火箭锚钢网石笼溃口堵复技术及模型试验研究

王立新

（辽宁喀左县水利局，辽宁 朝阳122300）

1 技术原理

1.1 设计思路

受气候因素的影响，我国汛期洪涝灾害十分严重，特别是堤坝溃口对当地群众的生命财产安全造成严重威胁[1]。虽然我国在理论研究和抗洪抢险实践中积累了丰富的堤坝溃口堵复技术[2]，但是面对落差大、流速高的大江大河干流溃口，现有的技术仍旧难以迅速堵复。上述溃口不能迅速堵复的主要原因是向溃口中抛投的物体难以迅速生根和扩散[3]。基于此，此次研究基于河工临河火箭推进技术，利用向溃口的关键部位释放带索火箭锚，利用火箭的机动性、超强推力和钻地功能，构建火箭阵列锚，实现钢网石笼联合体的多通道快速投送，进而开发出快速、高效的江河溃口堵口技术。

1.2 工作原理

按照技术思路，火箭锚钢网石笼溃口堵复技术的基本流程如下：

1）在江河溃口发生之后，要借助无人机和卫星等现代科技，调查获取溃口的精确参数[4]，通过对上述参数的分析和研判，确定是否采用提出的新技术进行堵复；

2）向溃口的预设部位发射火箭锚，当锚体钻进至预设深度时，锚爪张开“生根”于河底，将锚索与堤岸上的固结点连接牢固，从而构建起多路并行的坚固滑投通道，其工作示意图如图1 所示；

3）利用上一步构建的多通路快速滑投通道，进行预制钢网石笼的快速滑投作业，通过石笼群以及火箭锚索的相互作用，快速建立起溃口堵复的支撑点，同时投入长管袋来抵御大洪水冲刷堤防附近的河床，加速溃口堵复作业进程，其工作示意图如图2 所示。

图1 火箭锚发射示意图

图2 石笼投送作业示意图

2 模型试验设计

2.1 模型制作

为了验证溃口堵复新技术的有效性，以某溃口资料为依据在室内建立物理模型[5]。模型的几何比尺为1∶50；流速比尺为7.0；流量比尺为17 600；时间比尺为7.0；糙率比尺为2.0。溃口的形状为近似的倒等腰梯形形状，顶宽和底宽分别为120 cm和72 cm，溃口上下游的断头堤长度均为300 cm，溃口下游的滩涂区长300 cm，宽度为650 cm，设计最大流量为110 L/s，最大流速为1.13 m/s。为了准确模拟大堤外各种物体的雍水作用，模型设计了宽1 m的排水口雍水闸门以及宽4 m的尾水口和尾水闸门[6]。具体的模型布置示意图如图3所示。

图3 物理模型示意图

2.2 数据监测

试验过程中需要进行流量、流场以及水位的测量和监测[7]。其中，流量的监测采用E-mag 电磁流量计，并利用无线Wi-Fi 实现流量的远程实时监控和数据记录；流场实时监控由摄像输入系统承担，在溃口的上游和下游分别布设一套系统；在模型的河道与堤外的滩涂区分别布置一套水位测针系统进行水位监测，精度为0.1 mm。

2.3 试验材料

钢网石笼具有透水性好、稳定性强、取材制作方便的优势，是干流河道大中型溃口堵口中最常用的物料[8]。因此，文章研究选择钢网石笼和长管袋为主要堵口材料，其具体规格参数如表1 所示。长管袋原型的长、宽、高分别为8，4，2 m，容重为1.6 kg/m3。试验中按照1∶50 的比尺进行钢网石笼模型的制作，并选择粒径为4～6 mm 的砾石作为填充料。

表1 试验原型石笼的规格参数

2.4 试验过程

在模型溃口上游的底板部位打入若干个钢制铆钉，以模拟锚索的固定节点位置，用尼龙线代替锚索滑投模型石笼。在试验开始之前，首先测量和记录溃口的流速、水深、流量等基本参数。在堵口过程中每间隔2 min 向溃口中抛投一定数量的物料，并记录下相应的参数，当溃口流量为0 时，试验结束。

2.5 试验工况

为了验证不同特征溃口下堵口技术的有效性，设计了急流和缓流两种试验工况，其具体的参数设计如表2 所示。

表2 试验工况设计

3 试验结果与分析

3.1 水流参数试验结果分析

对试验过程中不同试验时段的水流参数进行整理，结果如表3 所示。表3 中个别的溃口流量为负，原因可能是分流量的计算误差导致的。以表3中的数据为基础，对两种工况下试验时间和水位差、溃口水深以及溃口流速之间的关系进行拟合分析，获得如图4 和图5 所示的拟合曲线。由图4（a）可知，在工况1 条件下，溃口流速随着堵口时间的推移，呈现出先迅速降低，再缓慢升高，最后又迅速降低的态势，在第15 min 时，溃口流速已经降低至0.4 m/s；在堵口过程中，溃口内外水位差随着堵口时间的推移，呈现出逐渐增大后逐渐趋于稳定的特征，最后在8.8 cm 左右稳定下来，说明溃口封堵在第15 min 基本完成。由图4（b）可知，工况2 条件下的溃口流速和溃口内外水位差的变化规律与工况1 类似。由图5 可知，随着堵口时间的推移，溃口外侧水深呈现出先缓慢减小后迅速降低的趋势。同时，在溃口封堵完毕之后，该侧积水并不会在短期内排干，因此会在特定水位高度维持一段时间。总体而言，虽然工况2 条件下的溃口封堵历时较长，但是相对于传统的堵口技术，封堵时间有明显缩短。

表3 模型试验水流参数统计表

3.2 材料使用试验结果

对试验过程中的相关数据进行整理，结果如表4 所示。由表4 中的结果可知，堵口所需要的各种物料的总量随着堵口时间的推移而不断增加。当然，石笼并不都是通过锚索滑投，而是在通过锚索滑投了一定数量之后，需要以这些石笼形成的支撑点在上游侧自由抛投各种物料，最终实现溃口的完全封堵。当然，自由抛投的物料会由于水流作用造成损失。具体而言，在工况C-1 的急流状态下，4，6，9 t 石笼以及长管袋损失的个数分别为1 个、1 个、18 个和5 个，损失率分别为0.97%，0.98%，9.55%和1.92%，综合损失率为3.73%；在工况2 的缓流条件下，4 ，6，9 t 石笼以及长管袋损失的个数分别为2 个、1 个、13 个和4 个，损失率分别为1.89%，0.99%，7.03%和1.54%，综合损失率为3.07%。由此可见，缓流条件下的物料损失率较低，同时两种试验工况下的物料损失全部为自由抛投而被水流冲走的物料。与传统的堵口技术方案下大量抛投物料被冲向下游的情况相比，文章提出的堵口技术下的物料损失率大幅降低，说明该技术具有显著的效果和可靠性。

图4 堵口时间与溃口流速和水位差拟合曲线

图5 堵口时间和下游水深拟合曲线

4 结语

此次研究针对当前大江大河溃口封堵过程中存在的技术问题，提出了火箭锚钢网石笼溃口堵复技术，并进行了相应的模型试验研究。结果显示，采用该技术进行高落差、大流量溃口封堵，可以大幅降低物料损失，缩短封堵时间，具有重要的实际应用和推广价值。但是，受到诸多研究因素的影响，研究中没有对石笼的规格进行较多设计，对锚索本身的材料特征也没有进行详细的分析。在今后的研究中，需要在上述方面进行更多的研究和分析，以便为技术的推广应用提供更多的理论支持和技术指导。

表34 模型试验物料使用情况统计表