流速对黄河抢险险工抛投体稳定性影响及对策.docx

1、Vol42.No.11Nov.2020人民黄河YELLOWRIVER【防洪治河】流速对X河抢险险工抛投体稳定性影响及对策张亚坤"2,周彦林3,梁建林I（1.黄河水利职业技术学院，河南开封475004；2.开封市黄河土木工程实验中心，河南开封475004：3.开封黄河河务局第一机动抢险队，河南开封475003）摘要：通过对黄河险工和控导工程防汛抢险中抛投材料大量走失原因进行分析，并以铅丝石笼为研究对象，建立了抛投体在动水中的受力分析模型。在对抛投体进行受力分析的基础上，研究险工流速、水深等对抛投体稳定性的影响规律，结果表明：抛投法抢险中，险工处瞬时流速越大、水深越大，抛投体在动水中的位

2、移就越大，稳定性就越差；增加抛投体的质量（体积），能够有效减小抛投体在动水中的位移，增强其稳定性：设计合理质量的抛投体、预留足够的抛投距离或采用链接抛投体等措施能够确保黄河防汛抢险中抛投体的稳定性，关键词：险匚；防汛抢险：铅税石笼；稳定性：流速；水深：黄河中图分类号:TV8713;TV8821文献标志码: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为了提高黄河下游堤防防御洪水的能力，在经常靠水的堤段有计划地修建的防护工程称为险工。根据大溜流向，为改善不利河势，有计划地进行河道舱治，在滩地合适部位修建的工程称为控导工程。截至目前,黄河下游己建险工135处，控导工程219处0这些工程在汛期高水位、高流速下经常出现坍塌、漫溢、

7、渗水、漏洞、滑坡、管涌、裂缝、墩蛰等险情2'31,其中坍塌发生的频率最高。在抢护这类险情时，一般是人工配合机械向出险部位抛投铅丝石笼、防汛石材进行抢护，以达到“护脚抗冲、缓流挑溜”的目的。这种做法虽然使得险情得到暂时控制，但是也存在很大的盲目性，从而造成了人力、财力、物力的过多投入，且耗费了过多的抢险时间。对铅丝石笼、散石在动水中的受力进行分析，研究抛投体在水流中的运动状态，弄清楚险工处流速对抛投体稳定性的影响规律，从而有针对性地采取措施，保证险工抢险中抛投体的稳定性，对黄河险工抢险具有重要意义。本文开展流速对险工抛投体稳定性影响及对策的研究，探索流速对铅丝石笼、散石等抛投体的影响规律

8、，提出有效的应对措施，以期为安全、高效、经济地控制险情提供参考。1传统抛投抢险存在的问题及原因分析1.1传统抛投抢险方法对于坍塌类险情，常用抢险方法就是抛投法，如抛投块石、铅丝石笼、土袋、柳石枕、土袋枕等。为了提高抢险的效率，以抛投块石、铅丝石笼居多。传统的收稿日期:2020-05-24基金项目：开封市黄河流域生态保护和高质量发展创新专项汁划项目（2019018）:黄河水利职业技术学院青年骨干教师培养计划项目2019HYGG06）：2020年开封市科技发展计划项目（科技攻关2001021）作者简介：张亚坤（1983）,男，河南宝丰人，讲师，研咒方向为黄河险工除险加固措施应用E-mail：yak

9、unzhang126com处理方法是人工配合机械将防汛石材运输到险工地段，制作铅丝石笼，向出险部位抛投，同时辅助抛投散碎块石。块石、铅丝石笼的抛投量和抛投速度要大于坍塌险情的坍塌总量及扩大速度，提高险工和控导工程的抗冲稳定性，从而起到护脚固基的作用，稳定并控制险情。这种方法控制险情具有较大盲目性，操作起来费时、费料、费力，在抢险中铅丝石笼走失现象十分严重。I.2抛投体走失原因进入动水中抛投体的运动轨迹取决于其受力状况。假定抛投材料入水后仅受到重力和水流冲击力两种作用，那么，抛投体的运动轨迹必然是受重力作用下沉的同时顺着水流方向发生水平位移。其运动状态是竖直方向自由落体和顺着水流方向运动的合成，

