流速對黃河搶險險工拋投體穩定性影響及對策

張亞坤 周彥林 梁建林

摘 要：通過對黃河險工和控導工程防汛搶險中拋投材料大量走失原因進行分析，并以鉛絲石籠為研究對象，建立了拋投體在動水中的受力分析模型。在對拋投體進行受力分析的基礎上，研究險工流速、水深等對拋投體穩定性的影響規律，結果表明：拋投法搶險中，險工處瞬時流速越大、水深越大，拋投體在動水中的位移就越大，穩定性就越差;增加拋投體的質量（體積），能夠有效減小拋投體在動水中的位移，增強其穩定性;設計合理質量的拋投體、預留足夠的拋投距離或采用鏈接拋投體等措施能夠確保黃河防汛搶險中拋投體的穩定性。

關鍵詞：險工;防汛搶險;鉛絲石籠;穩定性;流速;水深;黃河

中圖分類號：TV871.3;TV882.1 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.008

Abstract：In this paper， the causes of mass loss of throwing materials in flood control of the Yellow River were analyzed and the stress analysis model of throwing body in moving water was established with gabion as the research object. Based on the force analysis of gabion， the influence of the velocity and depth of the dangerous section to the stability of the throwing materials was studied. The results show that increasing velocity and water depth can lead to poor stability of the throwing materials in the dynamic water and increasing weight （size） of throwing materials can effectively reduce the displacement and enhance its stability. Finally， some measures are put forward， such as designing a reasonable weight throwing materials， reserving enough throwing distance or using linked gabion system to ensure the stability.

Key words： vulnerable spot; flood control and emergency rescue; gabion; stability; flow velocity; water depth;Yellow River

為了提高黃河下游堤防防御洪水的能力，在經常靠水的堤段有計劃地修建的防護工程稱為險工。根據大溜流向，為改善不利河勢，有計劃地進行河道整治，在灘地合適部位修建的工程稱為控導工程。截至目前，黃河下游已建險工135處，控導工程219處[1]。這些工程在汛期高水位、高流速下經常出現坍塌、漫溢、滲水、漏洞、滑坡、管涌、裂縫、墩蟄等險情[2-3]，其中坍塌發生的頻率最高。在搶護這類險情時，一般是人工配合機械向出險部位拋投鉛絲石籠、防汛石材進行搶護，以達到“護腳抗沖、緩流挑溜”的目的。這種做法雖然使得險情得到暫時控制，但是也存在很大的盲目性，從而造成了人力、財力、物力的過多投入，且耗費了過多的搶險時間。對鉛絲石籠、散石在動水中的受力進行分析，研究拋投體在水流中的運動狀態，弄清楚險工處流速對拋投體穩定性的影響規律，從而有針對性地采取措施，保證險工搶險中拋投體的穩定性，對黃河險工搶險具有重要意義。本文開展流速對險工拋投體穩定性影響及對策的研究，探索流速對鉛絲石籠、散石等拋投體的影響規律，提出有效的應對措施，以期為安全、高效、經濟地控制險情提供參考。

1 傳統拋投搶險存在的問題及原因分析

1.1 傳統拋投搶險方法

對于坍塌類險情，常用搶險方法就是拋投法，如拋投塊石、鉛絲石籠、土袋、柳石枕、土袋枕等[2]。為了提高搶險的效率，以拋投塊石、鉛絲石籠居多。傳統的處理方法是人工配合機械將防汛石材運輸到險工地段，制作鉛絲石籠，向出險部位拋投，同時輔助拋投散碎塊石。塊石、鉛絲石籠的拋投量和拋投速度要大于坍塌險情的坍塌總量及擴大速度，提高險工和控導工程的抗沖穩定性，從而起到護腳固基的作用，穩定并控制險情。這種方法控制險情具有較大盲目性，操作起來費時、費料、費力，在搶險中鉛絲石籠走失現象十分嚴重。

1.2 拋投體走失原因

進入動水中拋投體的運動軌跡取決于其受力狀況。假定拋投材料入水后僅受到重力和水流沖擊力兩種作用，那么，拋投體的運動軌跡必然是受重力作用下沉的同時順著水流方向發生水平位移。其運動狀態是豎直方向自由落體和順著水流方向運動的合成，其運動軌跡類似于平拋運動，如圖1所示。

拋投體的穩定性取決于其水平位移的大小，水平位移越大，穩定性就越差，走失現象就越明顯。平拋運動水平位移大小取決于運動時間和水平方向速度的大小。水深越大，水中下落的時間就越長，發生水平位移的時間就越長，水平位移就可能越大，拋投體就越容易走失;水流流速越大，產生的對拋投體的拖曳力就越大，拋投體水平方向的速度也會越大，產生的水平位移就越大，即越容易走失。可見，傳統險工拋投搶險中拋投的散碎石塊、鉛絲石籠的大量走失現象與險工處的流速、水深密不可分。

2 影響拋投體穩定性的因素分析及對策

2.1 影響拋投體穩定性的因素

受力情況決定物體運動狀態，為了明確拋投體在動水中的運動狀態，需對其進行受力分析。為此，建立了如圖2所示的拋投體受力分析模型（以鉛絲石籠為例）。為了便于定量分析拋投體的穩定性，拋投體受力分析模型中忽略了次要影響因素，如泥沙含量、繞流、旋渦等的影響，并假定拋投體入水瞬間的初速度為零。

通過計算發現，在流速一定的情況下拋投單個鉛絲石籠，鉛絲石籠發生的順著水流方向的水平位移，隨著水深h的增大而不斷增大。即流速v一定，水越深，鉛絲石籠發生的位移sh越大，越不穩定。例如當水深為30 m時，單個鉛絲石籠入水后發生的位移為16.94 m。所以，在動水中采用拋投法搶險時，為了避免拋投體的走失，水深h是一個必須考慮的重要因素。

