堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置、系统及方法
阅读说明：本技术 堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置、系统及方法 (Dam upstream hydraulic self-seeking through type piping plugging device, system and method ) 是由 程永光 严鹏 林云发 施俊徳 童政 江秋荣 苏辰晔 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明提供了堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置、系统及方法,能够自动探寻管涌进口,自动进入管涌通道,并对管涌口及通道进行有效封堵。装置包括：中心膨胀球,包括：吸水后体积迅速膨胀以封堵管涌通道的膨胀体,包覆在中心膨胀球外表面上、防止水进入的防水弹性膜,开设在防水弹性膜上的吸水口,和覆盖在吸水口处的水溶性覆膜；外层蒺藜球,围绕中心膨胀球设置,为可展性球体,包括：具有霍伯曼球结构的蒺藜球支架,和多个沿着外层蒺藜球的半径方向从中心膨胀球外表面向外延伸、并能够伸出蒺藜球支架从而刺入管涌壁进行定位的刺针构件；以及球形可伸缩滤网,罩设在外层蒺藜球表面,能够随着外层蒺藜球发生扩张变形,用于透水挡砂。(The invention provides a dam upstream hydraulic self-seeking through type piping plugging device, system and method, which can automatically seek a piping inlet, automatically enter a piping channel and effectively plug a piping port and the channel. The device comprises: a central inflation bulb comprising: the expansion body which rapidly expands after absorbing water to block a piping channel, a waterproof elastic membrane which is coated on the outer surface of the central expansion ball and prevents water from entering, a water absorption port arranged on the waterproof elastic membrane, and a water-soluble covering membrane which covers the water absorption port; outer tribulus ball sets up around central inflation ball, is malleable spheroid, includes: a puncture needle member extending outwardly from the outer surface of the central expansion ball in the radial direction of the outer layer puncture needle ball and capable of extending out of the puncture needle support to puncture the piping wall for positioning; and the spherical telescopic filter screen is covered on the surface of the outer layer caltrop ball, can expand and deform along with the outer layer caltrop ball and is used for water and sand permeation.)
技术领域
本发明属于堤坝防汛抢险加固技术领域，具体涉及堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置、系统及方法。
