流速對黃河搶險(xiǎn)險(xiǎn)工拋投體穩(wěn)定性影響及對策.docx

1、Vol42.No.11Nov.2020人民黃河YELLOWRIVER【防洪治河】流速對X河搶險(xiǎn)險(xiǎn)工拋投體穩(wěn)定性影響及對策張亞坤"2,周彥林3,梁建林I（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004；2.開封市黃河土木工程實(shí)驗(yàn)中心，河南開封475004：3.開封黃河河務(wù)局第一機(jī)動搶險(xiǎn)隊(duì)，河南開封475003）摘要：通過對黃河險(xiǎn)工和控導(dǎo)工程防汛搶險(xiǎn)中拋投材料大量走失原因進(jìn)行分析，并以鉛絲石籠為研究對象，建立了拋投體在動水中的受力分析模型。在對拋投體進(jìn)行受力分析的基礎(chǔ)上，研究險(xiǎn)工流速、水深等對拋投體穩(wěn)定性的影響規(guī)律，結(jié)果表明：拋投法搶險(xiǎn)中，險(xiǎn)工處瞬時流速越大、水深越大，拋投體在動水中的位

2、移就越大，穩(wěn)定性就越差；增加拋投體的質(zhì)量（體積），能夠有效減小拋投體在動水中的位移，增強(qiáng)其穩(wěn)定性：設(shè)計(jì)合理質(zhì)量的拋投體、預(yù)留足夠的拋投距離或采用鏈接拋投體等措施能夠確保黃河防汛搶險(xiǎn)中拋投體的穩(wěn)定性，關(guān)鍵詞：險(xiǎn)匚；防汛搶險(xiǎn)：鉛稅石籠；穩(wěn)定性：流速；水深：黃河中圖分類號:TV8713;TV8821文獻(xiàn)標(biāo)志碼:Adoi：103969jissn1000-1379202011.008EffeclsofFlowVelocilyonStabililyofGadion$aIVulnerableSpotsinYellowRiverEmergencyRescueandIlsCounlermeasurejZHANG

3、Yakun12,ZHOUYanlin3.LIANGJianlin'（1YellowRiverConservancyTechnicalInstitute-Kaifeng475004.China：2KaifengYellowRiverCivilEngineeringExperimentalCenter.Kaifeng475004.China：3FirstMobileEmergencyRescueTeamofKaifengYellowRiverBureau.Kaifeng475003.China：1AbJ：r1ci：Inthispaper,thecausesofmasslossofthrow

4、ingmaterialsinfloodcontroloftheYellowRiverwereanalyzedandthestressanaly-sismodelofthrowingbodyinmovingwaterwasestablishedwithgabionastheresearchobjectBasedontheforceanalysisofgabion,thein-fluenceofthevelocityanddepthofthedangeroussectiontothestabilityofthethrowingmaterialswasstudiedTheresultsshowtha

5、tincreas-ingvelocityandwaterdepthcanleadtopoorstabilityofthethrowingmaterialsinthedynamicwaterandincreasingweight（sizeofthrowingmaterialscaneffectivelyreducethedisplacementandenhance代sstabilityFinally,somemeasuresareputforward,suchasdesigningarea-sonableweightthrowingmaterials,reservingenoughthrowin

6、gdistanceorusinglinkedgabionsystemtoensurethestabilityKtywords：vulnerablespot：floodcontrolandemergencyrescue：gabion：stability：flowvelocity：waterdepth：YellowRiver為了提高黃河下游堤防防御洪水的能力，在經(jīng)?？克牡潭斡杏?jì)劃地修建的防護(hù)工程稱為險(xiǎn)工。根據(jù)大溜流向，為改善不利河勢，有計(jì)劃地進(jìn)行河道艙治，在灘地合適部位修建的工程稱為控導(dǎo)工程。截至目前,黃河下游己建險(xiǎn)工135處，控導(dǎo)工程219處0這些工程在汛期高水位、高流速下經(jīng)常出現(xiàn)坍塌、漫溢、

