流速对黄河抢险险工抛投体稳定性影响及对策

张亚坤 周彦林 梁建林

摘 要：通过对黄河险工和控导工程防汛抢险中抛投材料大量走失原因进行分析，并以铅丝石笼为研究对象，建立了抛投体在动水中的受力分析模型。在对抛投体进行受力分析的基础上，研究险工流速、水深等对抛投体稳定性的影响规律，结果表明：抛投法抢险中，险工处瞬时流速越大、水深越大，抛投体在动水中的位移就越大，稳定性就越差;增加抛投体的质量（体积），能够有效减小抛投体在动水中的位移，增强其稳定性;设计合理质量的抛投体、预留足够的抛投距离或采用链接抛投体等措施能够确保黄河防汛抢险中抛投体的稳定性。

关键词：险工;防汛抢险;铅丝石笼;稳定性;流速;水深;黄河

中图分类号：TV871.3;TV882.1   文献标志码：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

为了提高黄河下游堤防防御洪水的能力，在经常靠水的堤段有计划地修建的防护工程称为险工。根据大溜流向，为改善不利河势，有计划地进行河道整治，在滩地合适部位修建的工程称为控导工程。截至目前，黄河下游已建险工135处，控导工程219处[1]。这些工程在汛期高水位、高流速下经常出现坍塌、漫溢、渗水、漏洞、滑坡、管涌、裂缝、墩蛰等险情[2-3]，其中坍塌发生的频率最高。在抢护这类险情时，一般是人工配合机械向出险部位抛投铅丝石笼、防汛石材进行抢护，以达到“护脚抗冲、缓流挑溜”的目的。这种做法虽然使得险情得到暂时控制，但是也存在很大的盲目性，从而造成了人力、财力、物力的过多投入，且耗费了过多的抢险时间。对铅丝石笼、散石在动水中的受力进行分析，研究抛投体在水流中的运动状态，弄清楚险工处流速对抛投体稳定性的影响规律，从而有针对性地采取措施，保证险工抢险中抛投体的稳定性，对黄河险工抢险具有重要意义。本文开展流速对险工抛投体稳定性影响及对策的研究，探索流速对铅丝石笼、散石等抛投体的影响规律，提出有效的应对措施，以期为安全、高效、经济地控制险情提供参考。

1 传统抛投抢险存在的问题及原因分析

1.1 传统抛投抢险方法

对于坍塌类险情，常用抢险方法就是抛投法，如抛投块石、铅丝石笼、土袋、柳石枕、土袋枕等[2]。为了提高抢险的效率，以抛投块石、铅丝石笼居多。传统的处理方法是人工配合机械将防汛石材运输到险工地段，制作铅丝石笼，向出险部位抛投，同时辅助抛投散碎块石。块石、铅丝石笼的抛投量和抛投速度要大于坍塌险情的坍塌总量及扩大速度，提高险工和控导工程的抗冲稳定性，从而起到护脚固基的作用，稳定并控制险情。这种方法控制险情具有较大盲目性，操作起来费时、费料、费力，在抢险中铅丝石笼走失现象十分严重。

1.2 抛投体走失原因

进入动水中抛投体的运动轨迹取决于其受力状况。假定抛投材料入水后仅受到重力和水流冲击力两种作用，那么，抛投体的运动轨迹必然是受重力作用下沉的同时顺着水流方向发生水平位移。其运动状态是竖直方向自由落体和顺着水流方向运动的合成，其運动轨迹类似于平抛运动，如图1所示。

抛投体的稳定性取决于其水平位移的大小，水平位移越大，稳定性就越差，走失现象就越明显。平抛运动水平位移大小取决于运动时间和水平方向速度的大小。水深越大，水中下落的时间就越长，发生水平位移的时间就越长，水平位移就可能越大，抛投体就越容易走失;水流流速越大，产生的对抛投体的拖曳力就越大，抛投体水平方向的速度也会越大，产生的水平位移就越大，即越容易走失。可见，传统险工抛投抢险中抛投的散碎石块、铅丝石笼的大量走失现象与险工处的流速、水深密不可分。

2 影响抛投体稳定性的因素分析及对策

2.1 影响抛投体稳定性的因素

受力情况决定物体运动状态，为了明确抛投体在动水中的运动状态，需对其进行受力分析。为此，建立了如图2所示的抛投体受力分析模型（以铅丝石笼为例）。为了便于定量分析抛投体的稳定性，抛投体受力分析模型中忽略了次要影响因素，如泥沙含量、绕流、旋涡等的影响，并假定抛投体入水瞬间的初速度为零。

通过计算发现，在流速一定的情况下抛投单个铅丝石笼，铅丝石笼发生的顺着水流方向的水平位移，随着水深h的增大而不断增大。即流速v一定，水越深，铅丝石笼发生的位移sh越大，越不稳定。例如当水深为30 m时，单个铅丝石笼入水后发生的位移为16.94 m。所以，在动水中采用抛投法抢险时，为了避免抛投体的走失，水深h是一个必须考虑的重要因素。

