[发明专利]一种自溃堤坝分洪道的设计方法

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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H_d、临界堤坝顶下切冲刷破坏堰上水深H_u、临界不冲刷破坏堰上水深H_n，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d_i，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H_d，如果堤坝顶较宽是明渠流采用式（1）、式（2）联立求解H_d，如果堤坝顶是堰流采用式（2）、式（3）联立求解H_d，所述临界堤坝顶下切冲刷破坏堰上水深H_u，采用（4）、（5）联立求解H_u，所述临界不冲刷破坏堰上水深H_n，采用（6）、（7）联立求解H_n，级差d_i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：h_i、v_i、h_i+1、v_i+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h_i+1采用临界水深h_k；△l、i_l—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；V_d—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）； V_u—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）；V_n—代表堤坝粘土防渗墙或沙石坝体不冲流速（m/s）； d_i—第i级级差，m；H_d—临界堤坝溯源冲刷破坏堰上水深，m；A_i—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；H_e—代表引冲子堤坝高，m；H_u—代表临界堤坝顶下切冲刷破坏堰上水深，m；A_s—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；h_t—下游水深，m；h_g—代表带缺口路缘石的缺口深度，m；H_g—代表临界堤坝脚溯源冲刷破坏缺口堰上水深，m；A_g—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H_d；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力破坏，顶部非饱和固结粘土凝聚力、内摩擦角大，抗拉应力大，发生应力破坏慢，底部非饱和固结粘土凝聚力、内摩擦角小，抗拉应力小，发生应力破坏快，溃口水深增加，溃口粘土斜墙快速下切冲刷破坏，就形成漫水堤坝溃决阶段，在临界堤坝溯源冲刷破坏堰上水深条件下，漫水堤坝溃口起始阶段演进是一个缓慢过程，漫水堤坝越低越缓慢；在堤坝堰上水深在临界堤坝顶下切冲刷破坏堰上水深H_u条件下，堤坝顶下游路面首先发生破坏并上延，漫水堤坝粘土斜墙失去防冲保护发生下切冲刷破坏，形成漫水堤坝溃口起始阶段，同时下游坡发生溯源冲刷破坏，就快速演进为漫水堤坝溃决阶段；当堤坝堰上水深达到临界不冲刷破坏堰上水深H_n，堤坝溃口侧切缓慢，形成漫水堤坝溃口稳定阶段；较窄引冲槽式自溃堤坝是三面固接的超静定结构，顶部非饱和固结粘土的凝聚力、内摩擦角较大，发生折断、倾覆的应力破坏慢，底部饱和固结粘土的凝聚力、内摩擦角较小，发生折断、倾覆的应力破坏快；悬臂结构的自溃堤坝采用顶端局部断面模型试验获取A_i、A_s；

