一种自溃堤坝分洪道的设计方法技术

一种自溃堤坝分洪道的设计方法，属于非常溢洪道工程及分洪闸的水利工程及堤坝应对水攻的国防领域。本发明专利技术包括：自溃堤坝（1­­）、分洪道（2）、自溃堤坝防灾减灾设计理论、超标准洪水堤坝防灾减灾理论。自溃堤坝（1­­）包括自溃土工板防渗墙自溃堤坝类、自溃土工膜布防渗幕自溃堤坝类、自溃土工板膜布防渗幕体子堤坝引冲自溃堤坝类、漫流淘基引冲自溃堤坝类、分区粘土防渗体自溃堤坝类、髙堰过水慢自溃堤防类、自溃土工板膜布防渗幕体引冲口自溃堤坝类、漫流与汇流引冲自溃堤坝类。分洪道（2）包括钢筋混凝土分洪道、钢筋混凝土分洪闸道、土工合成材料分洪道。本发明专利技术结构简单价廉、管理方便，适用于任何水头堤坝自动分洪。

A design method of spillway of self breaking dam

【技术实现步骤摘要】
一种自溃堤坝分洪道的设计方法
本专利技术属于堤坝非常分洪水利工程
，也属于应对水攻的国防
，具体涉及自溃堤坝及分洪道的设计方法。
技术介绍
无分洪设施的堤防溃决民众来不及逃生的难题：当局对台风暴雨预警是经常性的，但是，超标准洪水不确定性及溃堤的地点的不确定性，当地的民众遇到堤防溃决是罕见性的，这就导致民众对当局的洪水预警不重视，这是防汛管理面临的难题；而不具备建分洪区中小河流往哪分洪也是难题；国家间界河、跨境河流堤防如何分洪是难题。战争水攻溃坝，导致下游区域被淹、道路桥梁被毁、堤防溃决；炸坝后分洪闸没来得及分洪就可能被毁，由于冲淤还可能造成改道，目前没有应对水攻溃坝的方法。此外，大量淤地坝、小塘坝、渠系建筑物水毁是低洪水标准堤坝设计面临的经济与技术难题，防止水库单一泄洪建筑物意外事故危及大坝安全是水利工程管理面临的难题。如果采用叶兴等人的自溃堤坝分洪道为解决系列低水头难题提供一种经济技术可行的方案，由于没有自溃堤坝设计理论，成为推广应用的障碍。自溃堤坝在我国古而有之，古代都江堰就采用飞沙堰，像日本堤防漫水20厘米就溃决的案例比比皆是，这说明自溃堤坝具有可行性，但是堤坝漫而不决也比比皆是，也有自溃堤坝没及时溃决导致主坝漫顶的案例，自五十年代开始国内外斥巨资进行实验研究并没有形成共识的自溃堤坝设计理论，它成为六十年悬而未决的世界性理论难题。在近代美国人把自溃坝引入水库设计中，1959年E.RoyTinney在《自溃堰的冲刷性能》文中，介绍原型与模型试验研究，开启自溃坝系统性研究，因为自溃坝超标准洪水启用概率小、造价低、自动开启、管理方便的优点，立即引起世界各国斥巨资进行跟进研究。1978年土耳其的F·塞图尔克在《一种新型的溢洪道》中指出“硬化路面抗冲使自溃坝难于溃决的问题，采用引冲槽解决”。张克健在《浙江水库泄洪建筑物概况及有关水力学问题》中指出“中国河南75.8大水以后，水电部规划设计院组织河南、辽宁、浙江、安徽等省有关设计科研单位进行自溃坝的试验研究，现场原型或大比例尺模型试验非但耗资甚大，且试验资料也仅能说明在该种坝型及该种试验条件下的坝体冲刷情况，无法为自溃坝设计提供一般可资应用的分析计算方法。”我国研究的重点也是引冲槽及引冲管，其缺点是试验费用高及引冲槽规模、间距的设计需要试验确定，面对不确定的洪水无法保证及时引溃，引冲槽维护管理也是难题。郭军在推荐瑞典人的专利《Hydroplus—一种新型的防洪挡水式自溃堰》中引用专利技术者“自溃坝长期的固结使之在洪水期难以被冲毁问题”，采用自动倾覆的混凝土防渗墙解决固结粘土的问题，因可以精准量化溃决条件，十几个国家采用，但是其消能防冲要求高、造价高昂且倾覆自溃会造成很大涌浪灾害。庞敏在《自溃式非常溢洪道设计》指出“土工膜自溃堤坝溃决快”，没有涉及土工膜能否护住下游坝体阻滞冲刷的问题。《中国江河防洪丛书-海河卷》海河采用自溃堤坝，因自溃堤防存在无法控制的缺点，以人工爆破为备选方案。目前还没有自溃堤防的设计理论，普遍通用的是人工爆破分洪方法，优点可以克服固结粘土、硬化路面不确定性，缺点汛期管理及炸药管理要求高、一旦爆破分洪失控。堤坝溃决很普遍，没有可行与共识的自溃堤坝设计理论，就没有成套技术，其的原因是，现在自溃坝设计理论是要量化达到规范规定的洪水标准，即自溃坝开始启动到水库水位上升到标准水位的时间与自溃坝溃决时间吻合，而各种坝自溃现象机理都很复杂目前无数学模型可解；目前通过试验手段，只有引冲槽自溃坝大比尺整体试验有相似性，引冲槽的三面固结粘土的超静定结构使问题复杂化，同时试验解决不了洪水的不确定性、无限性及固结粘土与硬化路面导致自溃的不确定性的问题，目前凡是经过试验设计的自溃坝必是罕见的稀遇洪水，几乎得不到实践的验证；受经济技术条件限制,规范只能允许大量低标准洪水的中小型坝、渠首工程、堤防、渠系建筑物、围堰超标准洪水水毁。