一种土石坝溃口耦合封堵结构和方法

1.本发明涉及水利工程建设技术领域，特别是涉及一种土石坝溃口耦合封堵结构和方法。


背景技术：

2.洪涝灾害每年均会带来不同程度的损失，其中一个重要的体现是堤坝因各种因素出现土石坝溃口，对土石坝溃口后方的农田、工业设施和人员等带来严重破坏和危险，在堤坝出现土石坝溃口时，最重要的也是最常采取的措施是快速封堵土石坝溃口；我国中东部地区幅员辽阔、人口密集、水系发达，大量地区长期受到水患威胁，一旦发生洪涝灾害，极易造成严重的人员生命和财产损失。能否在坝体和提防出现土石坝溃口时，采取合适的应急措施，实现土石坝溃口的快速封堵，是保护人民生命安全、挽回经济损失的关键所在。
3.通常，在出现土石坝溃口时的一般应急封堵方法是将沙袋、石块或其它封填物抛投到土石坝溃口处来进行封堵，但由于土石坝溃口处流量大、流速快，容易冲走沙袋、石块等封填物，往往导致土石坝溃口封堵工作的见效慢、效率低、效果差，给封堵工作带来很大的不利影响。某些情况下，甚至需要将大型车辆推入土石坝溃口处或将船只凿沉进行封堵，封堵成本高、封堵效果难以预计。
4.对于高流速、大纵深的土石坝溃口而言，受限于现场施工条件，采用的封堵抛投物的体积和重量相对较小，这类抛投物在负载的高速湍流作用极易被打散冲走，难以形成有效封堵；增大封堵抛投物的体积和重量虽然可以提高封堵效果，但是需要借助大型工程机械才能够施工，施工条件要求较高因此，对于高流速、大纵深的土石坝溃口进行有效堵漏，必须采用先植桩固定防止抛投物流失，再使用模块化抛投物降低流速，最后应用集成坝体结构进行封堵的多方法耦合封堵方案。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种土石坝溃口耦合封堵结构和方法，以解决上述现有技术存在的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种土石坝溃口耦合封堵结构，包括
7.桩基结构；所述桩基结构设置在土石坝溃口的前端，所述桩基结构包括若干设置在所述土石坝溃口前水底的植桩平台，所述植桩平台上设置有若干固定桩；
8.沉层结构；所述沉层结构设置在所述桩基结构的前方，用于降低水流对所述土石坝溃口的冲刷力；所述沉层结构包括若干依次固接的沉箱，所述沉箱设置在所述植桩平台前；
9.透水棱体结构；所述透水棱体结构设置在所述土石坝溃口内，用于封堵所述土石坝溃口；所述透水棱体结构包括若干插入水底的棱柱，相邻的所述棱柱之间设有多孔夹层板
10.封堵结构；所述封堵结构设置在所述透水棱体结构的两侧，用于封堵所述土石坝溃口和支撑所述透水棱体结构。
11.优选的，相邻的所述植桩平台通过连接索固接；所述植桩平台为内嵌八面体结构，所述植桩平台相对面的中心开设有方形的定位孔，所述植桩平台的侧边开设有若干桩孔；所述固定桩插接在所述桩孔内。
12.优选的，所述固定桩的一端贯穿所述植桩平台后插入水底，所述固定桩的另一端伸出水面，所述固定桩包含若干种插入角度。
13.优选的，所述沉箱包括开设有若干通孔的箱体，所述箱体的底端设置有方便移动的导轨轮；所述箱体内填充有土工包。
14.优选的，所述箱体包括若干边梁，若干所述边梁的底端固接有锥台箱底，若干所述边梁的顶端可拆卸连接有顶板；所述导轨轮固接在所述锥台箱底的两侧；相邻的所述边梁之间设置有侧板；所述边梁的顶端固接有吊耳；所述顶板和所述侧板上贯穿开设有若干所述通孔。
15.优选的，所述棱柱的底端固接有棱体尖桩，所述棱体尖桩的侧壁固接有用于增加抗拔力的倒刺；所述棱柱的侧壁开设有两个v字型布置滑槽，所述多孔夹层板滑动连接在所述滑槽内；所述棱柱的顶端固接有固定扣环。
