堤防溃口封堵的堵口物料、设计及制备方法与流程

本发明涉及防汛抢险工程，具体涉及一种应用于大溃口、高流速极端工况下堤防溃口封堵的堵口物料、设计及制备方法。

背景技术：

1、近年来，极端强降雨频发导致超标准洪水引发的堤防溃口事故严重威胁着下游生命财产安全。溃口通常具有突发性强、溃口宽度大及过水流速高等特点，因此，研究适用于大溃口、高流速条件下的堤防快速封堵技术与专用物料，对于提升防洪抢险能力、保障流域安澜具有重要的工程应用价值。

2、经过多年的工程实践，现有的溃口抢险技术已逐步形成以机械打桩搭设桁架平台并结合抛投物料进行封堵的施工体系。在物料封堵这一关键环节，目前工程中广泛采用的抛投堵口物料主要以正方体、长方体等规则几何体形态为主，或者采用正四棱台、正四面体等截面形态的物料块。这些传统物料通常采用混凝土等高密度材料整体浇筑成型，并在结构内部预埋钢筋以便于现场吊装、运输和水下抛投。

3、然而，现有的规则几何体堵口物料在复杂水动力和桁架堆叠工况下，主要面临堆叠嵌合度低、水流冲击阻力过大以及抗翻滚稳定性不足等三大结构性问题。首先，传统物料（如正四面体或正四棱台）多通过点接触或面接触进行堆叠，缺乏三维空间上的几何互锁机制，导致堆叠体孔隙率极高（约40%至65%），且难以与桁架横杆形成多方位有效搭接，无法形成致密的封堵屏障。其次，现有物料多采用平直迎水面，在高流速（如8.5m/s以上）水流的正向冲击下会产生巨大的拖曳力，导致局部应力集中，物料极易因受力过大而发生局部冲毁。最后，传统物料的重心偏高，由于缺乏非对称的低重心结构设计，其在水流冲击下产生的自重抗倾覆力矩不足，导致物料极易沿底部下游棱边发生翻滚流失，严重制约了封堵工程的长期稳定性。

技术实现思路

1、发明目的：提供一种堤防溃口封堵的堵口物料及制备方法，以期解决现有技术存在的上述问题。

2、技术方案：一种应用于堤防溃口封堵的大体积异型堵口物料，包括固态成型主体以及内置于所述固态成型主体中的钢筋骨架：

3、所述固态成型主体的外部几何构型为三腔室交叉组合结构，该三腔室交叉组合结构沿竖直方向自上而下依次包括一体成型的第一腔室、第二腔室和第三腔室；

4、所述第一腔室和所述第三腔室均沿第一水平方向延伸，所述第二腔室夹设于所述第一腔室与所述第三腔室之间，且所述第二腔室沿垂直于所述第一水平方向的第二水平方向延伸；

5、所述第一腔室、第二腔室和第三腔室在中心相交区域竖向贯通，形成俯视呈十字交叉形的空间布局；

6、在沿竖直向下的方向上，所述第一腔室、所述第二腔室和所述第三腔室的腔室几何体积依次递增；

7、所述钢筋骨架固定嵌设于所述固态成型主体内部，并沿竖直方向连续贯穿所述第三腔室、所述第二腔室延伸至所述第一腔室内。

8、根据本技术的一个方面，

9、所述第一腔室和所述第三腔室沿所述第一水平方向的长度均大于各自沿所述第二水平方向的宽度，形成上下平行的两层纵向延伸段；

10、所述第二腔室沿所述第二水平方向的长度大于其沿所述第一水平方向的宽度，形成横向延伸段；

11、所述两层纵向延伸段与夹设于其间的所述横向延伸段在空间上正交偏置，使得在所述第二腔室横向延伸段的两侧，由所述第一腔室的底面与所述第三腔室的顶面之间界定出内凹的物理嵌合空间；

12、所述嵌合空间的竖向高度和水平深度与所述横向延伸段的外轮廓尺寸相适配，以使当两个相同的所述大体积异型堵口物料沿竖直方向叠放且相对旋转90度布置时，上层物料的横向延伸段能够插入并抵接于下层物料的嵌合空间内，形成三维几何互锁结构。

13、根据本技术的一个方面，所述固态成型主体在竖直方向上呈底部扩宽、顶部收缩的阶梯状非对称分布，所述第三腔室的水平底面积大于所述第二腔室的水平截面积，且所述第二腔室的水平截面积大于所述第一腔室的水平顶面积；

14、所述固态成型主体整体的质量分布满足低重心几何约束条件：所述固态成型主体的无量纲相对重心高度为0.3，所述无量纲相对重心高度定义为所述固态成型主体的整体几何重心位置距所述第三腔室底面的竖向直线距离与所述固态成型主体总高度的比值。

15、根据本技术的一个方面，所述第一腔室、所述第二腔室和所述第三腔室各自的侧迎水面均构成为连续平滑的流线型三维曲面；

16、所述流线型三维曲面在平行于水流方向的竖直纵剖面上的几何投影轮廓线，符合如下曲线方程：

17、；

18、其中，参量 x 为沿指向腔室体内侧方向的水平轴向坐标，参量 l 为该投影轮廓线沿水平轴向的过渡总长度，参量r为所述投影轮廓线末端的最大截面半高度；

19、所述流线型三维曲面是由所述几何投影轮廓线，沿各对应腔室的宽度方向等截面横向挤出延伸而形成的均一曲面轮廓。

20、根据本技术的一个方面，所述钢筋骨架包括至少一对主受力对折钢筋和多根分布夹筋；

21、所述分布夹筋分别沿各自所在的第一腔室、第二腔室和第三腔室的延伸方向横向布设；

22、所述对折钢筋为一体成型的连续长直杆件经弯折形成，其底端在所述第三腔室内弯曲形成水平锚固钩端；

23、所述对折钢筋的主体段自所述第三腔室底部起，沿竖直方向连续向上依次穿过所述第二腔室的中心交叠区和第一腔室，并与各腔室内的所述分布夹筋物理绑扎相连，形成整体的三维网架约束；

