火箭錨鋼網(wǎng)石籠潰口堵復(fù)技術(shù)及模型試驗(yàn)研究

王立新

（遼寧喀左縣水利局，遼寧 朝陽122300）

1 技術(shù)原理

1.1 設(shè)計(jì)思路

受氣候因素的影響，我國汛期洪澇災(zāi)害十分嚴(yán)重，特別是堤壩潰口對當(dāng)?shù)厝罕姷纳?cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅[1]。雖然我國在理論研究和抗洪搶險(xiǎn)實(shí)踐中積累了豐富的堤壩潰口堵復(fù)技術(shù)[2]，但是面對落差大、流速高的大江大河干流潰口，現(xiàn)有的技術(shù)仍舊難以迅速堵復(fù)。上述潰口不能迅速堵復(fù)的主要原因是向潰口中拋投的物體難以迅速生根和擴(kuò)散[3]。基于此，此次研究基于河工臨河火箭推進(jìn)技術(shù)，利用向潰口的關(guān)鍵部位釋放帶索火箭錨，利用火箭的機(jī)動性、超強(qiáng)推力和鉆地功能，構(gòu)建火箭陣列錨，實(shí)現(xiàn)鋼網(wǎng)石籠聯(lián)合體的多通道快速投送，進(jìn)而開發(fā)出快速、高效的江河潰口堵口技術(shù)。

1.2 工作原理

按照技術(shù)思路，火箭錨鋼網(wǎng)石籠潰口堵復(fù)技術(shù)的基本流程如下：

1）在江河潰口發(fā)生之后，要借助無人機(jī)和衛(wèi)星等現(xiàn)代科技，調(diào)查獲取潰口的精確參數(shù)[4]，通過對上述參數(shù)的分析和研判，確定是否采用提出的新技術(shù)進(jìn)行堵復(fù)；

2）向潰口的預(yù)設(shè)部位發(fā)射火箭錨，當(dāng)錨體鉆進(jìn)至預(yù)設(shè)深度時(shí)，錨爪張開“生根”于河底，將錨索與堤岸上的固結(jié)點(diǎn)連接牢固，從而構(gòu)建起多路并行的堅(jiān)固滑投通道，其工作示意圖如圖1 所示；

3）利用上一步構(gòu)建的多通路快速滑投通道，進(jìn)行預(yù)制鋼網(wǎng)石籠的快速滑投作業(yè)，通過石籠群以及火箭錨索的相互作用，快速建立起潰口堵復(fù)的支撐點(diǎn)，同時(shí)投入長管袋來抵御大洪水沖刷堤防附近的河床，加速潰口堵復(fù)作業(yè)進(jìn)程，其工作示意圖如圖2 所示。

圖1 火箭錨發(fā)射示意圖

圖2 石籠投送作業(yè)示意圖

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型制作

為了驗(yàn)證潰口堵復(fù)新技術(shù)的有效性，以某潰口資料為依據(jù)在室內(nèi)建立物理模型[5]。模型的幾何比尺為1∶50；流速比尺為7.0；流量比尺為17 600；時(shí)間比尺為7.0；糙率比尺為2.0。潰口的形狀為近似的倒等腰梯形形狀，頂寬和底寬分別為120 cm和72 cm，潰口上下游的斷頭堤長度均為300 cm，潰口下游的灘涂區(qū)長300 cm，寬度為650 cm，設(shè)計(jì)最大流量為110 L/s，最大流速為1.13 m/s。為了準(zhǔn)確模擬大堤外各種物體的雍水作用，模型設(shè)計(jì)了寬1 m的排水口雍水閘門以及寬4 m的尾水口和尾水閘門[6]。具體的模型布置示意圖如圖3所示。

圖3 物理模型示意圖

2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測

試驗(yàn)過程中需要進(jìn)行流量、流場以及水位的測量和監(jiān)測[7]。其中，流量的監(jiān)測采用E-mag 電磁流量計(jì)，并利用無線Wi-Fi 實(shí)現(xiàn)流量的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄；流場實(shí)時(shí)監(jiān)控由攝像輸入系統(tǒng)承擔(dān)，在潰口的上游和下游分別布設(shè)一套系統(tǒng)；在模型的河道與堤外的灘涂區(qū)分別布置一套水位測針系統(tǒng)進(jìn)行水位監(jiān)測，精度為0.1 mm。

2.3 試驗(yàn)材料

鋼網(wǎng)石籠具有透水性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、取材制作方便的優(yōu)勢，是干流河道大中型潰口堵口中最常用的物料[8]。因此，文章研究選擇鋼網(wǎng)石籠和長管袋為主要堵口材料，其具體規(guī)格參數(shù)如表1 所示。長管袋原型的長、寬、高分別為8，4，2 m，容重為1.6 kg/m3。試驗(yàn)中按照1∶50 的比尺進(jìn)行鋼網(wǎng)石籠模型的制作，并選擇粒徑為4～6 mm 的礫石作為填充料。

表1 試驗(yàn)原型石籠的規(guī)格參數(shù)