16.优选的，相邻的三个所述棱柱之间通过定距板设置成v字型结构，三个所述棱柱分别构成所述v字型结构的顶点，所述多孔夹层板构成所述v字型结构的两个侧边。
17.优选的，所述多孔夹层板包括平行设置的两层面板，所述面板上阵列开设有若干透水孔；两层所述面板之间填充有多孔材料。
18.优选的，所述封堵结构包括分别设置在所述透水棱体结构两侧的第一封层和第二封层；所述第一封层抵接在所述透水棱体结构远离水源的一侧，所述第二封层抵接在所述透水棱体结构靠近水源的一侧。
19.一种土石坝溃口耦合封堵方法，括以下步骤：
20.构筑植桩平台；将若干植桩平台连锁后投入土石坝溃口前的水底；
21.植入固定桩；在植桩平台上安装若干根各个角度的固定桩，增加植桩平台的稳定性；
22.抛投沉层结构；在沉箱内填充土工包，然后将若干沉箱连接投入植桩平台前方的水里；
23.安装透水棱体结构；在土石坝溃口内分段组合安装透水棱体结构；
24.设置封堵结构，先在透水棱体结构的后方设置第一封层，再在透水棱体结构。
25.本发明公开了以下技术效果：本发明公开一种土石坝溃口耦合封堵结构和方法，在土石坝溃口前设置由植桩平台和若干固定桩构成的桩基结构，为后续的结构安装提供稳固基础，防止用于封堵土石坝溃口的其他结构被水流冲走；在桩基结构前设置若干沉箱连接成的沉层结构，对土石坝溃口处的流体进行减速，便于后续的封堵；沉层结构在水流的冲击下即使向土石坝溃口移动也会被桩基结构支撑住，防止沉层结构被冲走；透水棱体结构设置在土石坝溃口内，实现对土石坝溃口的完全封堵；桩基结构和沉层结构减缓水流速度，为透水棱体结构的顺利安装提供了基础；封堵结构设置在透水棱体结构的两侧并与透水棱体结构贴合，一为支撑透水棱体结构，防止透水棱体结构被冲垮，二为进一步封堵土石坝溃
口，加固坝体。本发明的结构简单、模块化程度高，便于安装布置，各个机构耦合配合，降低土石坝溃口的水流速度最终封堵土石坝溃口，防止洪水灾害土石坝溃口后方的农田、工业设施和人员等带来严重破坏和危险，保护土石坝溃口后的人民生命财产安全。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明土石坝溃口耦合封堵结构的俯视图；
28.图2为本发明桩基结构三维图；
29.图3为本发明植桩平台的三维图；
30.图4为本发明沉层结构三维图；
31.图5为本发明沉箱三维图；
32.图6为本发明边梁结构示意图；
33.图7为本发明透水棱体结构三维图；
34.图8为本发明透水棱体结构示意图；
35.图9为图7中b的局部放大图；
36.图10为图7中c的局部放大图；
37.图11为图8中d的局部放大图；
38.其中，1、桩基结构；2、沉层结构；3、透水棱体结构；4、封堵结构；5、土石坝溃口；11、植桩平台；12、定位孔；13、桩孔；14、固定桩；15、连接索；21、边梁；22、锥台箱底；23、顶板；24、侧板；25、吊耳；26、通孔；27、土工包；28、榫槽；29、榫头；30、导轨轮；31、棱柱；32、多孔夹层板；33、棱体尖桩；34、倒刺；35、滑槽；36、固定扣环；37、定距板；321、面板；322、多孔材料；41、第一封层；42、第二封层。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本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一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
40.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