7、滲水、漏洞、滑坡、管涌、裂縫、墩蟄等險(xiǎn)情2'31,其中坍塌發(fā)生的頻率最高。在搶護(hù)這類險(xiǎn)情時，一般是人工配合機(jī)械向出險(xiǎn)部位拋投鉛絲石籠、防汛石材進(jìn)行搶護(hù)，以達(dá)到“護(hù)腳抗沖、緩流挑溜”的目的。這種做法雖然使得險(xiǎn)情得到暫時控制，但是也存在很大的盲目性，從而造成了人力、財(cái)力、物力的過多投入，且耗費(fèi)了過多的搶險(xiǎn)時間。對鉛絲石籠、散石在動水中的受力進(jìn)行分析，研究拋投體在水流中的運(yùn)動狀態(tài)，弄清楚險(xiǎn)工處流速對拋投體穩(wěn)定性的影響規(guī)律，從而有針對性地采取措施，保證險(xiǎn)工搶險(xiǎn)中拋投體的穩(wěn)定性，對黃河險(xiǎn)工搶險(xiǎn)具有重要意義。本文開展流速對險(xiǎn)工拋投體穩(wěn)定性影響及對策的研究，探索流速對鉛絲石籠、散石等拋投體的影響規(guī)律

8、，提出有效的應(yīng)對措施，以期為安全、高效、經(jīng)濟(jì)地控制險(xiǎn)情提供參考。1傳統(tǒng)拋投搶險(xiǎn)存在的問題及原因分析1.1傳統(tǒng)拋投搶險(xiǎn)方法對于坍塌類險(xiǎn)情，常用搶險(xiǎn)方法就是拋投法，如拋投塊石、鉛絲石籠、土袋、柳石枕、土袋枕等。為了提高搶險(xiǎn)的效率，以拋投塊石、鉛絲石籠居多。傳統(tǒng)的收稿日期:2020-05-24基金項(xiàng)目：開封市黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展創(chuàng)新專項(xiàng)汁劃項(xiàng)目（2019018）:黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目2019HYGG06）：2020年開封市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（科技攻關(guān)2001021）作者簡介：張亞坤（1983）,男，河南寶豐人，講師，研咒方向?yàn)辄S河險(xiǎn)工除險(xiǎn)加固措施應(yīng)用E-mail：yak

9、unzhang126com處理方法是人工配合機(jī)械將防汛石材運(yùn)輸?shù)诫U(xiǎn)工地段，制作鉛絲石籠，向出險(xiǎn)部位拋投，同時輔助拋投散碎塊石。塊石、鉛絲石籠的拋投量和拋投速度要大于坍塌險(xiǎn)情的坍塌總量及擴(kuò)大速度，提高險(xiǎn)工和控導(dǎo)工程的抗沖穩(wěn)定性，從而起到護(hù)腳固基的作用，穩(wěn)定并控制險(xiǎn)情。這種方法控制險(xiǎn)情具有較大盲目性，操作起來費(fèi)時、費(fèi)料、費(fèi)力，在搶險(xiǎn)中鉛絲石籠走失現(xiàn)象十分嚴(yán)重。I.2拋投體走失原因進(jìn)入動水中拋投體的運(yùn)動軌跡取決于其受力狀況。假定拋投材料入水后僅受到重力和水流沖擊力兩種作用，那么，拋投體的運(yùn)動軌跡必然是受重力作用下沉的同時順著水流方向發(fā)生水平位移。其運(yùn)動狀態(tài)是豎直方向自由落體和順著水流方向運(yùn)動的合成，