24、所述对折钢筋的顶端在所述第一腔室的顶面向上穿出并弯曲合拢，在所述固态成型主体的外部界定形成一闭合或半闭合的几何环状结构，构成用于外部挂接的吊环。

25、根据本技术的一个方面，所述第三腔室的底部边界处还预埋嵌设有限位垫块；

26、所述限位垫块为具有六个平直端面的独立多面体块，其内部沿竖直方向开设有一端开口的圆柱体预留孔洞；

27、所述对折钢筋的底端端部同轴插设于所述圆柱体预留孔洞的内部空间中，使得所述钢筋骨架与所述限位垫块形成基于实体孔轴配合的空间定位装配关系；

28、所述限位垫块的底面与所述固态成型主体的底面平齐暴露，且所述限位垫块的高度方向尺寸限定了所述对折钢筋的最低端与所述固态成型主体底面之间的最小物理间距，以在所述钢筋骨架外部形成规定厚度的外表面包裹层。

29、一种应用于堤防溃口封堵的大体积异型堵口物料的制备方法，包括以下依序执行的工序步骤：

30、步骤a，提供与所述大体积异型堵口物料外轮廓相适配的拼装式模具，所述模具包括底板以及可拆卸的左右两个纵向外侧模；在所述底板的预定支撑区域放置具有圆柱体预留孔洞的限位垫块；

31、步骤b，提供预先通过绑扎对折钢筋与各腔室夹筋形成的所述钢筋骨架；将所述钢筋骨架竖立置于所述底板上方，并将其底部的钢筋端部同轴插设于所述限位垫块的圆柱体预留孔洞中，使所述钢筋骨架在所述底板上形成垂直定位支撑；

32、步骤c，将两个所述纵向外侧模扣合于所述底板上方，使所述纵向外侧模的下外沿与所述底板的边缘对齐，并通过穿设于预设孔位内的螺栓将所述纵向外侧模与所述底板进行刚性机械连接，合围形成内部具有所述三腔室交叉组合结构几何特征的成型空腔；

33、步骤d，配制强度等级不低于c30的胶凝原材料拌合物；将搅拌均匀的所述胶凝原材料拌合物一次性连续浇筑于所述成型空腔中，直至所述拌合物淹没所述钢筋骨架的主体部分，仅使所述对折钢筋顶端的吊环外露于浇筑顶面之上；

34、步骤e，对浇筑完成后的模具进行覆膜洒水养护；待内部成型主体达到预设脱模龄期后，拆卸所述螺栓，移除所述纵向外侧模进行脱模，获得最终的固态成型大体积异型堵口物料。

35、根据本技术的一个方面，在所述步骤a中，所述底板整体呈用于成型所述第三腔室底面的连续组合平面结构；

36、所述组合平面结构的中部区域构成为一矩形平面，在所述矩形平面的相对两侧对称拼接有梯形平面；

37、所述底板的上表面标定有两个呈对称分布的四边形定界区域，用于在所述步骤a中引导两个所述限位垫块的精准落位放置；

38、所述底板的外围轮廓边缘处向外水平延伸形成一圈连续的底法兰边，所述底法兰边上沿其延伸方向间隔开设有多个第一紧固通孔。

39、根据本技术的一个方面，

40、在所述步骤b中，将所述对折钢筋的底端端部沿着竖直向下的轴线方向，强制插入至所述限位垫块内部的所述圆柱体预留孔洞中，直至所述钢筋端部抵接于该孔洞内部的底面，实现硬性轴向限位；

41、利用所述限位垫块自身的实体高度，将插接于其中的所述钢筋骨架的最低物理受力边界垫高，强制使所述钢筋骨架的最下端与所述底板的上表面之间保持一预设的垂直空间间隙；

42、在所述步骤d连续浇筑所述胶凝原材料拌合物时，使流动的拌合物完全充填于所述垂直空间间隙内，以在所述钢筋骨架的外部包裹形成与所述垂直空间间隙高度相等的底部实体保护层。

43、根据本技术的一个方面，在所述步骤c中，两个所述纵向外侧模的底端边缘均向外翻折，形成具有规定厚度和宽度的侧下法兰边，所述侧下法兰边上开设有与所述底板上第一紧固通孔排布一致的第二紧固通孔；

44、将两个所述纵向外侧模从左右两侧相互靠拢，使其下方的所述侧下法兰边分别贴合覆盖于所述底板的所述底法兰边上，形成法兰面接触的机械密封界面；

45、调节纵向外侧模的空间位置，使所述第二紧固通孔与所述第一紧固通孔同轴对齐，在对齐的通孔内穿入所述螺栓并施加紧固力，通过刚性锁紧约束克服所述胶凝原材料拌合物在所述步骤d浇筑时产生的向上的流体上浮力。

46、有益效果：通过空间正交嵌合实现三维几何互锁，降低堆叠孔隙率；利用特异曲面消除冲击峰值；并通过非对称体积分布降低结构重心，提升了极端高流速工况下的抗翻滚稳定性。