背景技术
管涌作为土石堤坝中常见的工程问题，需要得到及时有效的监测处理，否则将对水工建筑物造成巨大的安全隐患，危及人民群众的生命财产安全。管涌对土石堤坝产生的危害主要有以下两点：一是被带走的细小土体颗粒，如果堵塞下游反滤排水体，将使渗漏情况恶化；二是随着细颗粒被带走，堤坝体或地基土壤骨架破坏，孔道扩大，基土被淘空，产生较大沉陷，破坏堤坝的稳定，严重的甚至造成决堤、垮坝、倒闸等事故。
目前，通过对大量工程问题的研究和实际施工经验的积累，管涌问题在工程实际中已经有了一定的防治和应对措施，也有一些学者通过模型试验、数值模拟等技术方式对管涌的发生机理和防治办法进行了深入的研究探讨。当前工程中较为常见的防治措施主要有以下几种：
a.反滤围井法：该方法主要用于管涌集中出流的情况。根据所用材料的不同可以分为砂石反滤围井、梢料反滤围井和土工织物反滤围井。当前使用较为常见的就是砂石反滤围井，主要针对在土石堤坝背水位置产生的管涌现象。
b.反滤层压盖：此方法在料源比较充足的情况下可以优先考虑。具体做法是先清理铺盖内的杂物，然后对出水口进行填塞处理，铺盖上层盖压土袋或沙石，并做导渗处理。
c.蓄水反压：此方法用于在坑塘和低洼地段产生管涌、距离堤坝近的位置出现管涌、大规模管涌群、大规模泥土流失等情况。
d.透水压渗平台：此方法具体做法是先在管涌发生的范围内将软泥、杂物清除，对较严重的管涌出口用砖、砂石、块石等填塞；待水势消杀后，再用透水性大的砂土修筑透水压渗平台。
e.水下管涌的抢护方法：对于在潭坑、水沟、池塘和洼地等水下出现的管涌，可以采用填塘、水下反滤、抬高坑塘水位等方法进行处理。当坑塘面积小，取土条件好时可以采用填塘压盖处理。当坑塘面积较大时，应采用水下反滤或抽水注塘抬高水位方法处理。
在目前的研究中，对于管涌修复的方案大多数是对管涌出口进行封堵，管涌进口以及管涌通道内的封堵方法研究甚少。其原因在于：①仍未有精确有效的设备探测管涌发生口；②对于管涌进口、通道内的封堵装置无法满足动水压力条件下的强度、形状等要求。且现有防治措施虽各有优点，可适应一定的工况，但大多具有工序复杂、灵活性欠佳、前期布置时间长和经济性较差等问题。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置、系统及方法，能够自动探寻管涌进口，自动进入管涌通道，并对管涌口及通道进行有效自主封堵。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
<装置>
本发明提供一种堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置，其特征在于，包括：中心膨胀球，包括：吸水后体积迅速膨胀以封堵管涌通道的膨胀体，包覆在中心膨胀球外表面上、防止水进入的防水弹性膜，开设在防水弹性膜上的吸水口，和覆盖在吸水口处的水溶性覆膜；外层蒺藜球，围绕中心膨胀球设置，为可展性球体，包括：具有霍伯曼球结构的蒺藜球支架，和多个沿着外层蒺藜球的半径方向从中心膨胀球外表面向外延伸、并能够伸出蒺藜球支架从而刺入管涌壁进行定位的刺针构件；以及球形可伸缩滤网，罩设在外层蒺藜球表面，能够随着外层蒺藜球发生扩张变形，用于透水挡砂。
优选地，本发明所涉及的堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置，还可以具有这样的特征所有刺针构件围绕中心膨胀球的球面均匀设置。
优选地，本发明所涉及的堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置，还可以具有这样的特征：每个刺针构件都包括：圆形推板，刺针和节点圆环；刺针的内端通过圆形推板贴合中心膨胀球的表面设置，外端呈锥形尖刺状、能够穿过位于蒺藜球支架节点处的节点圆环而向外刺出。
优选地，本发明所涉及的堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置，还可以具有这样的特征：刺针构件设有至少六个。
优选地，本发明所涉及的堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置，还可以具有这样的特征：膨胀材料为SAC(速凝硫铝酸盐水泥)体系材料。
优选地，本发明所涉及的堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置，还可以具有这样的特征：球形可伸缩滤网为100～400目过滤网。
