本文摘要：摘要:河堤窩崩發(fā)生后，首先需要確定的是搶護(hù)治理方案，減緩窩塘流速，遏制窩塘進(jìn)一步發(fā)展。在諸多搶護(hù)治理方案中，樹頭石方案具有較好的減速促淤效果，但樹頭高度和拋投間距在以往的設(shè)計中都是依經(jīng)驗確定，缺乏理論基礎(chǔ)和試驗依據(jù)。通過制作長江揚中河段指南
摘要:河堤窩崩發(fā)生后，首先需要確定的是搶護(hù)治理方案，減緩窩塘流速，遏制窩塘進(jìn)一步發(fā)展。在諸多搶護(hù)治理方案中，樹頭石方案具有較好的減速促淤效果，但樹頭高度和拋投間距在以往的設(shè)計中都是依經(jīng)驗確定，缺乏理論基礎(chǔ)和試驗依據(jù)。通過制作長江揚中河段指南村窩崩模型，在窩崩口門附近流速模擬相似的基礎(chǔ)上，對窩塘內(nèi)同一高度3種間距的樹頭石排列型式和同一間距3種高度的樹頭石進(jìn)行了試驗，用三點法測量了窩塘內(nèi)12個點的流速、流向。試驗結(jié)果表明：窩塘內(nèi)表層流速受慣性影響較大，底層流速受地形影響較大;窩塘內(nèi)布置不同高度和不同間距的樹頭石時，平均流速隨樹頭石高度的增加而減小，隨樹頭石間距的減小而減小，窩內(nèi)流速的減小，意味著泥沙淤積強(qiáng)度的增大;另一方面，樹頭石高度的增大和間距的減小，都會增加工程的投資成本，研究認(rèn)為在相對樹高為0.15、間距為6m×6m時綜合效果較佳。
關(guān) 鍵 詞：長江河堤;窩崩治理;樹頭石;平均流速
窩崩是長江中下游常見的一種崩岸形式，由于其發(fā)展速度快(幾小時到幾十小時)，崩塌縱深長(數(shù)十米到數(shù)百米)，塌方量巨大(幾十萬方到幾百萬方)，在平面上一般呈半圓型或馬蹄型，當(dāng)窩崩造成長江大堤破壞時，可能會造成人民生命及財產(chǎn)的重大損失，因此各級政府非常重視，科技工作者也從不同角度開展研究[1-6]。關(guān)于窩崩成因機(jī)理的研究，主要存在以下3種觀點[7]：一是深泓逼岸形成崩塌[8-9];二是沙體液化形成崩塌[10-11];三是窩塘內(nèi)次生流引起大規(guī)模崩塌[12-13]。
上述3種觀點都能從某方面解釋窩崩的發(fā)生，但也都存在問題。窩崩險情的應(yīng)急和事后治理措施，主要根據(jù)險情的發(fā)展、應(yīng)急搶護(hù)的必要性及現(xiàn)場條件等情況確定。對于危害較大的窩崩，都會采取應(yīng)急搶護(hù)措施。水利部門提出了“守兩肩、固周邊、先促淤、后封口”的窩崩治理原則[14-15]。在窩塘促淤方案中，樹頭石是常用的結(jié)構(gòu)型式[15-16]，實際工程中也起到了較好的效果，但目前工程中采用的樹頭石在窩塘中的分布密度和高度，都是憑經(jīng)驗確定的，是否處于最佳的工程效益，需進(jìn)行試驗研究確定。利用長江揚中河段指南村窩崩模型，在窩崩口門附近流速模擬相似的基礎(chǔ)上，對窩塘內(nèi)不同間距的樹頭石排列型式和不同高度的樹頭石進(jìn)行了試驗。通過試驗研究提出工程效果較佳的樹頭石高度和間距。
1局部模型設(shè)計及驗證
試驗選擇2017年發(fā)生在揚中河段指南村附近窩崩進(jìn)行研究，模型范圍寬度包括整個窩崩體，以及長江靠窩崩側(cè)的部分(包括上下游深槽，−20m范圍)。模型上邊界取在窩崩體上游1.1km處，下邊界在窩崩體下游0.9km處，模擬總長度約2.0km。鑒于窩塘內(nèi)外水流具有較強(qiáng)的脈動和三維特性，采用比尺λL=100的正態(tài)模型。這樣，模型寬度為11m，其中靠左側(cè)邊墻0.5m河床地形可以調(diào)節(jié)，以改善由于左側(cè)邊墻固定而引起水流不相似的影響，模型長度為20m，不包括進(jìn)口水流調(diào)整段和出口回流段。
