窩崩搶護治理中樹頭石阻水效果試驗研究

袁文秀，應 強，羅龍洪，張幸農，假冬冬

(1. 江蘇省水利工程規劃辦公室，江蘇 南京 210029；2. 南京水利科學研究院 港口航道泥沙工程交通部重點實驗室，江蘇 南京 210029)

窩崩是長江中下游常見的一種崩岸形式，由于其發展速度快（幾小時到幾十小時），崩塌縱深長（數十米到數百米），塌方量巨大（幾十萬方到幾百萬方），在平面上一般呈半圓型或馬蹄型，當窩崩造成長江大堤破壞時，可能會造成人民生命及財產的重大損失，因此各級政府非常重視，科技工作者也從不同角度開展研究[1-6]。關于窩崩成因機理的研究，主要存在以下3 種觀點[7]：一是深泓逼岸形成崩塌[8-9]；二是沙體液化形成崩塌[10-11]；三是窩塘內次生流引起大規模崩塌[12-13]。上述3 種觀點都能從某方面解釋窩崩的發生，但也都存在問題。窩崩險情的應急和事后治理措施，主要根據險情的發展、應急搶護的必要性及現場條件等情況確定。對于危害較大的窩崩，都會采取應急搶護措施。水利部門提出了“守兩肩、固周邊、先促淤、后封口”的窩崩治理原則[14-15]。在窩塘促淤方案中，樹頭石是常用的結構型式[15-16]，實際工程中也起到了較好的效果，但目前工程中采用的樹頭石在窩塘中的分布密度和高度，都是憑經驗確定的，是否處于最佳的工程效益，需進行試驗研究確定。

利用長江揚中河段指南村窩崩模型，在窩崩口門附近流速模擬相似的基礎上，對窩塘內不同間距的樹頭石排列型式和不同高度的樹頭石進行了試驗。通過試驗研究提出工程效果較佳的樹頭石高度和間距。

1 局部模型設計及驗證

試驗選擇2017 年發生在揚中河段指南村附近窩崩進行研究，模型范圍寬度包括整個窩崩體，以及長江靠窩崩側的部分（包括上下游深槽，?20 m 范圍）。模型上邊界取在窩崩體上游1.1 km 處，下邊界在窩崩體下游0.9 km 處，模擬總長度約2.0 km。鑒于窩塘內外水流具有較強的脈動和三維特性，采用比尺λL=100 的正態模型。這樣，模型寬度為11 m，其中靠左側邊墻0.5 m 河床地形可以調節，以改善由于左側邊墻固定而引起水流不相似的影響，模型長度為20 m，不包括進口水流調整段和出口回流段，模型范圍及布置如圖1 所示。

圖1 模型范圍及試驗測點示意（綠線為河床地形）Fig. 1 Scope of physical model and test points

模型驗證資料選取相應河段平面二維潮流數學模型計算成果，驗證水位點位于進口斷面1 號測流點附近，驗證流速測點如圖1（a）所示的4 個測點。流量為平均枯水流量28 500 m3/s，各測點流速驗證結果如表1 所示。

表1 模型測點流速驗證Tab. 1 Verification of velocity of measuring points in physical model

2 模擬材料及試驗組次

窩內測點布置及測量。考慮到窩崩主要發生在枯水季，選擇流量Q=28 800 m3/s 為試驗流量，流速測量主要采用螺旋槳流速儀測量，在窩塘內共布置12 個測流點，各測點在窩塘中的位置分布如圖1(b)所示，每個測點布置一根測桿，每條垂線分為0.2H、0.6H、0.8H 進行測量（H 為測點處水深），每個測點取樣時間10 min，以消除窩內水流周期性脈動所帶來的影響。進行4 次測量，取平均值，還采用粒子法(PIV)進行表面流場的測量。

圖2 樹頭石和模型中用的塑料樹和塑料草Fig. 2 Tree head-stone and plastic trees and grass for the model

樹頭石是指新鮮砍下的包括樹冠和主干的樹頭（長5 m 左右）以及在主干下端系上已裝入石塊（200 kg左右）的編織袋所組成的結構（圖2（a））。目前尚未有樹頭石對水流影響相關方面的研究論文，一般參考大氣阻力的研究成果[17]，認為水流中的樹阻力與樹的阻水面積或阻擋流量有關。由于樹種和生長環境的不同，不同樹頭間有較大差別，給模型模擬帶來了較大的困難。參考有的學者采用塑料草模擬沉水植物[18]，這里也采用塑料樹（圖2（b））和塑料草（圖2（c））進行模擬。塑料樹高約9 cm，在水里由于自然下垂和水流的作用，實際高約7 cm。塑料樹有5 種形式，各種塑料樹在窩塘內隨機分布，模擬5 m 樹高時，將塑料樹剪至5 cm；模擬更小的樹高，則采用選用8 片葉子組成的塑料草進行模擬，整個塑料草離河底高約2.0 cm，直徑為6.5 cm。

樹頭石布置范圍：根據窩崩搶護時樹頭石的拋投情況，模型中樹頭石的拋投范圍為?15 m 以下的窩塘水域，圖1(b)中貫穿10#、11#、12#的高程線和1#、2#、3#中心線的延長線所圍成的區域。樹頭石高度：采用相當于天然樹高7 m 左右的樹頭石，以窩塘口門處最大水深32.3 m 作為參數，求得樹頭石的相對高度為0.22，和相當于天然樹高5 m（相對樹高為0.15）、相當于天然樹高為2 m（相對樹高為0.06）的樹頭石進行試驗。樹頭石布置間距：按天然3 m×3 m、6 m×6 m、8 m×8 m 的方式布置進行試驗。窩塘內樹頭石按6 m×6 m 的排列方式布置（見圖3 ）。