10、其運(yùn)動軌跡類似于平拋運(yùn)動，如圖1所示。拋投體的穩(wěn)定性取決于其水平位移的大小，水平位移越大，穩(wěn)定性就越差，走失現(xiàn)象就越明顯。平拋運(yùn)動水平位移大小取決于運(yùn)動時間和水平方向速度的大小。水深越大，水中下落的時間就越長，發(fā)生水平位移的時間就越長，水平位移就可能越大，拋投體就越容易走失；水流流速越大，產(chǎn)生的對拋投體的拖曳力就越大，拋投體水平方向的速度也會越大，產(chǎn)生的水平位移就越大，即越容易走失?？梢姡瑐鹘y(tǒng)險(xiǎn)工拋投搶險(xiǎn)中拋投的散碎石塊、鉛絲石籠的大量走失現(xiàn)象與險(xiǎn)工處的流速、水深密不可分。2影響拋投體穩(wěn)定性的因素分析及對策2.1影響拋投體穩(wěn)定性的因素受力情況決定物體運(yùn)動狀態(tài)，為了明確拋投體在動水中的運(yùn)動狀態(tài)，

11、需對其進(jìn)行受力分析。為此，建立了如圖2所示的拋投體受力分析模型（以鉛絲石籠為例）。為了便于定量分析拋投體的穩(wěn)定性，拋投體受力分析模型中忽略了次要影響因素，如泥沙含量、繞流、旋渦等的影響，并假定拋投體入水瞬間的初速度為零。如圖2所示，鉛絲石籠在水流的作用下受到的主要作用力有：因地球吸引而產(chǎn)生的自身重力G、因排開-38-/圖2拋投體的受力分析模型（以鉛灰.石籠為例）液體而產(chǎn)生的浮力F、因水流沖擊而產(chǎn)生的拖曳力F。、因上下表面水流流速差A(yù)v的存在而產(chǎn)生的上舉力Fl等。從圖2中可以看出，鉛石籠所受的合力Fr的大小和方向取決于鉛絲石籠的重力G、浮力Ff、上舉力Fl和拖曳力Fd的大小與方向。根據(jù)經(jīng)典力學(xué)中

12、力與運(yùn)動的原理可知，鉛絲石籠豎直方向的加速度a、水平方向的加速度ah可以分別通過式（1）和式（2）求出；鉛絲石籠豎直方向下沉?xí)r間:v與水平方向的運(yùn)動時間、相等，可以通過式（3）求出；水平方向的位移站可以通過式（4）求出。G_Ff_Fja=(1)(1)mFdah=一(2)(3)(4)式中：m為鉛絲石籠的質(zhì)量,kg;II為鉛絲石籠沿著豎直方向發(fā)生的位移，m。浸沒在水中的物體在與水流發(fā)生相對運(yùn)動的情況下,受水的黏性的影響，在其運(yùn)動方向上會產(chǎn)生拖曳力。"-七*序公式為Fd=CdP4式中：Cd為拖曳力系數(shù)，取1.6-2.0；P為流體的密度,kg/m3;i為流體的瞬時流速，m/s;At為特征面面

13、積,m2。鉛絲石籠頂部和底部的流速不相等，會產(chǎn)生壓力差伐一6】，表現(xiàn)為上舉力公式為2Fl=ClP(6)式中：J為上舉力系數(shù)；P為流體的密度,kg/m3為鉛絲石籠在來流方向的投影面積，rT?。天然河道流速分布隨著水深的增大可以劃分為3個區(qū)域:直線層、過渡層和對數(shù)區(qū)。流速分布主要受河床粗糙程度的影響，而在實(shí)際工程中，為了計(jì)算方便，通常把對數(shù)流速分布的計(jì)算公式應(yīng)用到全部水深中，即=ln（七）+B（7）v*KP式中：丫為計(jì)算點(diǎn)的瞬時流速,m/s;j為摩阻流速,m/s；y為計(jì)算點(diǎn)到河底的距離,m;ii為水流的運(yùn)動黏滯參數(shù),m2/s;B為與河床有關(guān)的參數(shù)；K為常數(shù)。如果忽略空氣阻力對河道水面處瞬時流速的影

