袁文秀，應(yīng) 強(qiáng)，羅龍洪，張幸農(nóng)，假冬冬

(1. 江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室，江蘇 南京 210029；2. 南京水利科學(xué)研究院 港口航道泥沙工程交通部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

窩崩是長(zhǎng)江中下游常見的一種崩岸形式，由于其發(fā)展速度快（幾小時(shí)到幾十小時(shí)），崩塌縱深長(zhǎng)（數(shù)十米到數(shù)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(dāng)窩崩造成長(zhǎng)江大堤破壞時(shí)，可能會(huì)造成人民生命及財(cái)產(chǎn)的重大損失，因此各級(jí)政府非常重視，科技工作者也從不同角度開展研究[1-6]。關(guān)于窩崩成因機(jī)理的研究，主要存在以下3 種觀點(diǎn)[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(nèi)次生流引起大規(guī)模崩塌[12-13]。上述3 種觀點(diǎn)都能從某方面解釋窩崩的發(fā)生，但也都存在問題。窩崩險(xiǎn)情的應(yīng)急和事后治理措施，主要根據(jù)險(xiǎn)情的發(fā)展、應(yīng)急搶護(hù)的必要性及現(xiàn)場(chǎng)條件等情況確定。對(duì)于危害較大的窩崩，都會(huì)采取應(yīng)急搶護(hù)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(jié)構(gòu)型式[15-16]，實(shí)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(jīng)驗(yàn)確定的，是否處于最佳的工程效益，需進(jìn)行試驗(yàn)研究確定。

利用長(zhǎng)江揚(yáng)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(chǔ)上，對(duì)窩塘內(nèi)不同間距的樹頭石排列型式和不同高度的樹頭石進(jìn)行了試驗(yàn)。通過試驗(yàn)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(shè)計(jì)及驗(yàn)證

試驗(yàn)選擇2017 年發(fā)生在揚(yáng)中河段指南村附近窩崩進(jìn)行研究，模型范圍寬度包括整個(gè)窩崩體，以及長(zhǎng)江靠窩崩側(cè)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(zhǎng)度約2.0 km。鑒于窩塘內(nèi)外水流具有較強(qiáng)的脈動(dòng)和三維特性，采用比尺λL=100 的正態(tài)模型。這樣，模型寬度為11 m，其中靠左側(cè)邊墻0.5 m 河床地形可以調(diào)節(jié)，以改善由于左側(cè)邊墻固定而引起水流不相似的影響，模型長(zhǎng)度為20 m，不包括進(jìn)口水流調(diào)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(yàn)測(cè)點(diǎn)示意（綠線為河床地形）Fig. 1 Scope of physical model and test points

模型驗(yàn)證資料選取相應(yīng)河段平面二維潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果，驗(yàn)證水位點(diǎn)位于進(jìn)口斷面1 號(hào)測(cè)流點(diǎn)附近，驗(yàn)證流速測(cè)點(diǎn)如圖1（a）所示的4 個(gè)測(cè)點(diǎn)。流量為平均枯水流量28 500 m3/s，各測(cè)點(diǎn)流速驗(yàn)證結(jié)果如表1 所示。

表1 模型測(cè)點(diǎn)流速驗(yàn)證Tab. 1 Verification of velocity of measuring points in physical model

2 模擬材料及試驗(yàn)組次

窩內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)量?？紤]到窩崩主要發(fā)生在枯水季，選擇流量Q=28 800 m3/s 為試驗(yàn)流量，流速測(cè)量主要采用螺旋槳流速儀測(cè)量，在窩塘內(nèi)共布置12 個(gè)測(cè)流點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)在窩塘中的位置分布如圖1(b)所示，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置一根測(cè)桿，每條垂線分為0.2H、0.6H、0.8H 進(jìn)行測(cè)量（H 為測(cè)點(diǎn)處水深），每個(gè)測(cè)點(diǎn)取樣時(shí)間10 min，以消除窩內(nèi)水流周期性脈動(dòng)所帶來的影響。進(jìn)行4 次測(cè)量，取平均值，還采用粒子法(PIV)進(jìn)行表面流場(chǎng)的測(cè)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(zhǎng)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(jié)構(gòu)（圖2（a））。目前尚未有樹頭石對(duì)水流影響相關(guān)方面的研究論文，一般參考大氣阻力的研究成果[17]，認(rèn)為水流中的樹阻力與樹的阻水面積或阻擋流量有關(guān)。由于樹種和生長(zhǎng)環(huán)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(xué)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(jìn)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(shí)際高約7 cm。塑料樹有5 種形式，各種塑料樹在窩塘內(nèi)隨機(jī)分布，模擬5 m 樹高時(shí)，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(jìn)行模擬，整個(gè)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(jù)窩崩搶護(hù)時(shí)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(zhǎng)線所圍成的區(qū)域。樹頭石高度：采用相當(dāng)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(shù)，求得樹頭石的相對(duì)高度為0.22，和相當(dāng)于天然樹高5 m（相對(duì)樹高為0.15）、相當(dāng)于天然樹高為2 m（相對(duì)樹高為0.06）的樹頭石進(jìn)行試驗(yàn)。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(jìn)行試驗(yàn)。窩塘內(nèi)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F(xiàn)ig. 3 Plastic tree 6 m×6 m arrangement photos