圖3 塑料樹6 m×6 m 排列照片Fig. 3 Plastic tree 6 m×6 m arrangement photos

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

試驗結果表明，各方案下窩塘外較遠處的大江流速和水位沒有影響，口門位置流速較主流流速有較大減小，約為主流流速的一半。無工程時窩塘和大江的表面流速分布見圖4。

圖4 無工程時窩塘附近表面流場分布(PIV 測)Fig. 4 Surface flow field near model without engineering (using Particle Image Velocimetry technology)

無工程布置時窩塘內實測流速分布見圖5。由圖5 可見：窩塘內流速以8#測點為中心作順時針旋轉，在口門與主流交界處，流速較大，在下口門附近，雖然表層流速的流向還是指向下流，但中下層流速的流向，由于受地形的影響，已指向窩塘內，兩者有較大的差別；同樣，窩塘內的表層流速受慣性影響較大，而底部流速受地形影響較大，流向首先發生改變；對于同一點的流速沿垂線分布，表、中、底層的流速趨于均勻，有的甚至出現底層流速最大的現象。

窩塘內布置樹頭石工程時，窩內流速隨樹頭石的高度和分布密度的不同而有所減小，流向與無工程時基本相同。這是因為隨樹頭石的高度和分布密度的變化，窩內阻力發生了變化，窩內流速隨阻力的增減而發生變化；窩內測點流向變化不大，一是在窩塘內布置樹頭石，相當于窩塘內整體加糙，主要改變流速值；二是窩內流向會隨時間擺動，流向有一定的變化幅度，難以人為區分。圖6 為相對樹高為0.22，布置間距為3 m×3 m 時窩塘內的流速分布。

圖5 工程前窩內流速分布Fig. 5 Velocity distribution in the pond without engineering

圖6 相對樹高0.22 時按 3 m×3 m 間距布置后窩塘內的流速分布Fig. 6 Velocity distribution under 3 m×3 m spacing with the relative tree height of 0.22

3.2 成果分析

保持樹頭石高度相同，改變間距（密度），分析其阻水效果。通過模型試驗觀測，指南村窩崩內的水流是以8 號點為中心作回流運動，流態較為穩定，相同點的流向也基本不變。故在進行成果分析時，取測點平均值進行比較，相對樹高為0.22，排列間距分別為3 m×3 m、6 m×6 m 和8 m×8 m 時各測點平均流速計算結果見圖7。

由圖7 可得：在相同樹高時，樹間距變大，窩內平均流速也變大。為了更直觀地反映樹間距對窩內平均流速的影響，將樹間距轉化為每百平方米內樹頭石的顆數，將不同密度下的流速與無工程時流速比值作為相對流速，兩者關系見圖8。如果認為工程前流速（0.211 m/s）為0 顆樹的狀態，那么每百平方米內2～3 顆樹的減速效果（從0.211 m/s 降到0.177 m/s）較每百平方米內10～11 顆樹的減速效果（從0.211 m/s 降到0.174 m/s）相差不大，但更為經濟。故從促淤角度考慮，采用6 m×6 m 間距的樹頭石較為合理。

圖7 相對樹高0.22 時不同間距排列下窩內流速比較Fig. 7 Velocity comparison of model measuring points under different spacing arrangements with the relative tree height of 0.22

圖8 樹頭石密度與相對流速關系Fig. 8 Relationship between density of tree head-stone and water velocity

保持樹頭石間距（密度）相同，改變其高度，分析其阻水效果。由樹頭石高度相同、密度變化試驗得出6 m×6 m 間距的樹頭石較為合理，故選擇6 m×6 m 間距作為樹頭石的固定密度，選擇樹頭石相對高度分別為0.22、0.15 和0.06。各測點平均流速計算結果見圖9。

由圖9 可得：當排列間距相同、相對樹高變大時，窩內平均流速變小（圖10）。表明樹頭越高，窩內減速效果越好，但實際上，樹頭越高，收購和運輸的成本也高，砍伐后對環境的影響也大，初步認為采用相對樹高為0.15 的樹頭石較為合理。

圖9 6 m×6 m 間距排列時不同相對樹高下窩內流速比較Fig. 9 Velocity comparison of model measuring points under different relative tree heights with 6 m ×6 m spacing arrangement

圖10 樹頭石相對高度與相對流速關系Fig. 10 Relationship between relative tree height and water velocity

工程前后窩內流速變化表明：窩塘內樹頭石的阻水作用效果除與樹頭石的相對高度與分布密度有關外，還與其在窩塘內的位置相關。1#～3#測點處于窩塘與主流交界的邊緣，阻水效果較小；隨著回流路徑的增長，測點的流速降幅也變大，促淤效果也更為明顯。

4 結 語

鑒于目前窩崩應急治理設計中的樹頭石的樹頭高度和拋投密度均憑經驗確定的現狀，本文采用物理模型試驗的方法，以長江揚中河段指南村窩崩為研究對象，制作了1∶100 的正態窩崩局部模型，對窩塘內3 種樹頭高度，3 種排列間距的樹頭石進行了試驗。結果表明：隨樹頭高度增加，或排列間距的縮小，樹頭石的阻水作用都會增大，促淤效果增強，但投入費用也會增大。研究認為相對樹高為0.15、間距為6 m×6 m 時綜合效果較佳。由于試驗結果是在清水定床上獲得的，施工過程中樹頭石的拋投過程及泥沙淤積等均未能在試驗中得以反映。