41.本发明以坝体类型为土石坝，土石坝溃口流速6-8m/s，土石坝溃口水深10m，土石坝溃口宽度20m为例展开详细描述，面向高流速、大水深土石坝溃口堵漏的难题，着重解决苛刻条件下土石坝溃口封堵的技术难题。
42.参照图1-11，本发明提供一种土石坝溃口耦合封堵结构，包括
43.桩基结构1；桩基结构1设置在土石坝溃口5的前端，桩基结构1包括若干设置在土石坝溃口5前水底的植桩平台11，植桩平台11上设置有若干固定桩14；
44.沉层结构2；沉层结构2设置在桩基结构1的前方，用于降低水流对土石坝溃口5的冲刷力；沉层结构2包括若干依次固接的沉箱，沉箱设置在植桩平台11前；
45.透水棱体结构3；透水棱体结构3设置在土石坝溃口5内，用于封堵土石坝溃口5；透水棱体结构3包括若干插入水底的棱柱31，相邻的棱柱31之间设有多孔夹层板32
46.封堵结构4；封堵结构4设置在透水棱体结构3的两侧，用于封堵土石坝溃口5和支撑透水棱体结构3。
47.在土石坝溃口5前设置由植桩平台11和若干固定桩14构成的桩基结构1，为后续的结构安装提供稳固基础，防止用于封堵土石坝溃口5的其他结构被水流冲走；在桩基结构1前设置若干沉箱连接成的沉层结构2，对土石坝溃口5处的水流进行减速，便于后续的封堵；沉层结构2在水流的冲击下即使向土石坝溃口5移动也会被桩基结构1支撑住，防止沉层结构2被冲走；透水棱体结构3设置在土石坝溃口5内，实现对土石坝溃口5的完全封堵；桩基结构1和沉层结构2减缓水流速度，为透水棱体结构3的顺利安装提供了基础；封堵结构4设置在透水棱体结构3的两侧并与透水棱体结构3贴合，一为支撑透水棱体结构3，防止透水棱体结构3被冲垮，二为进一步封堵土石坝溃口5，加固坝体。
48.进一步优化方案，相邻的植桩平台11通过连接索15固接；植桩平台11为内嵌八面体结构，植桩平台11相对面的中心开设有方形的定位孔12，植桩平台11的侧边开设有若干桩孔13；固定桩14插接在桩孔13内；固定桩14的一端贯穿植桩平台11后插入水底，固定桩14的另一端伸出水面；固定桩14包含若干种插入角度。植桩平台11使用内嵌八面体，八面体相对的面中心开设有定位孔12，用于对植桩平台11进行定位；植桩平台11的侧边开设有若干的通孔26，由于侧边为斜向边，故通孔26也为斜向孔，固定桩14从固定孔穿入植桩平台11内，最终插入水底的泥沙中，将固定桩14和植桩平台11固定在河底，防止被洪水冲走；相邻的植桩平台11通过连接索15进行连接，同时通过连接索15进行锚固；将植桩平台11连成整体，增加桩基结构1的抗冲击能力和结构稳定性，为后续的沉层结构2安装提供稳固的基础。固定桩14的数量和角度随意设置，随着固定桩14的数量增加，桩基结构1的稳定性越高，阻挡能力大幅度提升。桩基结构1对于沉层结构2和透水棱体结构3的顺利搭建有重要影响，其框架结构、板件孔位排列方式、锚钩结构等的设计方案对植桩定位平台组合的透水性和锚固能力有决定性作用。
49.进一步的，为了便于安装和提高稳定性，连接索15选用钢制锚链，每个植桩平台11最少设置两个连接索15，一根用于连接相邻的植桩平台11，另一根的末端固接船锚，确保植桩平台11能顺利沉入水底，并为植桩平台11提供足够的抗冲击力。
50.进一步的，为了便于安装，相邻的植桩平台11之间的距离优选为4m-6m，距离过小结构难以实现，距离过大又导致其对沉层结构2的支撑力下降；4m-6m既能顺利的安装，又能使其具有优良的支撑性。
51.进一步的，固定桩14优选直径为50mm-150mm粗细的钢管，钢管的空心结构既减轻了固定桩14的重量，便于运输和打桩，同时又方便固定桩14沉入水底。