本专利技术的超标准洪水还包括超过管理标准及战争水攻造成的洪水，分洪道包括水库溢洪道、非常溢洪道、渠首工程分洪道及堤防分洪闸道，堤坝包括水库大坝及河湖堤防。综上所述，建立自溃堤坝设计理论与成套技术是关系到国土安全迫切需要解决的理论与技术难题；是城镇化、机械化条件下水利工程设计、管理迫切需要解决的理论与技术难题；是国家间界河、跨径河流分洪迫切需要解决的理论与技术难题。依据飞砂堰的“飞砂机理”，利用叶兴等人的堆石坝水毁数学模型与成因动态耦合演进的方法及1978年浙省水利水电科学研究所等《南山水库自溃坝试验阶段报告》资料，建立堤坝溃决机理，再利用叶兴等人的堤坝防灾减灾设计理论的方法，建立自溃堤坝防灾减灾设计理论与成套技术，为解决悬而未决的世界性难题提供一种方法。
技术实现思路
专利技术的目的:利用自溃堤坝水毁机理构建自溃堤坝防灾减灾设计理论，通过自溃堤坝防灾减灾设计理论专利技术适用于任何水头的成套自溃堤坝结构，通过堤坝防灾减灾设计理论构建适用于任何自溃水头的分洪道，把它纳入具有知识产权的规范提供理论基础与技术支撑，为解决超标准洪水堤坝溃决、战争水攻、跨境河流与界河分洪、中小型河流分洪难题，为解决淤地坝、小塘坝、渠系建筑物水毁难题，为解决水利工程管理难题、水库单一泄洪建筑物意外事故难题，为解决塑料垃圾利用的难题，提供一种新方法，实现减少堤坝水毁的经济损失确保国土安全的目标。本专利技术的一种自溃堤坝分洪道的设计方法适用于任何水头的水库、渠首工程、渠系建筑物、堤防、围堰自溃分洪。为实现以上目的，本专利技术核心技术是自溃堤坝与分洪道两套结构及自溃堤坝防灾减灾设计理论，理论是结构的目标，结构支撑理论。上述的目的通过以下的技术方案实现：一种自溃堤坝分洪道的设计方法，它包括，依据自溃堤坝防灾减灾设计理论设计自溃堤坝，依据超标准洪水堤坝防灾减灾理论设计分洪道，自溃堤坝底部连接分洪道的溢流堰，分洪道两侧连接堤坝岸，超标准洪水堤坝防灾减灾理论设计，它是按照泄洪滩田水毁机理及防灾减灾目标确定分洪道的结构形式与规模。自溃堤坝防灾减灾设计理论，它是按照堤坝溃决机理与防灾减灾目标设计自溃堤坝的结构形式,量化设计自溃堤坝级差、自溃堤坝体分区；漫水堤坝溃决机理，它是漫水堤坝漫流流速超过土体抗冲流速堤坝就会发生冲刷破坏，漫水堤坝漫流冲刷破坏引起漫水堤坝几何形状改变，漫水堤坝几何形状改变引起漫水堤坝水流流态的改变，它进一步加剧冲刷破坏，漫水堤坝水流流态的改变必然经过各种固定临界冲刷破坏堰上水深，漫水堤坝几何形状改变引起土体渗流与应力改变，土体渗流与应力超过土体的允许渗透坡降、抗剪强度、抗拉强度就会引起各种漫水堤坝溃决破坏成因的耦合破坏动态演进，形成漫水堤坝冲刷破坏到堤坝溃决，再到堤坝溃口稳定的演变；临界堤坝溯源冲刷破坏堰上水深Hd，如果堤坝顶较宽是明渠流采用式（1）、式（2）联立求解Hd，如果堤坝顶是堰流采用式（2）、式（3）联立求解Hd，临界堤坝顶下切冲刷破坏堰上水深Hu，采用（4）、（5）联立求解Hu，临界不冲刷破坏堰上水深Hn，采用（6）、（7）联立求解Hn，级差di采用公式（8），自溃堤坝体分区采用公式（9）、（10）、（11），如果堤坝比较矮采用非均匀流推求坡脚流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自溃堤坝分洪道的设计方法，其特征在于它包括，依据自溃堤坝防灾减灾设计理论设计自溃堤坝（1），依据超标准洪水堤坝防灾减灾理论设计分洪道（2），所述自溃堤坝（1）底部连接分洪道（2）的溢流堰（2-2），分洪道（2）两侧连接堤坝岸（3），所述超标准洪水堤坝防灾减灾理论，它是按照泄洪滩田水毁机理及防灾减灾目标确定分洪道的结构形式与规模，以分散分洪、分散蓄水作为应对超标准洪水与战争水攻的防灾减灾理论；/n所述自溃堤坝防灾减灾设计理论，它是按照堤坝溃决机理与防灾减灾目标设计自溃堤坝的结构形式，量化设计自溃堤坝级差、自溃堤坝体分区，所述漫水堤坝溃决机理，它是漫水堤坝漫流流速超过土体抗冲流速堤坝就会发生冲刷破坏，漫水堤坝漫流冲刷破坏引起漫水堤坝几何形状改变，漫水堤坝几何形状改变引起漫水堤坝水流流态的改变，它进一步加剧冲刷破坏，漫水堤坝水流流态的改变必然经过各种固定临界冲刷破坏堰上水深，漫水堤坝几何形状改变引起土体渗流与应力改变，土体渗流与应力超过土体的允许渗透坡降、抗剪强度、抗拉强度就会引起各种漫水堤坝溃决破坏成因的耦合破坏动态演进，形成漫水堤坝冲刷破坏到堤坝溃决，再到堤坝溃口稳定的演变；所述临界冲刷破坏堰上水深包括临界堤坝溯源冲刷破坏堰上水深H...