<系统>
进一步，本发明还提供一种堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵系统，其特征在于，包括：至少两个封堵球，该封堵球为上文<装置>中任意一项所描述的堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置；和将所有的封堵球依次相连形成首尾相连的环链状(圈)的连接链。封堵球依次串联成圈可以使得封堵球链在多方向所受水压相对均衡，并且球与球之间可相互牵引制约，寻找动力相对稳定，提高水力自寻的成功率，减小紊乱水流对单个球的干扰。
优选地，本发明所涉及的堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵系统，还可以具有这样的特征：至少两个封堵球膨胀前后的体积均不同。
优选地，本发明所涉及的堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置，还可以具有这样的特征：封堵球为三个，这样稳定性最好。
优选地，本发明所涉及的堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置，还可以具有这样的特征：三个封堵球中，两个体积相等(称为小球)，第三个体积最大(称为大球)，并且大球膨胀后的体积至少是小球的4倍。
优选地，本发明所涉及的堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置，还可以具有这样的特征：连接链将相邻堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置的蒺藜球支架固定相连。
<方法>
进一步，本发明还提供一种堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1.在管涌口漩涡附近抛投预制好的多个封堵球链进行多方向寻找，让最接近管涌口漩涡的那些封堵球链借助漩涡吸力自动寻找到管涌口，通过此使得至少一个封堵球链进入管涌通道；封堵球链为上文<系统>中任意一项所描述的堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵系统；步骤2.水溶解封堵吸水口的水溶性薄膜，在压差和膨胀体的吸水作用下不断进入中心膨胀球中与膨胀体发生反应，膨胀体吸水后在管涌通道内快速自动膨胀硬化成型从而封堵管道，同时带动蒺藜球支架膨胀扩张，刺针构件的尖部刺入管涌壁进行支撑固定，球形可伸缩滤网进行挡砂过水，辅助封堵。步骤3.当观察到坝后的管涌出口处浑水转变为清水，即可确定封堵完成。
优选地，本发明所涉及的堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵方法，还可以具有这样的特征：封堵球链通过以下方法进行预制：在非汛期依据以往洪水水文资料，包括以往发生的洪水流量、流速、淹没深度以及管涌口形成位置、大小，进行管涌封堵模拟实验，确定能够实现管涌口水力自寻快速封堵的封堵球链的参数：各个膨胀体的体积，外层蒺藜球与中心膨胀球的质量比。
优选地，本发明所涉及的堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵方法，还可以具有这样的特征：通过模拟实验确定的封堵球链的参数还包括：刺针构件的数量和长度，球形可伸缩滤网的质量，相邻封堵球间连接链的长度和质量。
发明的作用与效果
根据本发明所提供的堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置、系统及方法，利用漩涡吸力实现水力自寻，使封堵球自动找寻到管涌口并进入管涌通道内；同时，通过模仿河豚吸水膨胀的过程，水溶解封堵吸水口的水溶性薄膜，在压差和膨胀体的吸水作用下不断进入中心膨胀球中与膨胀体发生反应，膨胀体吸水触发后在管涌通道内快速膨胀硬化成型从而封堵管道，同时带动蒺藜球支架和球形可伸缩滤网向外同步扩张，并推送刺针构件尖部刺入管涌壁进行支撑并将封堵球固定在管涌通道中；球形可伸缩滤网进行挡砂过水，辅助封堵。另外，蒺藜球支架自身体积扩大，带动外层滤网的体积扩大，还能够进一步提高封堵面积；将蒺藜球支架作为骨架，也能够避免外层滤网被水压压扁，影响封堵效果；蒺藜球支架剖面近似圆形，可以适应水流特性，让水流带动蒺藜球支架进行水力自寻，并且也可以满足多种不同形状的管涌通道封堵，适应性好。通过此，达到止砂通水、封堵贯通型管涌的效果，既为救援人员争取更多抢险时间，又能减少管涌渗漏流速，切实有效地防止管涌通道扩张以避免造成溃堤、倒闸等更大规模的事故，降低对下游居民、建筑物的安全威胁。而且本发明结构简单，施工方便，灵活性强，可在现场快速装配使用，能够适应贯通型管涌快速应急修复的特征与需求。
