黃河青石段河道整治工程典型壩垛模型試驗

岳志春 周躍華 馬曉陽 張羽華

摘要：以實際地形、地貌及河道演變為基礎，開展了黃河寧夏青石段河道整治工程典型壩垛模型試驗，通過不同材料比例對根石備塌體、占體寬度等參數對比分析，結合以往設計成果進行分析，結果表明：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，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;在同一流量級下，鉛絲籠與散石比例為7：3時壩體抗沖穩定性更為理想;施工工藝中結合現場實際應采用“金包銀”分區拋投與“漢堡包”層疊拋投相結合的根石拋投方式，施工時占體寬度宜為6m。

關鍵詞：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：TV85;TV882.1

文獻標志碼：A

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

黃河寧夏段自中衛市南長灘入境，至石嘴山市惠農區頭道坎出境，穿越中衛、吳忠、銀川、石嘴山四市，全長397 km，由峽谷段、庫區段和平原段三部分組成，平原段分為衛寧（中衛一中寧）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，以下為砂質河床。近年來，隨著上游大型水利工程的建設運行，寧夏河段水沙條件發生了一定的改變，原有的部分河道工程的控導、防護效果減弱，造成部分工程常年不靠河、失去對水流的控導作用。寧夏黃河工程規劃一直參考黃河下游工程規劃經驗，采用微彎整治與就岸防護相結合的治理方案[1].工程設計參數也參考黃河下游河道整治工程的設計經驗[2].青石段丁壩備塌體寬度取6m。工程施工進占材料，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，工程設計參數的合理性還缺乏必要的技術支撐。為此，筆者開展了典型壩垛模型試驗，以期為工程設計提供更佳的設計參數，提高河道工程的安全性和工程適應性。

1 模型設計

針對黃河寧夏青石段河道整治工程結構，以青石段邵家橋河段為典型，開展動床正態水工試驗。試驗水槽尺寸：長30 m、寬2.5 m、高0.8 m，試驗水槽布置見圖1。

按照寧夏防洪工程以往設計成果[5]，散拋石直徑單個塊體抗沖計算粒徑為0.25～0.45 m，質量不小于30 kg。考慮到壩頭散拋石裹護塊體較大及拋石方量的準確換算，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，按照比尺計算，模型石料粒徑為4.2～ 7.5 mm細石。模型床沙根據青石段（邵家橋工程段）床沙級配實測結果[6]，原型床沙中值粒徑d50約為0.24 mm。采用床沙級配為d5= 0.08 mm，d50= 0.24 mm，d95= 0.5 mm。由于河床質較細，結合以往黃河治理相關資料成果[7]，本次采用沙玉清起動流速公式：

根據平羅河段床沙級配實測結果[6]，可得原型床沙中值粒徑d50約為0.24 mm。經比選，采用d50=0.048 mm的粉煤灰作為模型床沙。為滿足試驗精度要求，根據模型相似條件及原型有關資料進行模型比尺計算，模型主要比尺見表3。

2 模型的率定

為進一步檢驗模型設計的可靠性，對模型進行率定。以1/20洪水流量[青石段單寬流量16.24 m/（s·m）]對水槽放水，調整尾門控制水面比降約為0.02%，此時模型水深約為5.8 cm，30 min后正式開始試驗。試驗過程中每10 min測量一次水深，直至沖刷水深基本穩定為止，總試驗歷時為300 min。

（1）據水槽測定的水力要素計算出水槽模型的綜合糙率，青石河段為0.010～ 0.012。根據已收集的青銅峽、石嘴山河段水文測驗資料分析[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。應用曼寧公式求得糙率系數比尺為1.98。根據率定結果，可知實際模型糙率與理論值相差較小，可控制在10%以內。

（2）進出口流速平面分布較平順，滿足模型試驗進流和出流條件，見圖2。

（3）根據模型水槽實測流速和斷面幾何尺寸計算的流量值與設計流量值相比，相對誤差在5%以內。

（4）模型縱向、橫向水面線與原型一致，模型壩前水流流態與原型一致。

根據預備試驗，放水的前2h內，壩前沖刷發展很快，隨著試驗歷時增加，沖刷深度與沖刷坑尺度變化減慢，3h時已趨于穩定。根據以往原型觀測經驗，修筑于黃河細沙河床上的丁壩，其沖坑穩定所需要的時間并不多。模型原型局部沖刷歷時相似度較高。結合流速、水面線等觀測，本試驗每個組次的沖刷歷時均達4h（相當于青石段原型31 h），可以確保沖刷坑達到極限沖刷狀態，見圖3、圖4。

3 試驗結果

3.1 適宜備塌體寬度

目前，根據以往設計成果和寧夏治河工程建設實際[9]，青石段河道整治工程備塌體寬度一般為6～9 m。為進一步驗證備塌體合理寬度，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，根據原型對應流量設計模型控制單寬流量，見表4。

通過對根石形態的觀測研究，發現試驗中備塌體寬度為6m時，在洪水流量為5 620 m/s的條件下，根石臺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，說明備塌體寬度為6m時，在洪水條件下出現快速滑塌破壞的幾率較大，根石防護較為薄弱。另外，備塌體寬度為6m時，洪水后護根頂寬度過窄，上跨角等主要迎流部位護根頂寬度小于3m.該寬度的備塌體穩定性不足。

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

綜合考慮工程結構、施工、經濟性等因素，提出一般備塌體寬度為6m。現場查勘情況表明，多數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時出險頻率較高，宜選用9m寬度，而12 m寬度根石加強效率較低，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

