黄河青石段河道整治工程典型坝垛模型试验

岳志春 周跃华 马晓阳 张羽华

摘要：以实际地形、地貌及河道演变为基础，开展了黄河宁夏青石段河道整治工程典型坝垛模型试验，通过不同材料比例对根石备塌体、占体宽度等参数对比分析，结合以往设计成果进行分析，结果表明：青石段丁坝上跨角、坝前头、迎水面等部位，在考虑必要的安全冗余时，备塌体宽度宜取9m，下跨角、背水面等部位备塌体宽度为5m左右;在同一流量级下，铅丝笼与散石比例为7：3时坝体抗冲稳定性更为理想;施工工艺中结合现场实际应采用“金包银”分区抛投与“汉堡包”层叠抛投相结合的根石抛投方式，施工时占体宽度宜为6m。

关键词：河道整治工程;根石;备塌体;占体;黄河宁夏青石段

中图分类号：TV85;TV882.1

文献标志码：A

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

黄河宁夏段自中卫市南长滩入境，至石嘴山市惠农区头道坎出境，穿越中卫、吴忠、银川、石嘴山四市，全长397 km，由峡谷段、库区段和平原段三部分组成，平原段分为卫宁（中卫一中宁）段和青石（青铜峡一石嘴山）段，以仁存渡为界，仁存渡以上为砂卵石河床，以下为砂质河床。近年来，随着上游大型水利工程的建设运行，宁夏河段水沙条件发生了一定的改变，原有的部分河道工程的控导、防护效果减弱，造成部分工程常年不靠河、失去对水流的控导作用。宁夏黄河工程规划一直参考黄河下游工程规划经验，采用微弯整治与就岸防护相结合的治理方案[1].工程设计参数也参考黄河下游河道整治工程的设计经验[2].青石段丁坝备塌体宽度取6m。工程施工进占材料，仁存渡以上主要采用块石混合料，仁存渡以下为格栅土枕，宽度为6m.铅丝笼与散抛石比例为7：3或者3：1。考虑到黄河宁夏段与黄河下游的河型、水沙、河床边界条件有较大差别，工程设计参数的合理性还缺乏必要的技术支撑。为此，笔者开展了典型坝垛模型试验，以期为工程设计提供更佳的设计参数，提高河道工程的安全性和工程适应性。

1 模型设计

针对黄河宁夏青石段河道整治工程结构，以青石段邵家桥河段为典型，开展动床正态水工试验。试验水槽尺寸：长30 m、宽2.5 m、高0.8 m，试验水槽布置见图1。

按照宁夏防洪工程以往设计成果[5]，散抛石直径单个块体抗冲计算粒径为0.25～0.45 m，质量不小于30 kg。考虑到坝头散抛石裹护块体较大及抛石方量的准确换算，本模型拟采用与原型坝体材料容重接近的碎石子。石料采用沙莫夫起动流速公式[3]：

综合以上分析，原型粒径0.25～ 0.45 m的石料，按照比尺计算，模型石料粒径为4.2～ 7.5 mm细石。模型床沙根据青石段（邵家桥工程段）床沙级配实测结果[6]，原型床沙中值粒径d50约为0.24 mm。采用床沙级配为d5= 0.08 mm，d50= 0.24 mm，d95= 0.5 mm。由于河床质较细，结合以往黄河治理相关资料成果[7]，本次采用沙玉清起动流速公式：

根据平罗河段床沙级配实测结果[6]，可得原型床沙中值粒径d50约为0.24 mm。经比选，采用d50=0.048 mm的粉煤灰作为模型床沙。为满足试验精度要求，根据模型相似条件及原型有关资料进行模型比尺计算，模型主要比尺见表3。

2 模型的率定

为进一步检验模型设计的可靠性，对模型进行率定。以1/20洪水流量[青石段单宽流量16.24 m/（s·m）]对水槽放水，调整尾门控制水面比降约为0.02%，此时模型水深约为5.8 cm，30 min后正式开始试验。试验过程中每10 min测量一次水深，直至冲刷水深基本稳定为止，总试验历时为300 min。

