嘉陵江沖刷河段石籠護河試驗研究

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(1.四川省南部縣水務局，四川 南充，637300；2.四川大學水利水電學院，成都，610065)

1 引言

嘉陵江作為我國第一條全江渠化的河流，是四川省縱貫南北的水運干線[1]。近年來，由于嘉陵江流域進行大規模的水土流失治理，同時上游修建大量的水庫，攔截了大量泥沙，使得進入河流的泥沙變少變細[2]。此外，航道整治中，對彎道河段進行修整凹岸，對順直河段進行“束水攻沙”，使得河道變直變窄，從而水流流速增大[3]。來水來沙條件的改變，導致了河流的沖刷問題，例如：河流對坡腳的沖刷、侵蝕，易使邊坡失穩，從而誘發地質災害[4]；也易使穿越河道的管道沖刷、暴露，影響工程安全[5]；一方面，河床沖刷下切，導致水位下降，尤其是枯水期水位達不到通航要求的最低水位而影響通航；另一方面，河床沖刷不均帶來河床局部岸線崩退、切灘、局部坡陡流急、比降增大等問題，將使通航條件進一步惡化。

為治理河道沖刷問題，縱向多采用丁壩[6]、鎖壩[7]、潛壩[8]等傳統結構，透水樁壩[9]、長管袋沉排系列結構[10]、網護壩結構、擠壓塊沉排結構、鉛絲籠沉排結構、塑料編織袋護根結構等新型結構進行護河；亦有使用散拋塊石、軟體護底排等進行護底加糙而抬高上游水位[11]；橫向多采用平順護岸、順壩等對河岸進行防護[12]。

本文提出采用石籠結構進行柔性護河的措施。以嘉陵江南部縣河段為例，開展概化物理模型試驗，研究柔性護河結構的護河功效，為治理沖刷河段，保證河勢穩定提供理論依據。

2 研究河段概況

嘉陵江南部縣河段位于廣元至南充段，是嘉陵江干流中游的重要組成部分。該河段平均比降0.4‰～0.7‰，流量變幅極大；河床組成主要為沙卵石，粒徑分布廣，屬于典型的山區性卵石質河段[3]。嘉陵江中游段的年平均流量變化大，最大年平均流量為1120m3/s，最小年平均流量為287m3/s[13]。每年5-9月進入汛期，河流的沖刷與側蝕作用增強。

近年來，南部縣多次出現非法采砂現象(從紅巖子電站到嘉陵江大橋、嘉陵江大橋下面左側河灘，以及嘉陵江二橋下游右側河灘均出現了幾個較大的采砂場)，將加劇河道的沖刷。不平衡的沖刷問題使紅巖子電站下游航道的一側水流相對靜止，主河槽水流湍急，進而影響船舶通航。另外，沖刷造成大量土質流失，威脅堤防基座，影響防洪大堤的安全。同時，沖刷也將影響橋梁的安全，例如2018年7月的洪水退卻以后，南部縣嘉陵江大橋的橋墩防護設施暴露懸空，威脅橋梁安全。該河段最窄處僅約180m寬，在沖刷河段采取一定的護河措施對保證涉河建筑物的安全具有重要意義。

3 水槽試驗

3.1 試驗裝置

如圖1，試驗水槽長18.0m，寬2.0m，深0.5m，水槽坡度為1%，為山區河流的典型河床比降。水槽上游為8.0m×3.0m×1.5m(長×寬×高)的水箱，為試驗提供恒定流。下游沉砂池和集水井，用4臺潛水泵抽水以供給試驗時的用水循環，其中兩臺大水泵流量為116.7L/s，另外兩臺小水泵的流量分別為33.3L/s和83.3L/s。水槽前端設兩級消浪柵以平穩水流，水槽末端設尾門以控制尾水位。

圖1 試驗水槽示意

試驗用石籠模型寬約10cm，高5cm。如圖2(a)、(b)，分別為石籠的示意圖與石籠試驗模型。為模擬山區河流寬級配的卵礫石河床，床沙采用非均勻沙，其粒度特征為：s=ρs/ρ=2.65，σ=(d84/d16)0.5=3.4，d50=7.5mm，試驗床沙如圖2(c)。床沙鋪滿水槽，鋪沙后的床面比降為0.5‰，試驗段位于水槽中部，石籠結構垂直于河岸全斷面布置。試驗開始前，河床鋪為天然河床形態；試驗結束后，將床沙拌和，以保證每組試驗床沙級配相同。