2.2 拋投體在動水中的極限抗沖流速

拋投體的設計尺寸不僅要滿足下落過程中的穩定性要求，還要滿足落底后的穩定性要求，設計的拋投體的質量（體積）應取二者的最大值。為了確保拋投體沉入水底后的穩定性，必須根據拋投體在水中的起動流速進行質量（體積）驗算。在我國江河截流中，拋投體尺寸的確定普遍采用兩種方法：一種是模型試驗法，另一種是采用式（9）進行計算[8-9]。

2.3 增強搶險拋投體穩定性的對策

從以上分析可知，導致拋投體走失的關鍵因素是險工處的水流流速v和險工處的水深h。為了確保拋投材料達到出險部位的壩基，切實起到固腳護基的作用，有兩種方法：一種是增大拋投體的質量（體積）;另一種是采取合理有效的措施約束拋投材料。

2.3.1 增大拋投體的質量（體積）

汛期黃河下游實測平均流速為2.0 m/s左右，根據式（8）可以計算出瞬時最大流速為2.5 m/s。選取瞬時流速v=2.5 m/s為計算流速，假定險工水深為20 m，計算不同體積拋投材料在動水中的位移（見表4），進而給出增強拋投材料穩定性的對策。根據表4計算結果可知，增大拋投體的體積能夠起到提高其穩定性的效果。

2.3.2 預留拋投距離

拋投體在水流中順著水流方向的水平位移為sh。拋投物料前，先根據實測險工處流速v和水深h，估算出拋投材料可能在水中發生的位移大小|sh|。拋投物料時，可以考慮將拋投點（入水點）選擇在逆著來流方向距離預定加固點|sp|的地方（向量sp應能夠滿足向量表達式sp+sh=O），從而抵消拋投體進入水流后發生的位移，保證拋投體達到預定加固位置，起到加固出險部位的作用。

2.3.3 采用鏈接拋投體

單個鉛絲石籠的體積在一般在0.6～0.8 m3之間，質量在1.5～2.0 t之間，汛期黃河下游的平均流速為2.0 m/s左右，瞬時流速高達2.5 m/s。假定險工處水深20 m，根據表4可知，單個0.8 m3的鉛絲石籠入水后順著水流發生11.29 m的位移，相當不穩定。這種情況下，僅靠拋投單個鉛絲石籠很難取得搶險的成功，更談不上搶險的高效性和經濟性。采用鉛絲石籠鏈接技術不僅能夠得到質量（體積）更大的拋投體，而且拋投體通過鉸鏈相互牽引、相互摩擦的作用，能夠消耗大部分能量，從而保證拋投體在動水中的穩定性。常用的多個鉛絲石籠之間的鏈接技術包括鏈式鉛絲石籠體系、樁式鉛絲石籠體系和摩擦型鉛絲石籠體系三種。

（1）鏈式鉛絲石籠體系。將兩個或兩個以上的鉛絲石籠通過鉸鏈鏈接在一起，形成總質量（體積）更大的鉛絲石籠體系。例如將8個體積為0.8 m3的鉛絲石籠鏈接在一起形成鉛絲石籠體系，利用機械將該體系推入險工出險部位，流速2.0 m/s時在深度為20 m的水中發生的位移僅為4.80 m，相對于拋投的工作面來說，已經具有足夠的穩定性。采用鏈式鉛絲石籠體系，往往需要大型拋投機械，成本較高。

（2）樁式鉛絲石籠體系。通過繩索將鉛絲石籠或體系鏈接到搶險作業面以外的木樁上，如圖3所示，利用牽引繩索的拉力來控制拋入水中鉛絲石籠的位移、運動軌跡，保證拋投體到達出險部位，達到加固險工、控制險情的目的。采用樁式鉛絲石籠體系拋投時，一定要注意作業區內工作人員的安全。

（3）摩擦型鉛絲石籠體系。該體系類似于樁式鉛絲石籠體系，如圖4所示，所不同的是在搶險作業面以外采用起摩擦耗能作用的鉛絲石籠代替打樁。先拋入的鉛絲石籠通過繩索拉動摩擦鉛絲石籠，利用摩擦鉛絲石籠與險工地面的摩擦力做功來消耗水中鉛絲石籠的大部分能量，最后連同摩擦鉛絲石籠一起到達出險部位。

3 結 論

通過建立鉛絲石籠在動水中的受力分析模型，分析了黃河險工傳統防汛搶險中拋投體存在的穩定性不足的問題及其原因，并針對目前拋投搶險中存在的問題，提出了應對措施。

（1）險工處流速v、水深h是影響拋投材料穩定性的關鍵因素，隨著險工處流速v的增大和出險部位水深h的增大，拋投材料的水平位移不斷增大，穩定性變差，很容易發生拋投體走失的現象。

（2）實際搶險中，可通過實測險工處的流速v、水深h，計算得到拋投體在水流中的位移，在此基礎上設計出質量（體積）能夠滿足穩定性要求的拋投體，就能避免拋投體的走失，從而確保拋投材料到達擬加固的根基，起到固腳護基的作用。

（3）如果條件限制，不能拋投足夠質量（體積）的材料，或者尺寸增加會造成搶險成本過高，可以采用約束拋投材料的辦法進行拋投，如采用打樁牽引鉛絲石籠、鉸鏈鏈接鉛絲石籠等技術，達到控制險工險情的目的。

本文在建立拋投材料水中受力分析模型時，僅僅針對影響拋投材料穩定性的主要因素進行分析，而對于水流泥沙含量、繞流等因素對拋投材料穩定性的影響，有待進一步開展相關研究。

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【責任編輯 許立新】