黃河青石段河道整治工程典型壩垛模型試驗(yàn)

岳志春 周躍華 馬曉陽(yáng) 張羽華

摘要：以實(shí)際地形、地貌及河道演變?yōu)榛A(chǔ)，開展了黃河寧夏青石段河道整治工程典型壩垛模型試驗(yàn)，通過(guò)不同材料比例對(duì)根石備塌體、占體寬度等參數(shù)對(duì)比分析，結(jié)合以往設(shè)計(jì)成果進(jìn)行分析，結(jié)果表明：青石段丁壩上跨角、壩前頭、迎水面等部位，在考慮必要的安全冗余時(shí)，備塌體寬度宜取9m，下跨角、背水面等部位備塌體寬度為5m左右;在同一流量級(jí)下，鉛絲籠與散石比例為7：3時(shí)壩體抗沖穩(wěn)定性更為理想;施工工藝中結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)采用“金包銀”分區(qū)拋投與“漢堡包”層疊拋投相結(jié)合的根石拋投方式，施工時(shí)占體寬度宜為6m。

關(guān)鍵詞：河道整治工程;根石;備塌體;占體;黃河寧夏青石段

中圖分類號(hào)：TV85;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000 - 13 79.2019.02.011

黃河寧夏段自中衛(wèi)市南長(zhǎng)灘入境，至石嘴山市惠農(nóng)區(qū)頭道坎出境，穿越中衛(wèi)、吳忠、銀川、石嘴山四市，全長(zhǎng)397 km，由峽谷段、庫(kù)區(qū)段和平原段三部分組成，平原段分為衛(wèi)寧（中衛(wèi)一中寧）段和青石（青銅峽一石嘴山）段，以仁存渡為界，仁存渡以上為砂卵石河床，以下為砂質(zhì)河床。近年來(lái)，隨著上游大型水利工程的建設(shè)運(yùn)行，寧夏河段水沙條件發(fā)生了一定的改變，原有的部分河道工程的控導(dǎo)、防護(hù)效果減弱，造成部分工程常年不靠河、失去對(duì)水流的控導(dǎo)作用。寧夏黃河工程規(guī)劃一直參考黃河下游工程規(guī)劃經(jīng)驗(yàn)，采用微彎整治與就岸防護(hù)相結(jié)合的治理方案[1].工程設(shè)計(jì)參數(shù)也參考黃河下游河道整治工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[2].青石段丁壩備塌體寬度取6m。工程施工進(jìn)占材料，仁存渡以上主要采用塊石混合料，仁存渡以下為格柵土枕，寬度為6m.鉛絲籠與散拋石比例為7：3或者3：1。考慮到黃河寧夏段與黃河下游的河型、水沙、河床邊界條件有較大差別，工程設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性還缺乏必要的技術(shù)支撐。為此，筆者開展了典型壩垛模型試驗(yàn)，以期為工程設(shè)計(jì)提供更佳的設(shè)計(jì)參數(shù)，提高河道工程的安全性和工程適應(yīng)性。

1 模型設(shè)計(jì)

針對(duì)黃河寧夏青石段河道整治工程結(jié)構(gòu)，以青石段邵家橋河段為典型，開展動(dòng)床正態(tài)水工試驗(yàn)。試驗(yàn)水槽尺寸：長(zhǎng)30 m、寬2.5 m、高0.8 m，試驗(yàn)水槽布置見圖1。

按照寧夏防洪工程以往設(shè)計(jì)成果[5]，散拋石直徑單個(gè)塊體抗沖計(jì)算粒徑為0.25～0.45 m，質(zhì)量不小于30 kg?？紤]到壩頭散拋石裹護(hù)塊體較大及拋石方量的準(zhǔn)確換算，本模型擬采用與原型壩體材料容重接近的碎石子。石料采用沙莫夫起動(dòng)流速公式[3]：

綜合以上分析，原型粒徑0.25～ 0.45 m的石料，按照比尺計(jì)算，模型石料粒徑為4.2～ 7.5 mm細(xì)石。模型床沙根據(jù)青石段（邵家橋工程段）床沙級(jí)配實(shí)測(cè)結(jié)果[6]，原型床沙中值粒徑d50約為0.24 mm。采用床沙級(jí)配為d5= 0.08 mm，d50= 0.24 mm，d95= 0.5 mm。由于河床質(zhì)較細(xì)，結(jié)合以往黃河治理相關(guān)資料成果[7]，本次采用沙玉清起動(dòng)流速公式：