2.2 抛投体在动水中的极限抗冲流速

抛投体的设计尺寸不仅要满足下落过程中的稳定性要求，还要满足落底后的稳定性要求，设计的抛投体的质量（体积）应取二者的最大值。为了确保抛投体沉入水底后的稳定性，必须根据抛投体在水中的起动流速进行质量（体积）验算。在我国江河截流中，抛投体尺寸的确定普遍采用两种方法：一种是模型试验法，另一种是采用式（9）进行计算[8-9]。

2.3 增强抢险抛投体稳定性的对策

从以上分析可知，导致抛投体走失的关键因素是险工处的水流流速v和险工处的水深h。为了确保抛投材料达到出险部位的坝基，切实起到固脚护基的作用，有两种方法：一种是增大抛投体的质量（体积）;另一种是采取合理有效的措施约束抛投材料。

2.3.1 增大抛投体的质量（体积）

汛期黄河下游实测平均流速为2.0 m/s左右，根据式（8）可以计算出瞬时最大流速为2.5 m/s。选取瞬时流速v=2.5 m/s为计算流速，假定险工水深为20 m，计算不同体积抛投材料在动水中的位移（见表4），进而给出增强抛投材料稳定性的对策。根据表4计算结果可知，增大抛投体的体积能够起到提高其稳定性的效果。

2.3.2 预留抛投距离

抛投体在水流中顺着水流方向的水平位移为sh。抛投物料前，先根据实测险工处流速v和水深h，估算出抛投材料可能在水中发生的位移大小|sh|。抛投物料时，可以考虑将抛投点（入水点）选择在逆着来流方向距离预定加固点|sp|的地方（向量sp应能够满足向量表达式sp+sh=O），从而抵消抛投体进入水流后发生的位移，保证抛投体达到预定加固位置，起到加固出险部位的作用。

2.3.3 采用链接抛投体

单个铅丝石笼的体积在一般在0.6～0.8 m3之间，质量在1.5～2.0 t之间，汛期黄河下游的平均流速为2.0 m/s左右，瞬时流速高达2.5 m/s。假定险工处水深20 m，根据表4可知，单个0.8 m3的铅丝石笼入水后顺着水流发生11.29 m的位移，相当不稳定。这种情况下，仅靠抛投单个铅丝石笼很难取得抢险的成功，更谈不上抢险的高效性和经济性。采用铅丝石笼链接技术不仅能够得到质量（体积）更大的抛投体，而且抛投体通过铰链相互牵引、相互摩擦的作用，能够消耗大部分能量，从而保证抛投体在动水中的稳定性。常用的多个铅丝石笼之间的链接技术包括链式铅丝石笼体系、桩式铅丝石笼体系和摩擦型铅丝石笼体系三种。

（1）链式铅丝石笼体系。将两个或两个以上的铅丝石笼通过铰链链接在一起，形成总质量（体积）更大的铅丝石笼体系。例如将8个体积为0.8 m3的铅丝石笼链接在一起形成铅丝石笼体系，利用机械将该体系推入险工出险部位，流速2.0 m/s时在深度为20 m的水中发生的位移仅为4.80 m，相对于抛投的工作面来说，已经具有足够的稳定性。采用链式铅丝石笼体系，往往需要大型抛投机械，成本较高。

（2）桩式铅丝石笼体系。通过绳索将铅丝石笼或体系链接到抢险作业面以外的木桩上，如图3所示，利用牵引绳索的拉力来控制抛入水中铅丝石笼的位移、运动轨迹，保证抛投体到达出险部位，达到加固险工、控制险情的目的。采用桩式铅丝石笼体系抛投时，一定要注意作业区内工作人员的安全。

（3）摩擦型铅丝石笼体系。该体系类似于桩式铅丝石笼体系，如图4所示，所不同的是在抢险作业面以外采用起摩擦耗能作用的铅丝石笼代替打桩。先抛入的铅丝石笼通过绳索拉动摩擦铅丝石笼，利用摩擦铅丝石笼与险工地面的摩擦力做功来消耗水中铅丝石笼的大部分能量，最后连同摩擦铅丝石笼一起到达出险部位。

3 结 论

通过建立铅丝石笼在动水中的受力分析模型，分析了黄河险工传统防汛抢险中抛投体存在的稳定性不足的问题及其原因，并针对目前抛投抢险中存在的问题，提出了应对措施。

（1）险工处流速v、水深h是影响抛投材料稳定性的关键因素，随着险工处流速v的增大和出险部位水深h的增大，抛投材料的水平位移不断增大，稳定性变差，很容易发生抛投体走失的现象。

（2）实际抢险中，可通过实测险工处的流速v、水深h，计算得到抛投体在水流中的位移，在此基础上设计出质量（体积）能够满足稳定性要求的抛投体，就能避免抛投体的走失，从而确保抛投材料到达拟加固的根基，起到固腳护基的作用。

（3）如果条件限制，不能抛投足够质量（体积）的材料，或者尺寸增加会造成抢险成本过高，可以采用约束抛投材料的办法进行抛投，如采用打桩牵引铅丝石笼、铰链链接铅丝石笼等技术，达到控制险工险情的目的。

本文在建立抛投材料水中受力分析模型时，仅仅针对影响抛投材料稳定性的主要因素进行分析，而对于水流泥沙含量、绕流等因素对抛投材料稳定性的影响，有待进一步开展相关研究。

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【责任编辑 许立新】