控制杆305在泄流槽入口斜坡上的投影位于斜坡中部以下位置。

s5当下泄流量达到qmax=1200m³/h时，抽除气囊中的空气，气囊302体积变小，气囊垫3所受浮力亦减少，当小于其重量时，会下沉，拉紧下拉第二钢丝绳，放松平拉第一钢丝绳，控制气囊垫3下沉位置，使其最前端位于泄流槽入口斜坡中部以下位置，气囊垫3在泄流槽入口斜坡和槽底形成长80m的防冲刷覆盖层，隔断冲刷水流，槽底沟床冲刷减缓甚至停止而保持稳定，同时，因为下泄流量远大于入湖流量，湖水位随时间逐渐下降，泄流槽内水深也会变小，流量随之逐渐减少。

s6当下泄流量减少到一定时，如q=600m³/h，给气囊302充气，气囊302膨胀体积变大，气囊垫3所受到的浮力不断增加，当大于其重量时，会逐渐上浮到水面，在上浮过程中，逐渐放松下拉第二钢丝绳，当气囊垫3上浮到水面时，用平拉第一钢丝绳控制其位置，使控制杆305位于入口斜坡上方，此时，下泄水流在气囊垫3底下流动，对槽底重新产生冲刷，槽底高程逐渐降低，下泄流量不断增加，达到q=qmax=1200m³/h时，重复步骤s5。

s7不断重复步骤s5和s6，使气囊垫3反复交替下沉和上浮，实现人工调控下泄水流对槽底的冲刷，同时也调控了下泄流量。如果槽底因侧向侵蚀宽度变大，则需要增加气囊垫3整体宽度，具体方法是，在气囊垫3浮在水面时，用平拉钢丝绳将其收回到浮船平台上，在其一侧或两侧增加一定宽度的气囊垫单元，再重新放到泄流槽水面上。

本实施例的主要装置包括浮船平台1、定滑轮2和气囊垫3。所述浮船平台1长25m宽15m，包括浮船101、卷扬机102和钢丝绳103。所述浮船101为一艘具有一定载重量的普通船或浮划，有较宽平面夹板，能用锚定绳索固定在堰塞体上游湖面。所述卷扬机102由电机驱动，安装在浮船平台1后部和前部（即朝下游一端）两侧，共四台。所述钢丝绳103是普通钢丝绳，共有四根，分别缠绕在卷扬机102上，其中后部两台卷扬机上的钢丝绳简称为下拉第二钢丝绳，前部两台卷扬机上的钢丝绳简称为平拉第一钢丝绳，后部两台卷扬机底下浮船夹板上有预留洞，便于钢丝绳穿过夹板下伸到河床。

所述定滑轮2通过重量很大的底座固定在河床上，共两个，分别放置在泄流槽入口斜坡坡脚两侧河床上。底座用混凝土或铸铁等比重较大的材料制成，是一个底面尺寸较大的长方体、正方体或锥台体，定滑轮2固定在其顶面，轮轴可在水平面内旋转，为了便于运输和安装，底座由若干小块组合装配而成，整体重量较大，利用其重量将定滑轮固定在河床上。

所述气囊垫3是一种充气体积变大抽气体积变小的柔性垫，由若干气囊垫单元拼接而成，气囊垫单元规格为长80m，宽2m或4m，两侧边缘有绳扣或扣眼，一个长80m宽10m的气囊垫，由一个宽2m和两个宽4m的气囊垫单元拼接而成。气囊垫单元包括柔性垫301、气囊302、重力杆303、充气管304和控制杆305。

所述柔性垫301是一种由彩条布等不吸水柔性膜或编织物制成的长条形柔性布，具有较大抗拉强度，可折叠，长80m，宽有2m和4m两种规格，两侧边缘有绳扣或扣眼，可拼接成不同宽度的柔性垫。所述气囊302是密封的充气袋，长筒状，长80m，与气囊垫3长度相同，等间距纵向固定在柔性垫301上表面，每个气囊独立，互不连通，气囊302前端（朝上游一端）连接一根充气管304，充气管304与充气泵连接，充气泵有充气和抽气功能，气囊302充气体积变大，抽气，体积变小，气囊302数量和大小应与柔性垫301和重力杆303的重量相适应，当大多数气囊（如70%）充气后，整个气囊垫3所受到的浮力大于其重量，可浮于水面，防止个别气囊302破裂漏气时气囊垫3无法浮到水面，抽气后可下沉到水底。制作气囊的材料不吸水、耐磨和抗拉性能良好。

所述重力杆303由比重较大的钢或钢筋混凝土等材料制成，杆状，横截面为方形或梯形等，等间距横向均匀固定在柔性垫下表面，长度等于柔性垫单元宽度，在气囊垫单元拼接时，相邻单元的重力杆303应对齐并用扣件连接。重力杆303间距要满足单位面积上气囊垫3的重量小于大多数气囊（如70%）充气后气囊垫3所受到的浮力，即充气后气囊垫3会浮到水面，抽气后，气囊垫3所受浮力小于其重量而下沉到水底。

控制杆305，位于气囊垫3最前端，为钢杆，横截面为圆形或矩形，与柔性垫301牢固连接，其两端各有一个钢制连接环。不同气囊垫单元横向拼接时，控制杆采用刚性连接，连接后控制杆305两端有连接环。

浮船前部两台卷扬机上的平拉第一钢丝绳直接与气囊垫3连接环连接，在气囊垫3浮于水面时，用于控制其前后位置；后部两台卷扬机上的下拉第二钢丝绳穿过浮船夹板，绕过河床定滑轮2后，再与气囊垫3的连接环连接，用于气囊垫3下沉时，给其施加下拉力，控制气囊垫3在泄流槽槽底的前后位置。