(a)石籠示意 (b)石籠模型 (c)試驗床沙

3.2 試驗方案

石籠采用兩種布置方式：連續布置的石籠堰與有間隙的間隔石籠。分別開展了在淹沒和非淹沒的水流下兩種布置方式的石籠結構護河試驗，共4組試驗，如表1。

表1 試驗工況

4 試驗結果

4.1 沖淤現象

如圖3所示，沖刷河段在無石籠結構的保護下，河床沖刷嚴重，河床下切且河床表面粗化。當床面有石籠結構保護時，河床沖刷得到緩解。如圖4，石籠堰和間隔石籠保護下，結構上游一定范圍的床面比較穩定，細顆粒泥沙幾乎未被沖走；結構下游出現了局部沖刷，但沖刷粗化程度較無石籠結構時低，同時，非淹沒條件下的床面泥沙較淹沒條件下的更粗。

(a)沖刷前 (b)沖刷后

(a)石籠堰淹沒工況 (b)石籠堰非淹沒工況

4.2 河床高程縱向變化

如圖5(a)，石籠堰上游的河床高程在淹沒和非淹沒條件下沿縱向均變化不大；下游床面在淹沒條件下僅有局部河床高程降低，其它部分幾乎保持不變，在非淹沒條件下下游河床縱向高程幾乎整體降低。如圖5(b)，間隔石籠保護下，淹沒與非淹沒條件下的上游床面均先降低再升高，非淹沒條件降低更多；下游沖刷規律同石籠堰類似，淹沒條件下僅有局部河床下降，而非淹沒條件下幾乎床面高程均沿程降低。然而，間隔石籠保護下的河床沖刷位置的河床高程降低得更多。由圖5可知，石籠結構的布置方式對床面穩定有一定的影響，間隔石籠對河床的保護效果不如連續的石籠堰好。此外，不同的水流條件對河床的作用也不同，淹沒與非淹沒條件下受石籠結構保護，上游的河床地形相差較小；下游的地形在非淹沒條件下比淹沒條件下更嚴重，局部沖刷范圍更廣、沖刷深度更深。

(a)石籠堰 (b)間隔石籠

4.3 河床高程橫向變化

(a)石籠堰上游 (b)石籠堰下游

圖6與圖7分別為石籠堰與間隔石籠上下游典型橫斷面的床面高程橫向變化圖。如圖6(a)所示，在石籠結構的保護下，上游河床沖刷前后的橫向高程變化較小；而結構下游的河床橫向變化劇烈，沖刷后出現不均勻的沖刷坑，且非淹沒水流條件下較淹沒條件更劇烈，如圖6(b)。間隔石籠保護下，上游河床橫向上更加趨于平穩，水流作用使得泥沙將床面低洼處填的更高，如圖7(a)中，Y=0.1m～0.6m與Y=1.6m～1.9m范圍的床面均在沖刷后高程增加；間隔石籠下游，沖刷后的床面橫向高程較沖刷前低，出現了凹凸相間的沖刷坑，且非淹沒條件下的沖刷深度更大，如圖7(b)。

(a)間隔石籠上游 (b)間隔石籠下游

5 分析與討論

石籠結構采用當地卵礫石材料，且具有透水性，同時結構能自適應床面變形，是一種經濟、生態、穩定的護河結構。石籠作為一種柔性結構，對于穩定河床有一定的作用，并且連續的石籠堰比間隔石籠具有更好的護河效果。這主要是因為石籠堰將整個河床橫向阻斷，結構上游形成回水區，水流流速減小，沖刷作用減弱，從而上游河床非常穩定；此外，石籠具有一定的透水性，部分水流從石縫中滲出，從堰體表面溢流的流量變小，從而形成的水躍較小，對堰體下游僅產生輕微的局部沖刷，同時堰體對水流進行消能減速，堰體下游的河床也得到一定的保護。間隔石籠作用時，上游不能完全形成回水區，從而上游流速較大，但在石籠附近由于一定的阻水作用，流速降低，上游泥沙沖刷至石籠附近停淤。水流會集中從石籠間的間隙通過，形成較大流速區，從而每個間隙對應的位置形成較大的沖刷坑。

淹沒條件下的水深較大，水流流速垂向分布為對數分布，近底流速小，對泥沙的沖刷作用小；而非淹沒條件下的水深較低，近底流速接近表面流速，流速較大，對泥沙的沖刷作用更為劇烈，因此，非淹沒水流條件下的床面沖刷更劇烈。

6 結論

針對嘉陵江的河流沖刷問題，提出采用石籠結構進行護河。本文以南部縣沖刷河段為原型，開展了4組概化模型水槽試驗，研究了淹沒和非淹沒兩種不同水流條件下，連續和間隔兩種不同布置型式的石籠結構對沖刷河道的床面沖淤及床面高程的影響，得到以下結論：

(1)石籠結構對沖刷河道具有良好的保護作用，上游明顯促淤，下游能一定程度緩解河床沖刷與粗化；

(2)連續布置的石籠堰相比于間隔布置的石籠具有更好的護河效果；

(3)非淹沒水流條件下的近底流速大，河床沖刷較淹沒條件下更劇烈；

(4)石籠結構作為一種柔性護河結構，具有良好的工程效果、生態環境效益與結構穩定性，可在沖刷河段治理中推廣應用。