14、響,認(rèn)為河道水面流速最大，即瞬時最大流速M(fèi)°根據(jù)對數(shù)流速計(jì)算公式可得瞬時最大流速與平均流速的比值為個與水深、雷諾數(shù)、黏性底層厚度等參數(shù)有關(guān)的系數(shù)w,可以寫成：w=/msx式中”為斷面平均流速；W與雷諾數(shù)Re有關(guān)，當(dāng)Re>1250時，w取0.8O可以根據(jù)河道斷面平均流速估算出最大瞬時流速，代入式（5）和式（6）計(jì)算拋投體在動水中的最大拖曳力和上舉力?；谏鲜鍪芰Ψ治龊陀?jì)算公式，可以對險(xiǎn)工處流速、水深、拋投體的尺寸等因素對拋投體穩(wěn)定性的影響（入水后發(fā)生的水平位移h）進(jìn)行計(jì)算。2.1.1險(xiǎn)工處流速v對拋投體穩(wěn)定性的影響下面以單個鉛絲石籠為例進(jìn)行水中穩(wěn)定性計(jì)算。防汛石材的密度Pg=25

15、60kgm3.取鉛絲石籠的體積V=0.8m3.假定險(xiǎn)工處水深h=20m,分別計(jì)算不同流速時鉛絲石籠發(fā)生的水平位移如，以分析險(xiǎn)工處水流流速v對其穩(wěn)定性的影響，計(jì)算結(jié)果見表1。表1險(xiǎn)工處流速v對單個鉛絲石籠穩(wěn)定性的影響(m-s'1)Ff.'NFlNFr'Niv/(m-s'2)sFdNih'(m-s'2)%m-077T80000.0012480.0067092.560.000.000.000.580001302112349.796.03258208.340.100.341.080005208511959.155.84262833.360.411.391

16、.580001171.9211308.085.522.691875.070.923.322.080002083.4110396595.082.813333.451.636.412.580003255.329224.684.502.985208.5225411.293.080004687.667792.343.803.247500.2636619.25通過計(jì)算不難發(fā)現(xiàn)，在水深h一定的情況下拋投單個鉛絲石籠，隨著水流流速V的增大，鉛絲石籠順著水流發(fā)生的位移不斷增大。即水深h一定，流速v越大，鉛絲石籠發(fā)生的水平位移R越大，越不穩(wěn)定。例如當(dāng)瞬時流速v=2.5m/s時，鉛絲石籠發(fā)生11.29m的水平位移

17、。而汛期險(xiǎn)工處的流速普遍在1.92.2m/s之間，所以在出險(xiǎn)部位拋下去的鉛絲石籠因位移過大而難以到達(dá)險(xiǎn)工壩體坍塌位置。2.1.2險(xiǎn)工處水深h對拋投體穩(wěn)定性的影響水深h越大，拋投體墜入底部的時間就越長，下面取流速v=2.0m/s,計(jì)算單個鉛絲石籠（PG=2560kgrT?,V=0.8m3）在不同水深h下的穩(wěn)定性，即計(jì)算鉛校石籠在不同水深中發(fā)生的水平位移M以分析水深h對鉛稅石籠穩(wěn)定性的影響，計(jì)算結(jié)果見表2。表2險(xiǎn)工處水深h對單個鉛絲石籠穩(wěn)定性的影響hImF»JNFli'NFrNtvf(m-s'2)t/sFd.Nlh(m-s'2)1080003255.329224.

18、684.502.115208.522.545.652080003255.329224.684.502.985208.522.5411.293080003255329224.684503.655208.5225416944080003255329224.684.504.215208.5225422595080003255.329224.684.504.715208.522542823通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在流速一定的情況下拋投單個鉛絲石籠，鉛絲石籠發(fā)生的順著水流方向的水平位移，隨著水深h的增大而不斷增大。即流速v一定，水越深，鉛幺幺石籠發(fā)生的位移爪越大，越不穩(wěn)定。例如當(dāng)水深為30m時，單個鉛絲石籠入水后