根據(jù)平羅河段床沙級(jí)配實(shí)測(cè)結(jié)果[6]，可得原型床沙中值粒徑d50約為0.24 mm。經(jīng)比選，采用d50=0.048 mm的粉煤灰作為模型床沙。為滿足試驗(yàn)精度要求，根據(jù)模型相似條件及原型有關(guān)資料進(jìn)行模型比尺計(jì)算，模型主要比尺見表3。

2 模型的率定

為進(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)的可靠性，對(duì)模型進(jìn)行率定。以1/20洪水流量[青石段單寬流量16.24 m/（s·m）]對(duì)水槽放水，調(diào)整尾門控制水面比降約為0.02%，此時(shí)模型水深約為5.8 cm，30 min后正式開始試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中每10 min測(cè)量一次水深，直至沖刷水深基本穩(wěn)定為止，總試驗(yàn)歷時(shí)為300 min。

（1）據(jù)水槽測(cè)定的水力要素計(jì)算出水槽模型的綜合糙率，青石河段為0.010～ 0.012。根據(jù)已收集的青銅峽、石嘴山河段水文測(cè)驗(yàn)資料分析[8]，石嘴山枯水期的河床糙率一般為0.019～ 0.220.青銅峽枯水期河床糙率一般為0.020～ 0.026。應(yīng)用曼寧公式求得糙率系數(shù)比尺為1.98。根據(jù)率定結(jié)果，可知實(shí)際模型糙率與理論值相差較小，可控制在10%以內(nèi)。

（2）進(jìn)出口流速平面分布較平順，滿足模型試驗(yàn)進(jìn)流和出流條件，見圖2。

（3）根據(jù)模型水槽實(shí)測(cè)流速和斷面幾何尺寸計(jì)算的流量值與設(shè)計(jì)流量值相比，相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。

（4）模型縱向、橫向水面線與原型一致，模型壩前水流流態(tài)與原型一致。

根據(jù)預(yù)備試驗(yàn)，放水的前2h內(nèi)，壩前沖刷發(fā)展很快，隨著試驗(yàn)歷時(shí)增加，沖刷深度與沖刷坑尺度變化減慢，3h時(shí)已趨于穩(wěn)定。根據(jù)以往原型觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)，修筑于黃河細(xì)沙河床上的丁壩，其沖坑穩(wěn)定所需要的時(shí)間并不多。模型原型局部沖刷歷時(shí)相似度較高。結(jié)合流速、水面線等觀測(cè)，本試驗(yàn)每個(gè)組次的沖刷歷時(shí)均達(dá)4h（相當(dāng)于青石段原型31 h），可以確保沖刷坑達(dá)到極限沖刷狀態(tài)，見圖3、圖4。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 適宜備塌體寬度

目前，根據(jù)以往設(shè)計(jì)成果和寧夏治河工程建設(shè)實(shí)際[9]，青石段河道整治工程備塌體寬度一般為6～9 m。為進(jìn)一步驗(yàn)證備塌體合理寬度，本次選取備塌體寬度為6、9、12 m三種工況，備塌體初始厚度均為2m，根石材料比例（鉛絲籠：散拋石）為7：3，根據(jù)原型對(duì)應(yīng)流量設(shè)計(jì)模型控制單寬流量，見表4。

通過(guò)對(duì)根石形態(tài)的觀測(cè)研究，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中備塌體寬度為6m時(shí)，在洪水流量為5 620 m/s的條件下，根石臺(tái)高程較初始高程下降較多，特別是上跨角及迎水面根石明顯下沉，說(shuō)明備塌體寬度為6m時(shí)，在洪水條件下出現(xiàn)快速滑塌破壞的幾率較大，根石防護(hù)較為薄弱。另外，備塌體寬度為6m時(shí)，洪水后護(hù)根頂寬度過(guò)窄，上跨角等主要迎流部位護(hù)根頂寬度小于3m.該寬度的備塌體穩(wěn)定性不足。