2模擬材料及試驗組次
窩內(nèi)測點布置及測量�？紤]到窩崩主要發(fā)生在枯水季，選擇流量Q=28800m3/s為試驗流量，流速測量主要采用螺旋槳流速儀測量，在窩塘內(nèi)共布置12個測流點，各測點在窩塘中的位置分布，每個測點布置一根測桿，每條垂線分為0.2H、0.6H、0.8H進(jìn)行測量(H為測點處水深)，每個測點取樣時間10min，以消除窩內(nèi)水流周期性脈動所帶來的影響。進(jìn)行4次測量，取平均值，還采用粒子法(PIV)進(jìn)行表面流場的測量。
樹頭石是指新鮮砍下的包括樹冠和主干的樹頭(長5m左右)以及在主干下端系上已裝入石塊(200kg左右)的編織袋所組成的結(jié)構(gòu)。目前尚未有樹頭石對水流影響相關(guān)方面的研究論文，一般參考大氣阻力的研究成果[17]，認(rèn)為水流中的樹阻力與樹的阻水面積或阻擋流量有關(guān)。由于樹種和生長環(huán)境的不同，不同樹頭間有較大差別，給模型模擬帶來了較大的困難。參考有的學(xué)者采用塑料草模擬沉水植物[18]塑料樹高約9cm，在水里由于自然下垂和水流的作用，實際高約7cm。
塑料樹有5種形式，各種塑料樹在窩塘內(nèi)隨機(jī)分布，模擬5m樹高時，將塑料樹剪至5cm;模擬更小的樹高，則采用選用8片葉子組成的塑料草進(jìn)行模擬，整個塑料草離河底高約2.0cm，直徑為6.5cm。樹頭石布置范圍：根據(jù)窩崩搶護(hù)時樹頭石的拋投情況，模型中樹頭石的拋投范圍為−15m以下的窩塘水域，貫穿10#、11#、12#的高程線和1#、2#、3#中心線的延長線所圍成的區(qū)域。樹頭石高度：采用相當(dāng)于天然樹高7m左右的樹頭石，以窩塘口門處最大水深32.3m作為參數(shù)，求得樹頭石的相對高度為0.22，和相當(dāng)于天然樹高5m(相對樹高為0.15)、相當(dāng)于天然樹高為2m(相對樹高為0.06)的樹頭石進(jìn)行試驗。樹頭石布置間距：按天然3m×3m、6m×6m、8m×8m的方式布置進(jìn)行試驗。窩塘內(nèi)樹頭石按6m×6m的排列方式布置。
3試驗結(jié)果及分析
3.1 試驗結(jié)果
試驗結(jié)果表明，各方案下窩塘外較遠(yuǎn)處的大江流速和水位沒有影響，口門位置流速較主流流速有較大減小，約為主流流速的一半。無工程時窩塘和大江的表面流速分布。無工程布置時窩塘內(nèi)實測流速分布窩塘內(nèi)流速以8#測點為中心作順時針旋轉(zhuǎn)，在口門與主流交界處，流速較大，在下口門附近，雖然表層流速的流向還是指向下流，但中下層流速的流向，由于受地形的影響，已指向窩塘內(nèi)，兩者有較大的差別;同樣，窩塘內(nèi)的表層流速受慣性影響較大，而底部流速受地形影響較大，流向首先發(fā)生改變;對于同一點的流速沿垂線分布，表、中、底層的流速趨于均勻，有的甚至出現(xiàn)底層流速最大的現(xiàn)象。
窩塘內(nèi)布置樹頭石工程時，窩內(nèi)流速隨樹頭石的高度和分布密度的不同而有所減小，流向與無工程時基本相同。這是因為隨樹頭石的高度和分布密度的變化，窩內(nèi)阻力發(fā)生了變化，窩內(nèi)流速隨阻力的增減而發(fā)生變化;窩內(nèi)測點流向變化不大，一是在窩塘內(nèi)布置樹頭石，相當(dāng)于窩塘內(nèi)整體加糙，主要改變流速值;二是窩內(nèi)流向會隨時間擺動，流向有一定的變化幅度，難以人為區(qū)分。