【技术特征摘要】
1.一种自溃堤坝分洪道的设计方法，其特征在于它包括，依据自溃堤坝防灾减灾设计理论设计自溃堤坝（1），依据超标准洪水堤坝防灾减灾理论设计分洪道（2），所述自溃堤坝（1）底部连接分洪道（2）的溢流堰（2-2），分洪道（2）两侧连接堤坝岸（3），所述超标准洪水堤坝防灾减灾理论，它是按照泄洪滩田水毁机理及防灾减灾目标确定分洪道的结构形式与规模，以分散分洪、分散蓄水作为应对超标准洪水与战争水攻的防灾减灾理论；
所述自溃堤坝防灾减灾设计理论，它是按照堤坝溃决机理与防灾减灾目标设计自溃堤坝的结构形式，量化设计自溃堤坝级差、自溃堤坝体分区，所述漫水堤坝溃决机理，它是漫水堤坝漫流流速超过土体抗冲流速堤坝就会发生冲刷破坏，漫水堤坝漫流冲刷破坏引起漫水堤坝几何形状改变，漫水堤坝几何形状改变引起漫水堤坝水流流态的改变，它进一步加剧冲刷破坏，漫水堤坝水流流态的改变必然经过各种固定临界冲刷破坏堰上水深，漫水堤坝几何形状改变引起土体渗流与应力改变，土体渗流与应力超过土体的允许渗透坡降、抗剪强度、抗拉强度就会引起各种漫水堤坝溃决破坏成因的耦合破坏动态演进，形成漫水堤坝冲刷破坏到堤坝溃决，再到堤坝溃口稳定的演变；所述临界冲刷破坏堰上水深包括临界堤坝溯源冲刷破坏堰上水深Hd、临界堤坝顶下切冲刷破坏堰上水深Hu、临界不冲刷破坏堰上水深Hn，所述自溃堤坝级差是各级自溃堤坝高差及最高自溃堤坝与堤坝之间的高差简称级差di，所述自溃堤坝体分区，它是按“飞砂机理”，用控制粘性土含量的非粘性易冲沙石土划分自溃堤坝分区，利用引冲子堤坝高划分子母堤坝分区，以非粘性易冲沙石土内摩擦角为倾角的斜线上下游划分母砂石堤坝体与母非粘性易冲沙石土堤坝区，利用堤坝体冲坑深度水平划分母砂石堤坝体与母非粘性易冲沙石土堤坝区分区，结合自溃堤坝型式确定自溃堤坝体分区，所述“飞砂机理”，它是水流流速超过沙石启动流速，沙石就会被冲飞走；所述临界堤坝溯源冲刷破坏堰上水深Hd，如果堤坝顶较宽是明渠流采用式（1）、式（2）联立求解Hd，如果堤坝顶是堰流采用式（2）、式（3）联立求解Hd，所述临界堤坝顶下切冲刷破坏堰上水深Hu，采用（4）、（5）联立求解Hu，所述临界不冲刷破坏堰上水深Hn，采用（6）、（7）联立求解Hn，级差di采用公式（8），自溃堤坝体分区采用公式（9）、（10）、（11），如果堤坝比较矮采用非均匀流推求坡脚流速，