（1）据水槽测定的水力要素计算出水槽模型的综合糙率，青石河段为0.010～ 0.012。根据已收集的青铜峡、石嘴山河段水文测验资料分析[8]，石嘴山枯水期的河床糙率一般为0.019～ 0.220.青铜峡枯水期河床糙率一般为0.020～ 0.026。应用曼宁公式求得糙率系数比尺为1.98。根据率定结果，可知实际模型糙率与理论值相差较小，可控制在10%以内。

（2）进出口流速平面分布较平顺，满足模型试验进流和出流条件，见图2。

（3）根據模型水槽实测流速和断面几何尺寸计算的流量值与设计流量值相比，相对误差在5%以内。

（4）模型纵向、横向水面线与原型一致，模型坝前水流流态与原型一致。

根据预备试验，放水的前2h内，坝前冲刷发展很快，随着试验历时增加，冲刷深度与冲刷坑尺度变化减慢，3h时已趋于稳定。根据以往原型观测经验，修筑于黄河细沙河床上的丁坝，其冲坑稳定所需要的时间并不多。模型原型局部冲刷历时相似度较高。结合流速、水面线等观测，本试验每个组次的冲刷历时均达4h（相当于青石段原型31 h），可以确保冲刷坑达到极限冲刷状态，见图3、图4。

3 试验结果

3.1 适宜备塌体宽度

目前，根据以往设计成果和宁夏治河工程建设实际[9]，青石段河道整治工程备塌体宽度一般为6～9 m。为进一步验证备塌体合理宽度，本次选取备塌体宽度为6、9、12 m三种工况，备塌体初始厚度均为2m，根石材料比例（铅丝笼：散抛石）为7：3，根据原型对应流量设计模型控制单宽流量，见表4。

通过对根石形态的观测研究，发现试验中备塌体宽度为6m时，在洪水流量为5 620 m/s的条件下，根石台高程较初始高程下降较多，特别是上跨角及迎水面根石明显下沉，说明备塌体宽度为6m时，在洪水条件下出现快速滑塌破坏的几率较大，根石防护较为薄弱。另外，备塌体宽度为6m时，洪水后护根顶宽度过窄，上跨角等主要迎流部位护根顶宽度小于3m.该宽度的备塌体稳定性不足。

随备塌体宽度增加，洪水后护根顶宽度明显增加。备塌体宽度从6m增至9m.护根顶宽增幅较大，而从9m增加至12 m.护根顶宽的增幅较小，说明备塌体宽度增加对提高保护坝体的效率在降低。

综合考虑工程结构、施工、经济性等因素，提出一般备塌体宽度为6m。现场查勘情况表明，多数新建工程的备塌体宽度都能满足，但有些靠大溜、初始根石较浅的工程，保留备塌体宽度只有3～4 m。综合以上因素，青石段丁坝主要迎流部位备塌体宽度为6m时出险频率较高，宜选用9m宽度，而12 m宽度根石加强效率较低，根石走失量偏大，不宜采用，下跨角及背水面等部位备塌体宽度以5m为宜。

3.2 适宜根石材料比例及施工工艺

为分析验证丁坝护根水中进占施工方案，不同根石材料比例以及丁坝轴线与水流方向夹角分别为300、600的来流条件的技术参数，考虑根石材料比例分别为7：3、8：2、6：4三种工况，根石结构厚度均为4.2m，根石结构备塌体宽度为6m。根据原型对应流量设计模型控制单宽流量，见表5。为研究洪水后长历时小水对根石的作用，选用夹角600来流条件，以洪水后地形及丁坝根石为边界条件，施放对应流量500 m/s的单宽流量4.94 m/（s·m）。

试验表明，根石比例为6：4时，根石的下沉滑塌较为严重，主要发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比例根石稳定性要好。对于工程非靠溜部位，铅丝笼材料的占比可适当降低，以节省成本。

通过对根石形态的观测，可见随着铅丝笼含量的增加，坡度系数有一定程度减小，护根顶宽度相应增加，根石的稳定性得到提高。在同一流量级下，随着铅丝笼比例升高，根石走失量变小，走失率也变小。根石比例8：2虽然稳定性更好，但根石材料的空隙率显著增加，使丁坝土体更易淘刷损失，因此并非铅丝笼比例越高越好。在铅丝笼、散抛石抛投层数基本一致的条件下，根石材料比例为7：3较为适宜，同时建议采用“金包银”分区抛投与“汉堡包”层叠抛投相结合的根石抛投方式[10]。