所述自溃堤坝（1），它包括自溃土工板防渗墙自溃堤坝类（1-a）、自溃土工膜布防渗幕自溃堤坝类（1-b）、自溃土工板膜布防渗幕体子堤坝引冲自溃堤坝类（1-c）、漫流淘基引冲自溃堤坝类（1-d）、分区粘土防渗体自溃堤坝类（1-e）、髙堰过水慢自溃堤防类（1-f）、自溃土工板膜布防渗幕体引冲口自溃堤坝类（1-g）、漫流与汇流引冲自溃堤坝类（1-h），所述自溃土工板防渗墙自溃堤坝类（1-a），以自溃土工板下游斜墙自溃堤坝为例，它依次包括自溃土工板下游斜墙（1-1-a）、叠层子非粘性易冲沙石土堤坝体（1-2-a）、母砂石堤坝体（1-3-a）、母非粘性易冲沙石土堤坝体区（1-3-A）、分缝硬化路面（1-4-a）；所述自溃土工膜布防渗幕自溃堤坝类（1-b），以自溃土工膜布防渗斜幕子母自溃堤坝为例，它依次包括子自溃土工膜布防渗下游斜幕（1-1-b）、子非粘性易冲沙石土堤坝体（1-2-b）、母自溃土工膜布防渗斜幕（1-3-b）、母砂石堤坝体（1-4-b）、母非粘性易冲沙石土堤坝体区（1-4-B）、逆鳞土工膜布水平铺盖（1-5-b）、分缝硬化路面（1-6-b）；所述自溃土工板膜布防渗幕体子堤坝引冲自溃堤坝类（1-c），以自溃土工板膜布防渗幕体上游子堤坝引冲自溃堤坝为例，它依次包括子自溃土工板膜布防渗幕体（1-1-c）、子非粘性易冲沙石土堤坝体（1-2-c）、母粘土斜墙（1-3-c）、母砂石堤坝体（1-4-c）、母非粘性易冲沙石土堤坝体（1-4-C）、土工膜布接触防渗幕（1-5-c）、分缝硬化路面（1-6-c）；所述漫流淘基引冲自溃堤坝类（1-d），它依次包括子粘土心墙（1-1-d）、子非粘性易冲沙石土堤坝体（1-2-d）、母粘土斜墙（1-3-d）、母砂石堤坝体（1-4-d）、母非粘性易冲沙石土堤坝体区（1-4-D）、逆鳞土工膜布水平铺盖（1-5-d）、非粘性易冲沙石土保护层（1-6-d）、分缝硬化路面（1-7-d）；所述分区粘土防渗体自溃堤坝类（1-e），以分区粘土斜墙自溃堤坝为例，它依次包括子粘土斜墙（1-1-e）、子非粘性易冲沙石土堤坝体（1-2-e）、母粘土斜墙（1-3-e）、母沙石堤坝体（1-4-e）、母非粘性易冲沙石土堤坝体区（1-4-E）、分缝硬化路面（1-5-e）、塑料薄膜（1-6-e）、无纺布（1-7-e）；所述髙堰过水慢自溃堤防类（1-f），以土工合成材料髙堰过水粘土均质慢自溃堤防为例，它依次包括子粘土均质堤坝（1-1-f）、母粘土均质堤坝（1-2-f）、土工合成材料护面梯形土质堰体（2-2）、土工合成材料护面护坦（2-3）、浮体绳网拦污网（4），子粘土均质堤坝（1-1-f）高按分洪要求设计，与堤防防渗体相同的髙堰过水慢自溃堤防布置在面向滩田直接分洪的最大堤高处；所述自溃土工板膜布防渗幕体引冲口自溃堤坝类（1-g），以自溃土工板膜布防渗幕体引冲口粘土斜墙自溃堤坝为例，它依次包括引冲口自溃土工板膜布防渗幕体（1-1-g）、引冲口子非粘性易冲沙石土堤坝体（1-2-g）、粘土斜墙（1-3-g）、母沙石土堤坝区（1-4-g）、母非粘性易冲沙石土堤坝体区（1-4-G）、土工膜布接触防渗幕（1-5-g）、分缝硬化路面（1-6-g）；所述漫流与汇流引冲自溃堤坝类（1-h），以防浪墙漫流路缘石汇流引冲自溃堤坝为例，它依次包括防浪墙（1-1-h）、引冲口子非粘性易冲沙石土堤坝体（1-2-h）、粘土防渗墙（1-3-h）、引冲口母沙石堤坝体（1-4-h）、母非粘性易冲沙石土堤坝体区（1-4-H）、带缺口路缘石（1-5-h）、喇叭形汇流引冲泄槽（1-6-h）、分缝硬化路面（1-7-h）、沙石土冲刷带（1-8-h）、缝（1-9-h），粘土防渗体以上防浪墙（1-1-h）高度大于引冲子堤坝高H_e，带缺口路缘石（1-4-h）缺口深度h_g按（12）式计；

所述分洪道（2）包括上游防渗防冲段（2-1）、溢流堰（2-2）、消能防冲段（2-3）、边墙堤（2-4）；所述分洪道（2）按材料分为钢筋混凝土分洪道、钢筋混凝土分洪闸道、土工板分洪道、土工织布分洪道、绳网无纺布分洪道、彩条布分洪道、塑料薄膜分洪道，所述钢筋混凝土分洪闸道是自溃堤坝代替部分闸门；分洪道（2）按自溃堤坝高程分为单级自溃堤坝分洪道、多级自溃堤坝分洪道，所述多级自溃堤坝分洪道是具有两个以上高程差为级差d_i的自溃堤坝的分洪道，以3孔2级错层隔堤自溃堤坝非常分洪道为例，它包括1级土工合成材料隔堤（Ⅲ-1）、土工合成材料护坡（2-3）依次分隔错层布置的1级自溃堤坝（Ⅰ-1）、2级自溃堤坝（Ⅰ-2）、堤坝岸（3）。