(1)

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

（7）

（8）

（9）

（10）

（11）

（12）
式中：hi、vi、hi+1、vi+1—分别代表堤坝顶流段的上下游断面水深(m)、流速(m/s)，中初始hi+1采用临界水深hk；△l、il—分别代表堤坝顶流段长度（m）、堤坝顶顺水流方向纵坡；—代表堤坝顶的平均水力坡度；Vd—代表堤坝下游水位处下游坡面起动流速；n、R、i—分别代表堤坝下游坡面糙率、水力半径（m）、纵坡；Q、ε、m、σ、B—分别代表堤坝顶流量（m3/s）、侧收缩系数、流量系数、淹没系数、漫流宽（m）；g—代表重力加速度（m/s2）；α—代表流速分布系数；v0—代表行进流速（m/s）；Vu—代表堤坝顶分缝硬化路面、沙石坝体、堤坝粘土防渗墙起动流速（m/s）；Vn—代表堤坝粘土防渗墙或沙石坝体不冲流速（m/s）；di—第i级级差，m；Hd—临界堤坝溯源冲刷破坏堰上水深，m；Ai—水位上涨速率与堤坝溃决快慢及工程等级因素的各级自溃堤坝或自溃堤坝与堤坝的加高；He—代表引冲子堤坝高，m；Hu—代表临界堤坝顶下切冲刷破坏堰上水深，m；As—代表子堤坝加高，m；β—母砂石堤坝体与母非粘性易冲沙石土堤坝区上下游分界线的倾角，︒；φ—母非粘性易冲沙石土堤坝内摩擦角，︒；t—母砂石堤坝体与母非粘性易冲沙石土堤坝区水平分界线以下的母砂石堤坝体冲坑深度，m；K—冲坑系数；q—临界堤坝溯源冲刷破坏单宽流量，m3/s.m；Z—上下游水位差，m；ht—下游水深，m；hg—代表带缺口路缘石的缺口深度，m；Hg—代表临界堤坝脚溯源冲刷破坏缺口堰上水深，m；Ag—代表缺口深度加高，m；所述漫水堤坝溃决破坏成因的耦合破坏动态演进，以漫水粘土斜墙为典型，漫流堤坝下游坡开始发生明渠均匀流冲刷破坏，此时是漫水堤坝下游沙石土坡溯源冲刷破坏起始阶段，对应临界堤坝溯源冲刷破坏堰上水深Hd；冲刷使堤坝底部坝坡变陡，形成明渠非均匀流逐级降水流态层面冲刷破坏，堤坝越高溯源层面冲刷越快，漫水堤坝底部坡度大于砂性土内摩擦角后，沙性土堤坝体产生直线滑坡破坏，堤坝坡面出现转折，在堤坝坡面出现转折处演变为跌流冲刷破坏，堤坝越高跌流溯源冲刷越快；当漫水堤坝下游坡直线滑坡延伸至堤坝顶路面下，硬化路面形成悬臂跌流，在坝肩处形成路面跌流冲刷破坏，淘刷硬化路面基础，粘土斜墙下游的悬臂路面在自重、水重作用下发生弯矩应力破坏而局部脱落，发展为粘土斜墙悬臂跌流，当堤坝粘土斜墙后失去沙石土堤坝体支撑，在渗透压力、自重作用下产生层层剥落的圆弧形滑坡破坏，在冲刷滑坡耦合破坏下，漫流堤坝粘土斜墙变薄而发生渗流破坏，掏空路基，硬化路面在自重、水重、动水冲刷作用下发生坍塌破坏，此时是漫水堤坝溃口起始阶段；当漫水堤坝粘土斜墙顶失去硬化路面防冲保护时，漫水堤坝粘土斜墙发生下切冲刷破坏，顶部非饱和固结粘土抗冲流速大下切慢，底部渗流饱和固结粘土抗冲流速小而流速大下切快，粘土斜墙在自重、水压力、土压力作用下漫水堤坝粘土斜墙悬臂发生断裂或倾覆的应...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶兴，其他发明人请求不公开姓名，
申请(专利权)人：叶兴，
类型：发明
国别省市：黑龙;23