3.3 适宜进占宽度

开展占体动床试验，分析占体坝顶宽度对施工的影响，初始边界条件、水流条件等见表6。

试验占体坝分为两个试验段.0～30 m（原型）段为静态试验段，即占体材料按照设计坡度、高度、坝体宽度事先堆好。30～42 m段为动态试验段，即占体材料依据施工的过程安排在动水中进行抛投。

对于占体坡度，在静态试验段（0—30 m），占体格栅土枕的平均坡度系数在3m顶宽时为1.22.在6m顶宽时为1.23，比较接近。动态试验段（30～ 42 m）格栅土枕直接向水中抛投，其施工位移较大，坡度较缓，平均坡度系数在3m顶宽时为1.30，在6m顶宽时为1.33。从图5中可看出，动态试验段的坡度系数大于静态试验段的，占体顶宽对坡度的影响不明显。

占体施工期边坡稳定性受水流冲刷时间的影响较大，因此考虑在原型水流冲刷时间分别为7.5、15、30mm时量测3m宽占体的稳定坡度.见图6。

可见，在水流作用开始15 min内，占体坡度系数均在1.1以内，随着时间的延续，占体陆续发生坍塌，坡度系数随之增大，至30 min时坡度系数大于1.2。

对于占体的稳定性，通过量测占体顶高程作出判断。经测验，占体经过水流作用产生不同程度的沉降，因而比初始占体高程有所降低。占体顶宽3m时占体沉降较为明显，静态段平均为0.91 m.动态段平均为0.88 m;顶宽6m时占体沉降较少，静态段平均为0.31m，动态段平均为0.52 m。静态试验段，两种顶宽的占体高程差别较大，动态试验段占体高程差别较小，可见，占体坝顶宽度对坝体稳定性影响非常显著，占体越宽其稳定性越高，见图7。

为了考察施工时占体的闭气性能及占体材料走失情况，试验中还测量了占体坝后填土的流失或淤积量，统计了格栅土枕的走失量，见表7。可见，坝顶宽为3m的占体坝后填土流失较为明显，而6m宽占体坝后填土有一定淤积，说明6m宽占体的闭气性好于3m宽占体的：3 m宽占体的材料走失量大于6m宽占体的。但是格栅土枕的占体也不宜过宽，占体宽度增加，虽然稳定性增加，但土枕施工效率降低，也不利于坝体稳定。

通过对占体冲刷试验可知.3m宽的占体稳定性弱于6m宽的，闭气性较差，占体的边坡两种工况基本一致，占体走失量都不大。可见，6m宽的占体在施工中效果要好于3m宽占体。当然，对于更小的水流流速，占体坝顶宽度对施工性能的影响差别会减小。综合考虑，建议占体宽度为6m。

4 结论

（1）在试验冲刷水深12.5～ 15.0 m的情况下，丁坝上跨角、坝前头、迎水面对应备塌体宽度为7.0～ 9.5m，在试验冲刷水深为9.0～ 10.7 m情况下，丁坝下跨角、背水面对应备塌体宽度为3～5 m。

参照以往设计成果，结合现场实际，综合考虑留出必要安全冗余，建议上跨角、坝前头、迎水面等部位备塌体宽度采用9m，下跨角、背水面等部位备塌体宽度采用5m左右。

（2）在铅丝笼：散石为6：4的工况下，备塌体护根顶宽度过窄，根石滑塌明显;7：3、8：2比例根石也有部分下沉，但比6：4比例根石稳定性要好。以往设计成果中根石材料比例为7：3。結合现场实际，考虑到较高的铅丝笼比例将造成护根结构较大的孔隙率，从而影响对坝体结构的防护效果，建议根石铅丝笼和散石比例为7：3。

（3）试验表明“汉堡包”层叠抛投材料的连续性相对较好，若根石发生下蛰，坡面坡度相对较均匀。“金包银”分区抛投，在施工期中小水情况下根石走失量较少，稳定性好于层叠抛投。结合现场实际，综合分析后，建议推荐使用“金包银”分区抛投与“汉堡包”层叠抛投相结合的根石抛投方式，施工时占体宽度建议为6m。

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