52.进一步优化方案，沉箱包括开设有若干通孔26的箱体，箱体的底端设置有方便移动的导轨轮30；箱体内填充有土工包27。土工包27内填充石块和泥沙，放入箱体内增加箱体的重量，提高箱体的抗冲击能力，箱体上的通孔26方便于箱体沉入水底，防止箱体浮起；相邻的箱体用铁索连接，用开底船将箱体依次投入土石坝溃口5处的桩基结构1前，进一步提
高对洪水的阻挡能力，降低对土石坝溃口5的冲击力。
53.进一步优化方案，箱体包括若干边梁21，若干边梁21的底端固接有锥台箱底22，若干边梁21的顶端可拆卸连接有顶板23；导轨轮30固接在锥台箱底22的两侧；相邻的边梁21之间设置有侧板24；边梁21的顶端固接有吊耳25；顶板23和侧板24上贯穿开设有若干通孔26。边梁21具有较高的刚度，其主要作用是构成箱体骨架，支撑箱体的整体强度；箱体的底端通过螺栓固接锥台箱底22，锥台箱底22的结构为四棱锥台，小径端远离箱体，锥台箱底22打孔透水，连通箱体内外，作用是保证箱体入水姿态不会偏斜，同时四棱锥状的锥台箱底22更方便插入水底的泥沙中，增加箱体的抗冲击能力；相邻的边梁21之间设置有侧板24，边梁21的顶端设置有顶板23，通孔26开设在顶板23和侧板24上，在箱体沉入水底时，沟通箱体内外压力，使箱体顺利下沉；边梁21的顶端固接有吊耳25，除了起到安装时吊运的作用外，也可以直接用于箱体的吊装投放入水；导轨轮30安装于锥台箱底22的两侧，用于箱体的轨道投放施工。
54.进一步的，箱体上还设置有连接板，用于将数个箱体相互连接形成抗冲击力更强的组合封堵结构4。
55.进一步的，顶板23和侧板24优选多孔点阵板，具有轻质高强抗弯的特点，其上的结构孔作为通孔26，减少了开孔的工序，生产更加快速，提高救灾效率。
56.进一步的，边梁21上纵向开设有榫槽28，侧板24与边梁21连接的侧边固接有榫头29，榫槽28与榫头29对应设置，安装时通过榫卯连接，组装速度快，可靠性好。
57.进一步优化方案，棱柱31的底端固接有棱体尖桩33，棱体尖桩33的侧壁固接有用于增加抗拔力的倒刺34；棱柱31的侧壁开设有两个v字型布置滑槽35，多孔夹层板32滑动连接在滑槽35内；棱柱31的顶端固接有固定扣环36。棱体尖桩33便于棱柱31在土石坝溃口5区域下桩；同时在棱体尖桩33面上设计了倒刺34，提高桩基的抗冲击能力；固定扣环36便于棱柱31的吊装和下桩。
58.进一步的，棱体尖桩33为两个分开的尖锥，当下桩时，受力靠拢，产生向外的弹力将倒刺34插入泥沙中，提高了抗拔力。
59.进一步优化方案，相邻的三个棱柱31之间通过定距板37设置成v字型结构，三个棱柱31分别构成v字型结构的顶点，多孔夹层板32构成v字型结构的两个侧边。定距板37为等腰三角形，其两腰分别设置在多孔夹层板32的底端，承托多孔夹层板32；三个顶角位置连接三根棱柱31，形成稳固的三点定位，减小下桩时水流冲击造成的棱柱31位置偏移，保证多孔夹层板32能够顺利插入棱柱31内；同时v字型结构在水流的冲击下，使水流形成回流对来流起阻碍作用，减缓水流对透水棱体结构3的冲击；此外，v字型结构的形状增强了透水棱体结构3的抗弯刚度，提高了封堵装备抵御水流冲击的能力。
60.进一步优化方案，多孔夹层板32包括平行设置的两层面板321，面板321上阵列开设有若干透水孔；两层面板321之间填充有多孔材料322。该结构具有较高的比刚度和比强度，能有效的抵御水流冲击；同时，允许部分水流穿过多孔夹层板32，减小透水棱体结构3下桩期间，土石坝溃口5水流对透水棱体结构3的冲击作用，便于透水棱体结构3形成稳固基础。
61.进一步优化方案，封堵结构4包括分别设置在透水棱体结构3两侧的第一封层41和第二封层42；第一封层41抵接在透水棱体结构3远离水源的一侧，第二封层42抵接在透水棱