2.4 試驗(yàn)過程

在模型潰口上游的底板部位打入若干個(gè)鋼制鉚釘，以模擬錨索的固定節(jié)點(diǎn)位置，用尼龍線代替錨索滑投模型石籠。在試驗(yàn)開始之前，首先測量和記錄潰口的流速、水深、流量等基本參數(shù)。在堵口過程中每間隔2 min 向潰口中拋投一定數(shù)量的物料，并記錄下相應(yīng)的參數(shù)，當(dāng)潰口流量為0 時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

2.5 試驗(yàn)工況

為了驗(yàn)證不同特征潰口下堵口技術(shù)的有效性，設(shè)計(jì)了急流和緩流兩種試驗(yàn)工況，其具體的參數(shù)設(shè)計(jì)如表2 所示。

表2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水流參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析

對試驗(yàn)過程中不同試驗(yàn)時(shí)段的水流參數(shù)進(jìn)行整理，結(jié)果如表3 所示。表3 中個(gè)別的潰口流量為負(fù)，原因可能是分流量的計(jì)算誤差導(dǎo)致的。以表3中的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對兩種工況下試驗(yàn)時(shí)間和水位差、潰口水深以及潰口流速之間的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，獲得如圖4 和圖5 所示的擬合曲線。由圖4（a）可知，在工況1 條件下，潰口流速隨著堵口時(shí)間的推移，呈現(xiàn)出先迅速降低，再緩慢升高，最后又迅速降低的態(tài)勢，在第15 min 時(shí)，潰口流速已經(jīng)降低至0.4 m/s；在堵口過程中，潰口內(nèi)外水位差隨著堵口時(shí)間的推移，呈現(xiàn)出逐漸增大后逐漸趨于穩(wěn)定的特征，最后在8.8 cm 左右穩(wěn)定下來，說明潰口封堵在第15 min 基本完成。由圖4（b）可知，工況2 條件下的潰口流速和潰口內(nèi)外水位差的變化規(guī)律與工況1 類似。由圖5 可知，隨著堵口時(shí)間的推移，潰口外側(cè)水深呈現(xiàn)出先緩慢減小后迅速降低的趨勢。同時(shí)，在潰口封堵完畢之后，該側(cè)積水并不會在短期內(nèi)排干，因此會在特定水位高度維持一段時(shí)間。總體而言，雖然工況2 條件下的潰口封堵歷時(shí)較長，但是相對于傳統(tǒng)的堵口技術(shù)，封堵時(shí)間有明顯縮短。

表3 模型試驗(yàn)水流參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.2 材料使用試驗(yàn)結(jié)果

對試驗(yàn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)果如表4 所示。由表4 中的結(jié)果可知，堵口所需要的各種物料的總量隨著堵口時(shí)間的推移而不斷增加。當(dāng)然，石籠并不都是通過錨索滑投，而是在通過錨索滑投了一定數(shù)量之后，需要以這些石籠形成的支撐點(diǎn)在上游側(cè)自由拋投各種物料，最終實(shí)現(xiàn)潰口的完全封堵。當(dāng)然，自由拋投的物料會由于水流作用造成損失。具體而言，在工況C-1 的急流狀態(tài)下，4，6，9 t 石籠以及長管袋損失的個(gè)數(shù)分別為1 個(gè)、1 個(gè)、18 個(gè)和5 個(gè)，損失率分別為0.97%，0.98%，9.55%和1.92%，綜合損失率為3.73%；在工況2 的緩流條件下，4 ，6，9 t 石籠以及長管袋損失的個(gè)數(shù)分別為2 個(gè)、1 個(gè)、13 個(gè)和4 個(gè)，損失率分別為1.89%，0.99%，7.03%和1.54%，綜合損失率為3.07%。由此可見，緩流條件下的物料損失率較低，同時(shí)兩種試驗(yàn)工況下的物料損失全部為自由拋投而被水流沖走的物料。與傳統(tǒng)的堵口技術(shù)方案下大量拋投物料被沖向下游的情況相比，文章提出的堵口技術(shù)下的物料損失率大幅降低，說明該技術(shù)具有顯著的效果和可靠性。

圖4 堵口時(shí)間與潰口流速和水位差擬合曲線

圖5 堵口時(shí)間和下游水深擬合曲線

4 結(jié)語

此次研究針對當(dāng)前大江大河潰口封堵過程中存在的技術(shù)問題，提出了火箭錨鋼網(wǎng)石籠潰口堵復(fù)技術(shù)，并進(jìn)行了相應(yīng)的模型試驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，采用該技術(shù)進(jìn)行高落差、大流量潰口封堵，可以大幅降低物料損失，縮短封堵時(shí)間，具有重要的實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。但是，受到諸多研究因素的影響，研究中沒有對石籠的規(guī)格進(jìn)行較多設(shè)計(jì)，對錨索本身的材料特征也沒有進(jìn)行詳細(xì)的分析。在今后的研究中，需要在上述方面進(jìn)行更多的研究和分析，以便為技術(shù)的推廣應(yīng)用提供更多的理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

表34 模型試驗(yàn)物料使用情況統(tǒng)計(jì)表