附图说明
图1是本发明实施例涉及的堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置的结构示意图一(吸水前)；
图2是本发明实施例涉及的堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置的立体图；
图3是本发明实施例涉及的堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置的结构示意图二(吸水后)；
图4是本发明实施例涉及的堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵方法的投放、自寻及堵塞过程示意图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明所涉及的堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置、系统及方法作详细阐述。
<实施例>
如图1至4所示，堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵系统100(以下简称为封堵球链100)包含至少两个堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置10(以下简称为封堵球10)和连接链20。
如图1～3所示，封堵球10具体包括中心膨胀球11、外层蒺藜球12、球形可伸缩滤网13。
中心膨胀球11包括膨胀体11a、防水弹性膜11b、吸水口11c、水溶性覆膜11d。
膨胀体11a能够在吸水后体积迅速膨胀从而封堵住管涌通道。膨胀体11a采用SAC体系材料制成，主要以SAC为胶凝组分，以膨润土作为填料组分，以PAM为抗分散组分，辅以减水剂、速凝剂和膨胀剂。其中，膨润土填料的蒙脱石含量≥60％，pH值为7～9，膨胀倍数是30，粒度大小为1250目；速凝剂为HB速凝剂；减水剂为Point-400高效减水剂；抗分散剂为聚丙烯酰胺(PAM)，分子量800万；膨胀剂为聚丙烯酸钠高吸水树脂(SAP)，是白色粉末状颗粒。
防水弹性膜11b包覆在中心膨胀球11外表面上，能够防止水进入膨胀体11a。本实施例中，防水弹性膜11b为橡胶膜。当膨胀体11a吸水膨胀到一定程度，防水弹性膜11b会破裂，使膨胀体11a大面积露出，扩大膨胀体11a与水的接触面积，加速膨胀。
吸水口11c开设在防水弹性膜11b上，为孔状。
水溶性覆膜11d覆盖在吸水口11c处，本实施例中，水溶性覆膜11d为PVA可溶性覆膜，在水温为25℃，6cm×6cm的片状测试下，水溶性覆膜11d的拉伸强度>25MPa，开始溶解时间<25秒，完全溶解时间<20分钟，可以适应贯通型管涌发生时的水下特殊工作环境，且开始溶解时间短，可有效配合封堵材料反应时间需要。
外层蒺藜球12围绕中心膨胀球11设置，为可展性球体。外层蒺藜球12包括蒺藜球支架12a和多个刺针构件12b。
蒺藜球支架12a为霍伯曼球结构，是利用枢轴结构的特殊几何性质创造的可以自由伸缩的可展性球体，其具有良好的变形性能，在体积膨胀或缩小时均能保持自身球体形状不变，并具有一定超负荷能力(超静定结构)。本实施例中，蒺藜球支架12a采用聚乳酸材料，拉伸强度可达到40-60MPa，且密闭性强，低耗环保可降解，成本较低，通过工厂模具一次性注塑完成制造。
所有刺针构件12b围绕中心膨胀球11的球面均匀设置，本实施例中供设有六个刺针构件12b。每个刺针构件12b均沿着外层蒺藜球12的半径方向从中心膨胀球11外表面向外延伸，并能够伸出蒺藜球支架12a从而刺入管涌壁进行定位。每个刺针构件12b都包括圆形推板12b-1、刺针12b-2和节点圆环12b-3。圆形推板12b-1与中心膨胀球11直接接触，能够在中心膨胀球11膨胀后被向外抵推。刺针12b-2的内端通过圆形推板12b-1贴合中心膨胀球11的表面设置，外端呈锥形尖刺状、能够穿过位于蒺藜球支架12a节点处的节点圆环12b-3而向外刺出。节点圆环12b-3固定在蒺藜球支架12a节点处，与圆形推板12b-1相对应，环内径与刺针12b-2外径对应，能够让刺针12b-2自由伸出。如图3所示，当中心膨胀球11吸水膨胀时，圆形推板12b-1被中心膨胀球11向外抵推，带动刺针12b-2可带动固定刺针向外刺出，使刺针12b-2插入管涌壁进行定位和支撑。