体结构3靠近水源的一侧。在透水棱体结构3的阻碍作用下，水流的流速进一步降低，在透水棱体结构3的外侧设置第一封层41，一方面起到密封作用，形成封堵；另一方面，考虑到土石坝地基和土石坝溃口5边缘的牢固程度较低，用第一封层41对透水棱体结构3进行加固，同时对土石坝溃口5边缘进行加固。第一封层41的主要加固透水棱体结构3和土石坝溃口5边缘，其密封作用要求较低，考虑到透水棱体结构3内侧，水流仍然具有一定速度，同时，由于透水棱体结构3的阻碍，导致水流在透水棱体结构3内侧形成扰流，使得在松软的坝体基础上形成管涌，导致进一步的土石坝溃口5扩大。因此，在透水棱体结构3的内侧铺放第二封层42，使其阻碍水流流动对透水棱体结构3形成密封，实现彻底封堵；此外加固内侧坝体基础，防止形成管涌，进一步封堵土石坝溃口5，防止土石坝溃口5继续向外排水，也防止土石坝溃口5进一步扩大，为抗洪救灾工作提供良好的基础。
62.施工步骤：
63.构筑植桩平台11；采用陆地抛投、直升机空投或开底船抛投的方式将若干带有连接索15的植桩平台11投入土石坝溃口5前的水底；植桩平台11沿着堤坝依次抛投，从土石坝溃口5的一侧抛投至另外一侧，且植桩平台11及桩基结构1的长度至少是土石坝溃口5尺寸的两倍；在抛投的过程中，将相邻的两个植桩平台11采用连接索15连接，使其能够成为一个整体。
64.植入固定桩14；在植桩平台11上安装若干根各个角度的固定桩14，增加植桩平台11的稳定性；以方便施工为原则，将直径为50mm-150mm粗细的钢管作为固定桩14，采用空气锤打桩技术，将固定桩14打入土石坝内；基于植桩平台11的内嵌八面体结构，固定桩14可以实现多角度插入土石坝内；采用空气锤打桩技术实现了打桩装备的无源化和小型化。
65.抛投沉层结构2；在沉箱内填充土工包27，然后将若干沉箱连接投入植桩平台11前方的水里；固定桩14植入结束后，土石坝溃口5已经初步具备了阻碍抛投沉层结构2的能力；将连接后长度超过6m的若干箱体内填满装有砂石的土工包27，然后盖死顶板23；将连接后的若干箱体采用开底船投放的方式，以锥台箱底22朝下的方向依次抛投至土石坝溃口5，抛投点在桩基结构1的前方。
66.安装透水棱体结构3；在固定桩14后的土石坝溃口5段分段组合安装透水棱体结构3；由于沉层结构2的封堵作用，土石坝溃口5处的流速大幅度降低，但是土石坝溃口5未能完全封堵。根据土石坝溃口5尺寸，以现场施工条件为约束，拼装有限数量安装透水棱体，并采用空气锤打桩技术或者人工打桩技术，将棱柱31钉入坝体；然后在棱柱31之间安装多孔夹层板32。
67.设置封堵结构4，先在透水棱体结构3的后方设置第一封层41，再在透水棱体结构3的前方设置第二封层42；在透水棱体结构3安装完成后，先在透水棱体结构3的外侧面铺设沙包构成第一封层41，一方面起到密封作用，形成封堵；另一方面，考虑到土石坝地基和土石坝溃口5边缘的牢固程度较低，用沙包对透水棱体结构3进行加固支撑，同时对土石坝溃口5边缘进行加固。完成第一封层41施工后，再在透水棱体结构3的内侧铺设沙包构成第二封层42，使其阻碍水流流动对透水棱体结构3形成密封，实现彻底封堵，还能加固内侧坝体基础，防止形成管涌。
68.本发明的结构简单、模块化程度高，便于安装布置，各个机构耦合配合，降低土石坝溃口5的水流速度最终封堵土石坝溃口5，防止洪水灾害土石坝溃口5后方的农田、工业设
施和人员等带来严重破坏和危险，保护土石坝溃口5后的人民生命财产安全。
69.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
70.以上的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。