3.2 成果分析
保持樹頭石高度相同，改變間距(密度)，分析其阻水效果。通過模型試驗觀測，指南村窩崩內(nèi)的水流是以8號點為中心作回流運動，流態(tài)較為穩(wěn)定，相同點的流向也基本不變。故在進(jìn)行成果分析時，取測點平均值進(jìn)行比較，相對樹高為0.22，排列間距分別為3m×3m、6m×6m和8m×8m時各測點平均流速計算結(jié)果。在相同樹高時，樹間距變大，窩內(nèi)平均流速也變大。
為了更直觀地反映樹間距對窩內(nèi)平均流速的影響，將樹間距轉(zhuǎn)化為每百平方米內(nèi)樹頭石的顆數(shù)，將不同密度下的流速與無工程時流速比值作為相對流速。如果認(rèn)為工程前流速(0.211m/s)為0顆樹的狀態(tài)，那么每百平方米內(nèi)2~3顆樹的減速效果(從0.211m/s降到0.177m/s)較每百平方米內(nèi)10~11顆樹的減速效果(從0.211m/s降到0.174m/s)相差不大，但更為經(jīng)濟(jì)。故從促淤角度考慮，采用6m×6m間距的樹頭石較為合理。
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4結(jié) 語
鑒于目前窩崩應(yīng)急治理設(shè)計中的樹頭石的樹頭高度和拋投密度均憑經(jīng)驗確定的現(xiàn)狀，本文采用物理模型試驗的方法，以長江揚中河段指南村窩崩為研究對象，制作了1∶100的正態(tài)窩崩局部模型，對窩塘內(nèi)3種樹頭高度，3種排列間距的樹頭石進(jìn)行了試驗。結(jié)果表明：隨樹頭高度增加，或排列間距的縮小，樹頭石的阻水作用都會增大，促淤效果增強(qiáng)，但投入費用也會增大。研究認(rèn)為相對樹高為0.15、間距為6m×6m時綜合效果較佳。由于試驗結(jié)果是在清水定床上獲得的，施工過程中樹頭石的拋投過程及泥沙淤積等均未能在試驗中得以反映。
參 考 文 獻(xiàn)：
羅龍洪,蘇長城,應(yīng)強(qiáng),等.長江揚中河段指南村窩崩原因分析[J].江蘇水利，2019(增刊2)：65-69,80.
(LUOLonghong,SUChangcheng,YINGQiang,etal.AnalysisonthecausesofarccollapsinginZhinanVillageYangzhongReachoftheYangtzeRiver[J].JiangsuWaterResources,2019(Suppl2):65-69,80.(inChinese))
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[2]MIDGLEYTL,FOXGA,HEERENDM.Evaluationofthebankstabilityandtoeerosionmodel(BSTEM)forpredictinglateralretreatoncompositestreambanks[J].Geomorphology,2012,145/146:107-114.
作者：袁文秀1，應(yīng)強(qiáng)2，羅龍洪1，張幸農(nóng)2，假冬冬2
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