球形可伸缩滤网13罩设在外层蒺藜球12表面，能够随着外层蒺藜球12发生扩张变形，用于透水挡砂，辅助封堵。本实施例中，采用的球形可伸缩滤网13为400目涤纶尼龙过滤网，孔径为0.0374mm，细密透明，强度高，伸长率较大，弹性优良，弹力耐磨性好。
如图4所示，连接链20将所有的封堵球10依次相连形成首尾相连的环链状。本实施例中，连接链20是将相邻堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置的蒺藜球支架固定相连从而形成环链状。
本实施例中，封堵球链100包含“两小一大”三个封堵球10，为二级配，即具有两种不同膨胀体11a质量(或体积)的封堵球10，第一种封堵球10(小球)中膨胀体11a直径比第二种封堵球10(大球)小，大球和小球填料均为SAC体系材料，但填料量不一致，以封堵直径15cm的管涌通道为例，大球填料质量(或体积)约为小球2倍，大球膨胀后体积为小球的4倍以上。封堵时会出现三种情况：大球堵住，两小球在外面；两小球堵住，大球在外面；一小球堵住，一大一小在外面；第一种情况下形成两级堵塞，在外面的两个小球通过刺针12b-2固定在管涌口形成管涌口预堵塞，在里面的大球形成通道内堵塞；第二种情况下形成三级堵塞，在外面的大球通过刺针12b-2固定在管涌口形成管涌口预堵塞，在里面的两个小球形成两级通道内堵塞，这种封堵效果最好；第三种情况下形成两级堵塞，在外面的大球和小球通过刺针12b-2固定在管涌口形成管涌口预堵塞，在里面的小球形成通道内堵塞。这三种情况都能满足本方案封堵贯通型管涌的要求，并且三种情况下形成的管涌口预堵塞都能对通道内堵塞起到很好的保护和截流缓冲作用。
以上是本实施例提供的封堵球链100和封堵球10的具体结构，下面对采用它们进行水力自寻式贯通型管涌封堵的具体方法进行说明：
步骤1.当贯通型管涌发生后，在产生漩涡部位的上游向下游沿水流方向抛投预制好的多个封堵球链100进行多方向寻找，最接近管涌口漩涡的那些封堵球链100借助漩涡吸力(以漩涡吸力为主导，利用水流惯性力和重力，不需要人为找寻)会自动寻找到管涌口，通过此使得至少一个封堵球链100中的封堵球10进入管涌通道。
步骤2.封堵球10上的水溶性覆膜11d遇水后开始溶解，水进入吸水口11c，并在压差和膨胀体11a的吸水作用下不断进入中心膨胀球11中与膨胀体11a发生反应，膨胀体11a吸水后在管涌通道内快速自动膨胀硬化成型从而封堵管道，同时带动蒺藜球支架12a和球形可伸缩滤网13同步向外扩张体积快速增大，在此过程中刺针12b-2构件收到膨胀体11a的抵推力，尖部刺入管涌壁进行支撑固定，扩展后的蒺藜球支架12a起到加强封堵结构强度和支撑固定的作用，球形可伸缩滤网13进行挡砂过水，辅助封堵。
步骤3.当坝后的管涌出口浑水转变为清水，可以确认管涌通道已经被封堵住。
在步骤1中采用的封堵球链100通过以下方法进行预制：
在非汛期，根据该地区以往洪水水文资料，包括以往发生的洪水流量、流速、淹没深度以及管涌口形成位置、大小等，进行管涌封堵模拟实验，确定能够实现管涌口水力自寻快速封堵的封堵球链100的这些参数中的一个或者多个：各个膨胀体11a的体积，膨胀体11a膨胀倍数，外层蒺藜球12与中心膨胀球11的质量比，外层蒺藜球12最大扩张倍数，刺针构件12b的数量和长度，球形可伸缩滤网13的质量，球形可伸缩滤网13最大扩张倍数，相邻封堵球10间连接链20的长度和质量等。例如，通过试验确定蒺藜球支架12a、膨胀体11a的质量配比，来保证蒺藜球链最终能进入管涌口；具体操作是通过保持膨胀体11a质量不变，改变蒺藜球支架12a质量与保持蒺藜球支架12a质量不变，改变封堵主体质量等控制变量的方法进行水力学试验。
另外，若该地区以往洪水水文资料包括差别较大的多种情况(例如，管涌口形成位置、大小差异比较大)，则可以通过管涌封堵模拟实验确定能够适应不同情况的封堵球链100的参数，然后预制多种封堵球链100。在使用时，抛投多种封堵球链100，适配的封堵球链100会将管涌通道封堵，从而可以适用于不同情况。
上述实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的堤坝上游水力自寻式贯通型管涌封堵装置10、系统及方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明所要求保护的范围内。