10、其运动轨迹类似于平抛运动，如图1所示。抛投体的稳定性取决于其水平位移的大小，水平位移越大，稳定性就越差，走失现象就越明显。平抛运动水平位移大小取决于运动时间和水平方向速度的大小。水深越大，水中下落的时间就越长，发生水平位移的时间就越长，水平位移就可能越大，抛投体就越容易走失；水流流速越大，产生的对抛投体的拖曳力就越大，抛投体水平方向的速度也会越大，产生的水平位移就越大，即越容易走失。可见，传统险工抛投抢险中抛投的散碎石块、铅丝石笼的大量走失现象与险工处的流速、水深密不可分。2影响抛投体稳定性的因素分析及对策2.1影响抛投体稳定性的因素受力情况决定物体运动状态，为了明确抛投体在动水中的运动状态，

11、需对其进行受力分析。为此，建立了如图2所示的抛投体受力分析模型（以铅丝石笼为例）。为了便于定量分析抛投体的稳定性，抛投体受力分析模型中忽略了次要影响因素，如泥沙含量、绕流、旋涡等的影响，并假定抛投体入水瞬间的初速度为零。如图2所示，铅丝石笼在水流的作用下受到的主要作用力有：因地球吸引而产生的自身重力G、因排开-38-/图2抛投体的受力分析模型（以铅灰.石笼为例）液体而产生的浮力F、因水流冲击而产生的拖曳力F。、因上下表面水流流速差Av的存在而产生的上举力Fl等。从图2中可以看出，铅石笼所受的合力Fr的大小和方向取决于铅丝石笼的重力G、浮力Ff、上举力Fl和拖曳力Fd的大小与方向。根据经典力学中

12、力与运动的原理可知，铅丝石笼竖直方向的加速度a、水平方向的加速度ah可以分别通过式（1）和式（2）求出；铅丝石笼竖直方向下沉时间:v与水平方向的运动时间、相等，可以通过式（3）求出；水平方向的位移站可以通过式（4）求出。G_Ff_Fja=(1)(1)mFdah=一(2)(3)(4)式中：m为铅丝石笼的质量,kg;II为铅丝石笼沿着竖直方向发生的位移，m。浸没在水中的物体在与水流发生相对运动的情况下,受水的黏性的影响，在其运动方向上会产生拖曳力。"-七*序公式为Fd=CdP4式中：Cd为拖曳力系数，取1.6-2.0；P为流体的密度,kg/m3;i为流体的瞬时流速，m/s;At为特征面面

13、积,m2。铅丝石笼顶部和底部的流速不相等，会产生压力差伐一6】，表现为上举力公式为2Fl=ClP(6)式中：J为上举力系数；P为流体的密度,kg/m3为铅丝石笼在来流方向的投影面积，rT?。天然河道流速分布随着水深的增大可以划分为3个区域:直线层、过渡层和对数区。流速分布主要受河床粗糙程度的影响，而在实际工程中，为了计算方便，通常把对数流速分布的计算公式应用到全部水深中，即=ln（七）+B（7）v*KP式中：丫为计算点的瞬时流速,m/s;j为摩阻流速,m/s；y为计算点到河底的距离,m;ii为水流的运动黏滞参数,m2/s;B为与河床有关的参数；K为常数。如果忽略空气阻力对河道水面处瞬时流速的影

14、响,认为河道水面流速最大，即瞬时最大流速M°根据对数流速计算公式可得瞬时最大流速与平均流速的比值为个与水深、雷诺数、黏性底层厚度等参数有关的系数w,可以写成：w=/msx式中”为断面平均流速；W与雷诺数Re有关，当Re>1250时，w取0.8O可以根据河道断面平均流速估算出最大瞬时流速，代入式（5）和式（6）计算抛投体在动水中的最大拖曳力和上举力。基于上述受力分析和计算公式，可以对险工处流速、水深、抛投体的尺寸等因素对抛投体稳定性的影响（入水后发生的水平位移h）进行计算。2.1.1险工处流速v对抛投体稳定性的影响下面以单个铅丝石笼为例进行水中稳定性计算。防汛石材的密度Pg=25