19、發(fā)生的位移為16.94m。所以,在動水中采用拋投法搶險(xiǎn)時，為了避免拋投體的走失，水深h是一個必須考慮的重要因素。2.2拋投體在動水中的極限抗沖流速拋投體的設(shè)計(jì)尺寸不僅要滿足下落過程中的穩(wěn)定性要求，還要滿足落底后的穩(wěn)定性要求，設(shè)計(jì)的拋投體的質(zhì)量（體積）應(yīng)取二者的最大值。為了確保拋投體沉入水底后的穩(wěn)定性,必須根據(jù)拋投體在水中的起動流速進(jìn)行質(zhì)量（體積）驗(yàn)算。在我國江河截流中，拋投體尺寸的確定普遍采用兩種方法：一種是模型試驗(yàn)法，另一種是采用式（9）進(jìn)行計(jì)算Gt。式中：為水流平均流速,m7s;k為綜合穩(wěn)定系數(shù)，對單個塊石取0.89,對鉛絲石籠取1.07;g為重力加速度，m/S2；YGM"的稱,

20、kN/m:YW為水的容重,kN/足不同抗沖流速的拋投體的等效直徑D表3、等效體積v，滿足極限抗沖流速的拋投體質(zhì)雖（體積）1(m-s'1)Pg'(kg-m"3)w!1(kg-m'3)DmV/106m3mkg02560100010000.525601000100.0070.21.025601000100.02811.50.031.525601000100.063130.80.332.025601000100.112734.81.882.525601000100.1752803.27.183.025601000100.2528370.321.43m3;D為拋投體的等

21、效直徑，mo表3為計(jì)算得到的滿和質(zhì)量m,以供不同流速拋投搶險(xiǎn)時參考。注：m為拋投體密度.g為水的密度2.3增強(qiáng)搶險(xiǎn)拋投體穩(wěn)定性的對策從以上分析可知，導(dǎo)致拋投體走失的關(guān)鍵因素是險(xiǎn)工處的水流流速v和險(xiǎn)工處的水深h。為了確保拋投材料達(dá)到出險(xiǎn)部位的壩基，切實(shí)起到固腳護(hù)基的作用，有兩種方法：一種是增大拋投體的質(zhì)量（體積）；另一種是采取合理有效的措施約束拋投材料。2.3.1增大拋投體的質(zhì)量（體積）汛期黃河下游實(shí)測平均流速為2.Om/s左右，根據(jù)式（8）可以計(jì)算出瞬時最大流速為2.5m/so選取瞬時流速v=2.5m/s為計(jì)算流速，假定險(xiǎn)工水深為20m,計(jì)算不同體積拋投材料在動水中的位移（見表4）,進(jìn)而給出增

22、強(qiáng)拋投材料穩(wěn)定性的對策。根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果可知，增大拋投體的體積能夠起到提高其穩(wěn)定性的效果。表4拋投體的體積效應(yīng)對其穩(wěn)定性的影響Vi'm3FrNF(.NFr'Nlyl(m-s*2)I.1sfdnltd(m-s'2)fm(T83T55T32-92247684.505208.522.5411.291.6160005167.5019792.504.832.888268002.028.352.4240006771.3430668.664.992.8310834.151.767.073.23200082029041717.105.092.8013124.641.606.294.04

23、00009518.6252881.385.162.7815229.791.495.764.848000107488464131.165.222.7717198.141.405.365.65600011912.2275447.785.2627619059.551.335.056.46400013021.2986818.715.302.7520834.071.274.802.3.2預(yù)留拋投距離拋投體在水流中順著水流方向的水平位移為$腿拋投物料前，先根據(jù)實(shí)測險(xiǎn)工處流速v和水深h,估算出拋投材料可能在水中發(fā)生的位移大小II；L拋投物料時，可以考慮將拋投點(diǎn)（入水點(diǎn)）選擇在逆著來流方向距離預(yù)定加固點(diǎn)，一的