隨備塌體寬度增加，洪水后護(hù)根頂寬度明顯增加。備塌體寬度從6m增至9m.護(hù)根頂寬增幅較大，而從9m增加至12 m.護(hù)根頂寬的增幅較小，說(shuō)明備塌體寬度增加對(duì)提高保護(hù)壩體的效率在降低。

綜合考慮工程結(jié)構(gòu)、施工、經(jīng)濟(jì)性等因素，提出一般備塌體寬度為6m?，F(xiàn)場(chǎng)查勘情況表明，多數(shù)新建工程的備塌體寬度都能滿足，但有些靠大溜、初始根石較淺的工程，保留備塌體寬度只有3～4 m。綜合以上因素，青石段丁壩主要迎流部位備塌體寬度為6m時(shí)出險(xiǎn)頻率較高，宜選用9m寬度，而12 m寬度根石加強(qiáng)效率較低，根石走失量偏大，不宜采用，下跨角及背水面等部位備塌體寬度以5m為宜。

3.2 適宜根石材料比例及施工工藝

為分析驗(yàn)證丁壩護(hù)根水中進(jìn)占施工方案，不同根石材料比例以及丁壩軸線與水流方向夾角分別為300、600的來(lái)流條件的技術(shù)參數(shù)，考慮根石材料比例分別為7：3、8：2、6：4三種工況，根石結(jié)構(gòu)厚度均為4.2m，根石結(jié)構(gòu)備塌體寬度為6m。根據(jù)原型對(duì)應(yīng)流量設(shè)計(jì)模型控制單寬流量，見表5。為研究洪水后長(zhǎng)歷時(shí)小水對(duì)根石的作用，選用夾角600來(lái)流條件，以洪水后地形及丁壩根石為邊界條件，施放對(duì)應(yīng)流量500 m/s的單寬流量4.94 m/（s·m）。

試驗(yàn)表明，根石比例為6：4時(shí)，根石的下沉滑塌較為嚴(yán)重，主要發(fā)生在上跨角和迎水面，7：3、8：2比例根石也有部分下沉，但比6：4比例根石穩(wěn)定性要好。對(duì)于工程非靠溜部位，鉛絲籠材料的占比可適當(dāng)降低，以節(jié)省成本。

通過(guò)對(duì)根石形態(tài)的觀測(cè)，可見隨著鉛絲籠含量的增加，坡度系數(shù)有一定程度減小，護(hù)根頂寬度相應(yīng)增加，根石的穩(wěn)定性得到提高。在同一流量級(jí)下，隨著鉛絲籠比例升高，根石走失量變小，走失率也變小。根石比例8：2雖然穩(wěn)定性更好，但根石材料的空隙率顯著增加，使丁壩土體更易淘刷損失，因此并非鉛絲籠比例越高越好。在鉛絲籠、散拋石拋投層數(shù)基本一致的條件下，根石材料比例為7：3較為適宜，同時(shí)建議采用“金包銀”分區(qū)拋投與“漢堡包”層疊拋投相結(jié)合的根石拋投方式[10]。

3.3 適宜進(jìn)占寬度

開展占體動(dòng)床試驗(yàn)，分析占體壩頂寬度對(duì)施工的影響，初始邊界條件、水流條件等見表6。

試驗(yàn)占體壩分為兩個(gè)試驗(yàn)段.0～30 m（原型）段為靜態(tài)試驗(yàn)段，即占體材料按照設(shè)計(jì)坡度、高度、壩體寬度事先堆好。30～42 m段為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)段，即占體材料依據(jù)施工的過(guò)程安排在動(dòng)水中進(jìn)行拋投。

對(duì)于占體坡度，在靜態(tài)試驗(yàn)段（0—30 m），占體格柵土枕的平均坡度系數(shù)在3m頂寬時(shí)為1.22.在6m頂寬時(shí)為1.23，比較接近。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)段（30～ 42 m）格柵土枕直接向水中拋投，其施工位移較大，坡度較緩，平均坡度系數(shù)在3m頂寬時(shí)為1.30，在6m頂寬時(shí)為1.33。從圖5中可看出，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)段的坡度系數(shù)大于靜態(tài)試驗(yàn)段的，占體頂寬對(duì)坡度的影響不明顯。