為分析驗證丁壩護根水中進占施工方案，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的來流條件的技術參數，考慮根石材料比例分別為7：3、8：2、6：4三種工況，根石結構厚度均為4.2m，根石結構備塌體寬度為6m。根據原型對應流量設計模型控制單寬流量，見表5。為研究洪水后長歷時小水對根石的作用，選用夾角600來流條件，以洪水后地形及丁壩根石為邊界條件，施放對應流量500 m/s的單寬流量4.94 m/（s·m）。

試驗表明，根石比例為6：4時，根石的下沉滑塌較為嚴重，主要發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比例根石穩定性要好。對于工程非靠溜部位，鉛絲籠材料的占比可適當降低，以節省成本。

通過對根石形態的觀測，可見隨著鉛絲籠含量的增加，坡度系數有一定程度減小，護根頂寬度相應增加，根石的穩定性得到提高。在同一流量級下，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、散拋石拋投層數基本一致的條件下，根石材料比例為7：3較為適宜，同時建議采用“金包銀”分區拋投與“漢堡包”層疊拋投相結合的根石拋投方式[10]。

3.3 適宜進占寬度

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

試驗占體壩分為兩個試驗段.0～30 m（原型）段為靜態試驗段，即占體材料按照設計坡度、高度、壩體寬度事先堆好。30～42 m段為動態試驗段，即占體材料依據施工的過程安排在動水中進行拋投。

對于占體坡度，在靜態試驗段（0—30 m），占體格柵土枕的平均坡度系數在3m頂寬時為1.22.在6m頂寬時為1.23，比較接近。動態試驗段（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，平均坡度系數在3m頂寬時為1.30，在6m頂寬時為1.33。從圖5中可看出，動態試驗段的坡度系數大于靜態試驗段的，占體頂寬對坡度的影響不明顯。

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

可見，在水流作用開始15 min內，占體坡度系數均在1.1以內，隨著時間的延續，占體陸續發生坍塌，坡度系數隨之增大，至30 min時坡度系數大于1.2。

對于占體的穩定性，通過量測占體頂高程作出判斷。經測驗，占體經過水流作用產生不同程度的沉降，因而比初始占體高程有所降低。占體頂寬3m時占體沉降較為明顯，靜態段平均為0.91 m.動態段平均為0.88 m;頂寬6m時占體沉降較少，靜態段平均為0.31m，動態段平均為0.52 m。靜態試驗段，兩種頂寬的占體高程差別較大，動態試驗段占體高程差別較小，可見，占體壩頂寬度對壩體穩定性影響非常顯著，占體越寬其穩定性越高，見圖7。

為了考察施工時占體的閉氣性能及占體材料走失情況，試驗中還測量了占體壩后填土的流失或淤積量，統計了格柵土枕的走失量，見表7。可見，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寬，占體寬度增加，雖然穩定性增加，但土枕施工效率降低，也不利于壩體穩定。

通過對占體沖刷試驗可知.3m寬的占體穩定性弱于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。可見，6m寬的占體在施工中效果要好于3m寬占體。當然，對于更小的水流流速，占體壩頂寬度對施工性能的影響差別會減小。綜合考慮，建議占體寬度為6m。

4 結論

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

參照以往設計成果，結合現場實際，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，備塌體護根頂寬度過窄，根石滑塌明顯;7：3、8：2比例根石也有部分下沉，但比6：4比例根石穩定性要好。以往設計成果中根石材料比例為7：3。結合現場實際，考慮到較高的鉛絲籠比例將造成護根結構較大的孔隙率，從而影響對壩體結構的防護效果，建議根石鉛絲籠和散石比例為7：3。

（3）試驗表明“漢堡包”層疊拋投材料的連續性相對較好，若根石發生下蟄，坡面坡度相對較均勻。“金包銀”分區拋投，在施工期中小水情況下根石走失量較少，穩定性好于層疊拋投。結合現場實際，綜合分析后，建議推薦使用“金包銀”分區拋投與“漢堡包”層疊拋投相結合的根石拋投方式，施工時占體寬度建議為6m。

參考文獻：

[1] 馬曉陽，岳志春，黃河寧夏段河道治理存在的問題與對策[J].寧夏工程技術，2014，13（4）：366-369.

[2] 柴青春，張波，趙彥彥，黃河下游河道整治續建工程壩垛型式設計[J].人民黃河，2014，36（12）：50-52.

[3]李煒，水力計算手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2006：15 - 20.

[4] 黃河水利科學研究院，黃河寧夏段河道整治工程關鍵技術研究[R].鄭州：黃河水利科學研究院，2017：18 - 22.

[5] 黃河勘測規劃設計有限公司，黃河寧夏河段二期防洪可行性研究報告[R].鄭州：黃河勘測規劃設計有限公司，2013：266-207.

[6]岳志春，黃河寧夏段河床質對河勢變化的影響[J].人民黃河，2016，38（9）：34-37.

[7]趙蘇磊，馬睿，泥沙起動流速公式在天然河流中的驗證[J].人民黃河，2012，34（2）：42-46.

[8]岳志春，馬曉陽，基于2012年洪水后黃河寧夏段河道水面線的合理確定[J].泥沙研究，2016（1）：36-39.

[9]包家全，董強，壬輝，黃河河道整治工程根石走失原因及防護措施[J].人民黃河，2003，25（ 11）：17-18.

[10] 胡一三，劉貴芝，李勇，等，黃河高村至陶城鋪河段河道整治[M].鄭州：黃河水利出版社，2006：45-50.