24、地方（向量二應(yīng)能夠滿足向量表達(dá)式r+>,從而抵消拋投體進(jìn)入水流后發(fā)生的位移，保證拋瘋:達(dá)到預(yù)定加固位置，起到加固出險(xiǎn)部位的作用。2.3.3采用鏈接拋投體單個鉛絲石籠的體積在一般在0.60.8rY?之間，質(zhì)量在1.5-2.Ot之間，汛期黃河下游的平均流速為2.Om/s左右，瞬時流速高達(dá)2.5m/s。假定險(xiǎn)工處水深20m,根據(jù)表4可知，單個0.8m3的鉛絲石籠入水后順著水流發(fā)生11.29m的位移，相當(dāng)不穩(wěn)定。這種情況下，僅靠拋投單個鉛絲石籠很難取得搶險(xiǎn)的成功，更談不上搶險(xiǎn)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。采用鉛絲石籠鏈接技術(shù)不僅能夠得到質(zhì)量（體積）更大的拋投體，而且拋投體通過釵鏈相互奉引、相互摩擦的作用，能

25、夠消耗大部分能量，從而保證拋投體在動水中的穩(wěn)定性。常用的多個鉛稅石籠之間的鏈接技術(shù)包括鏈?zhǔn)姐U絲石籠體系、樁式鉛絲石籠體系和摩擦型鉛絲石籠體系三種。（1）鏈?zhǔn)姐U絲石籠體系。將兩個或兩個以上的鉛絲石籠通過釵鏈鏈接在一起，形成總質(zhì)量（體積）更大源翻籠觥成糖觥稼耕曲楝疏郵疑推入險(xiǎn)工出險(xiǎn)部位，流速2.0m/s時在深度為20m的水中發(fā)生的位移僅為4.80m,相對于拋投的工作面來說，己經(jīng)具有足夠的穩(wěn)定性。采用鏈?zhǔn)姐U絲石籠體系，往往需要大型拋投機(jī)械，成本較高。（2）樁式鉛絲石籠體系。通過繩索將鉛絲石籠或體系鏈接到搶險(xiǎn)作業(yè)面以外的木樁上，如圖3所示，利用牽引繩索的拉力來控制拋入水中鉛絲石籠的位移、運(yùn)動軌跡，保證

26、拋投體到達(dá)出險(xiǎn)部位，達(dá)到加固險(xiǎn)工、控制險(xiǎn)情的目的。采用樁式鉛絲石籠體系拋投時，一定要注意作業(yè)區(qū)內(nèi)工作人員的安全。（3）摩擦型鉛絲石籠體系。該體系類似于樁式鉛木樁木株圖3樁式鉛絲石籠體系絲.石籠體系，如圖4所示，所不同的是在搶險(xiǎn)作業(yè)面以外采用起摩擦耗能作用的鉛絲石籠代替打樁。先拋入的鉛絲石籠通過繩索拉動摩擦鉛絲石籠，利用摩擦鉛絲石籠與險(xiǎn)工地面的摩擦力做功來消耗水中鉛絲石籠的大部分能量，最后連同摩擦鉛絲石籠一起到達(dá)出險(xiǎn)部位。先投入的鉛必:石建圖4摩擦型鉛絲石籠體系3結(jié)論通過建立鉛絲石籠在動水中的受力分析模型，分析了黃河險(xiǎn)工傳統(tǒng)防汛搶險(xiǎn)中拋投體存在的穩(wěn)定性不足的問題及其原因，并針對目前拋投搶險(xiǎn)中存在的問題,提出了應(yīng)對措施。(1) 險(xiǎn)工處流速V、水深h是影響拋投材料穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，隨著險(xiǎn)工處流速v的增大和出險(xiǎn)部位水深h的增大，拋投材料的水平位移不斷增大，穩(wěn)定性變差，很容易發(fā)生拋投體走失的現(xiàn)象。(2) 實(shí)際搶險(xiǎn)中，可通過實(shí)測險(xiǎn)工處的流速v、水深h,計(jì)算得到拋投體在水流中的位移，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出質(zhì)量(體積)能夠滿足穩(wěn)定性要求的拋投體，就能避免拋投體的走失，從而確保拋投材料到達(dá)擬加固的根基，起到固腳護(hù)基的作用。(3) 如果條件限制，不能拋投足夠質(zhì)量(體積)的材料，或者