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，各方案下窩塘外較遠(yuǎn)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(shí)窩塘和大江的表面流速分布見圖4。

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

無工程布置時(shí)窩塘內(nèi)實(shí)測(cè)流速分布見圖5。由圖5 可見：窩塘內(nèi)流速以8#測(cè)點(diǎn)為中心作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，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(nèi)，兩者有較大的差別；同樣，窩塘內(nèi)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(fā)生改變；對(duì)于同一點(diǎn)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(xiàn)底層流速最大的現(xiàn)象。

窩塘內(nèi)布置樹頭石工程時(shí)，窩內(nèi)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(shí)基本相同。這是因?yàn)殡S樹頭石的高度和分布密度的變化，窩內(nèi)阻力發(fā)生了變化，窩內(nèi)流速隨阻力的增減而發(fā)生變化；窩內(nèi)測(cè)點(diǎn)流向變化不大，一是在窩塘內(nèi)布置樹頭石，相當(dāng)于窩塘內(nèi)整體加糙，主要改變流速值；二是窩內(nèi)流向會(huì)隨時(shí)間擺動(dòng)，流向有一定的變化幅度，難以人為區(qū)分。圖6 為相對(duì)樹高為0.22，布置間距為3 m×3 m 時(shí)窩塘內(nèi)的流速分布。

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

圖6 相對(duì)樹高0.22 時(shí)按 3 m×3 m 間距布置后窩塘內(nèi)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(yàn)觀測(cè)，指南村窩崩內(nèi)的水流是以8 號(hào)點(diǎn)為中心作回流運(yùn)動(dòng)，流態(tài)較為穩(wěn)定，相同點(diǎn)的流向也基本不變。故在進(jìn)行成果分析時(shí)，取測(cè)點(diǎn)平均值進(jìn)行比較，相對(duì)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(shí)各測(cè)點(diǎn)平均流速計(jì)算結(jié)果見圖7。

由圖7 可得：在相同樹高時(shí)，樹間距變大，窩內(nèi)平均流速也變大。為了更直觀地反映樹間距對(duì)窩內(nèi)平均流速的影響，將樹間距轉(zhuǎn)化為每百平方米內(nèi)樹頭石的顆數(shù)，將不同密度下的流速與無工程時(shí)流速比值作為相對(duì)流速，兩者關(guān)系見圖8。如果認(rèn)為工程前流速（0.211 m/s）為0 顆樹的狀態(tài)，那么每百平方米內(nèi)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(nèi)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(jīng)濟(jì)。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(duì)樹高0.22 時(shí)不同間距排列下窩內(nèi)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(duì)流速關(guān)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(yàn)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(duì)高度分別為0.22、0.15 和0.06。各測(cè)點(diǎn)平均流速計(jì)算結(jié)果見圖9。

由圖9 可得：當(dāng)排列間距相同、相對(duì)樹高變大時(shí)，窩內(nèi)平均流速變?。▓D10）。表明樹頭越高，窩內(nèi)減速效果越好，但實(shí)際上，樹頭越高，收購和運(yùn)輸?shù)某杀疽哺?，砍伐后?duì)環(huán)境的影響也大，初步認(rèn)為采用相對(duì)樹高為0.15 的樹頭石較為合理。

圖9 6 m×6 m 間距排列時(shí)不同相對(duì)樹高下窩內(nèi)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(duì)高度與相對(duì)流速關(guān)系Fig. 10 Relationship between relative tree height and water velocity

工程前后窩內(nèi)流速變化表明：窩塘內(nèi)樹頭石的阻水作用效果除與樹頭石的相對(duì)高度與分布密度有關(guān)外，還與其在窩塘內(nèi)的位置相關(guān)。1#～3#測(cè)點(diǎn)處于窩塘與主流交界的邊緣，阻水效果較?。浑S著回流路徑的增長(zhǎng)，測(cè)點(diǎn)的流速降幅也變大，促淤效果也更為明顯。

4 結(jié) 語

鑒于目前窩崩應(yīng)急治理設(shè)計(jì)中的樹頭石的樹頭高度和拋投密度均憑經(jīng)驗(yàn)確定的現(xiàn)狀，本文采用物理模型試驗(yàn)的方法，以長(zhǎng)江揚(yáng)中河段指南村窩崩為研究對(duì)象，制作了1∶100 的正態(tài)窩崩局部模型，對(duì)窩塘內(nèi)3 種樹頭高度，3 種排列間距的樹頭石進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)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(huì)增大，促淤效果增強(qiáng)，但投入費(fèi)用也會(huì)增大。研究認(rèn)為相對(duì)樹高為0.15、間距為6 m×6 m 時(shí)綜合效果較佳。由于試驗(yàn)結(jié)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(yàn)中得以反映。