占體施工期邊坡穩(wěn)定性受水流沖刷時(shí)間的影響較大，因此考慮在原型水流沖刷時(shí)間分別為7.5、15、30mm時(shí)量測(cè)3m寬占體的穩(wěn)定坡度.見圖6。

可見，在水流作用開始15 min內(nèi)，占體坡度系數(shù)均在1.1以內(nèi)，隨著時(shí)間的延續(xù)，占體陸續(xù)發(fā)生坍塌，坡度系數(shù)隨之增大，至30 min時(shí)坡度系數(shù)大于1.2。

對(duì)于占體的穩(wěn)定性，通過(guò)量測(cè)占體頂高程作出判斷。經(jīng)測(cè)驗(yàn)，占體經(jīng)過(guò)水流作用產(chǎn)生不同程度的沉降，因而比初始占體高程有所降低。占體頂寬3m時(shí)占體沉降較為明顯，靜態(tài)段平均為0.91 m.動(dòng)態(tài)段平均為0.88 m;頂寬6m時(shí)占體沉降較少，靜態(tài)段平均為0.31m，動(dòng)態(tài)段平均為0.52 m。靜態(tài)試驗(yàn)段，兩種頂寬的占體高程差別較大，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)段占體高程差別較小，可見，占體壩頂寬度對(duì)壩體穩(wěn)定性影響非常顯著，占體越寬其穩(wěn)定性越高，見圖7。

為了考察施工時(shí)占體的閉氣性能及占體材料走失情況，試驗(yàn)中還測(cè)量了占體壩后填土的流失或淤積量，統(tǒng)計(jì)了格柵土枕的走失量，見表7?？梢?，壩頂寬為3m的占體壩后填土流失較為明顯，而6m寬占體壩后填土有一定淤積，說(shuō)明6m寬占體的閉氣性好于3m寬占體的：3 m寬占體的材料走失量大于6m寬占體的。但是格柵土枕的占體也不宜過(guò)寬，占體寬度增加，雖然穩(wěn)定性增加，但土枕施工效率降低，也不利于壩體穩(wěn)定。

通過(guò)對(duì)占體沖刷試驗(yàn)可知.3m寬的占體穩(wěn)定性弱于6m寬的，閉氣性較差，占體的邊坡兩種工況基本一致，占體走失量都不大?？梢姡?m寬的占體在施工中效果要好于3m寬占體。當(dāng)然，對(duì)于更小的水流流速，占體壩頂寬度對(duì)施工性能的影響差別會(huì)減小。綜合考慮，建議占體寬度為6m。

4 結(jié)論

（1）在試驗(yàn)沖刷水深12.5～ 15.0 m的情況下，丁壩上跨角、壩前頭、迎水面對(duì)應(yīng)備塌體寬度為7.0～ 9.5m，在試驗(yàn)沖刷水深為9.0～ 10.7 m情況下，丁壩下跨角、背水面對(duì)應(yīng)備塌體寬度為3～5 m。

參照以往設(shè)計(jì)成果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，綜合考慮留出必要安全冗余，建議上跨角、壩前頭、迎水面等部位備塌體寬度采用9m，下跨角、背水面等部位備塌體寬度采用5m左右。

（2）在鉛絲籠：散石為6：4的工況下，備塌體護(hù)根頂寬度過(guò)窄，根石滑塌明顯;7：3、8：2比例根石也有部分下沉，但比6：4比例根石穩(wěn)定性要好。以往設(shè)計(jì)成果中根石材料比例為7：3。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，考慮到較高的鉛絲籠比例將造成護(hù)根結(jié)構(gòu)較大的孔隙率，從而影響對(duì)壩體結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果，建議根石鉛絲籠和散石比例為7：3。

（3）試驗(yàn)表明“漢堡包”層疊拋投材料的連續(xù)性相對(duì)較好，若根石發(fā)生下蟄，坡面坡度相對(duì)較均勻?！敖鸢y”分區(qū)拋投，在施工期中小水情況下根石走失量較少，穩(wěn)定性好于層疊拋投。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，綜合分析后，建議推薦使用“金包銀”分區(qū)拋投與“漢堡包”層疊拋投相結(jié)合的根石拋投方式，施工時(shí)占體寬度建議為6m。

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