15、60kgm3.取铅丝石笼的体积V=0.8m3.假定险工处水深h=20m,分别计算不同流速时铅丝石笼发生的水平位移如，以分析险工处水流流速v对其稳定性的影响，计算结果见表1。表1险工处流速v对单个铅丝石笼稳定性的影响(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通过计算不难发现，在水深h一定的情况下抛投单个铅丝石笼，随着水流流速V的增大，铅丝石笼顺着水流发生的位移不断增大。即水深h一定，流速v越大，铅丝石笼发生的水平位移R越大，越不稳定。例如当瞬时流速v=2.5m/s时，铅丝石笼发生11.29m的水平位移

17、。而汛期险工处的流速普遍在1.92.2m/s之间，所以在出险部位抛下去的铅丝石笼因位移过大而难以到达险工坝体坍塌位置。2.1.2险工处水深h对抛投体稳定性的影响水深h越大，抛投体坠入底部的时间就越长，下面取流速v=2.0m/s,计算单个铅丝石笼（PG=2560kgrT?,V=0.8m3）在不同水深h下的稳定性，即计算铅校石笼在不同水深中发生的水平位移M以分析水深h对铅税石笼稳定性的影响，计算结果见表2。表2险工处水深h对单个铅丝石笼稳定性的影响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通过计算发现，在流速一定的情况下抛投单个铅丝石笼，铅丝石笼发生的顺着水流方向的水平位移，随着水深h的增大而不断增大。即流速v一定，水越深，铅幺幺石笼发生的位移爪越大，越不稳定。例如当水深为30m时，单个铅丝石笼入水后

19、发生的位移为16.94m。所以,在动水中采用抛投法抢险时，为了避免抛投体的走失，水深h是一个必须考虑的重要因素。2.2抛投体在动水中的极限抗冲流速抛投体的设计尺寸不仅要满足下落过程中的稳定性要求，还要满足落底后的稳定性要求，设计的抛投体的质量（体积）应取二者的最大值。为了确保抛投体沉入水底后的稳定性,必须根据抛投体在水中的起动流速进行质量（体积）验算。在我国江河截流中，抛投体尺寸的确定普遍采用两种方法：一种是模型试验法，另一种是采用式（9）进行计算Gt。式中：为水流平均流速,m7s;k为综合稳定系数，对单个块石取0.89,对铅丝石笼取1.07;g为重力加速度，m/S2；YGM"的称,

20、kN/m:YW为水的容重,kN/足不同抗冲流速的抛投体的等效直径D表3、等效体积v，满足极限抗冲流速的抛投体质虽（体积）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为抛投体的等

21、效直径，mo表3为计算得到的满和质量m,以供不同流速抛投抢险时参考。注：m为抛投体密度.g为水的密度2.3增强抢险抛投体稳定性的对策从以上分析可知，导致抛投体走失的关键因素是险工处的水流流速v和险工处的水深h。为了确保抛投材料达到出险部位的坝基，切实起到固脚护基的作用，有两种方法：一种是增大抛投体的质量（体积）；另一种是采取合理有效的措施约束抛投材料。2.3.1增大抛投体的质量（体积）汛期黄河下游实测平均流速为2.Om/s左右，根据式（8）可以计算出瞬时最大流速为2.5m/so选取瞬时流速v=2.5m/s为计算流速，假定险工水深为20m,计算不同体积抛投材料在动水中的位移（见表4）,进而给出增

22、强抛投材料稳定性的对策。根据表4计算结果可知，增大抛投体的体积能够起到提高其稳定性的效果。表4抛投体的体积效应对其稳定性的影响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预留抛投距离抛投体在水流中顺着水流方向的水平位移为$腿抛投物料前，先根据实测险工处流速v和水深h,估算出抛投材料可能在水中发生的位移大小II；L抛投物料时，可以考虑将抛投点（入水点）选择在逆着来流方向距离预定加固点，一的

24、地方（向量二应能够满足向量表达式r+>,从而抵消抛投体进入水流后发生的位移，保证抛疯:达到预定加固位置，起到加固出险部位的作用。2.3.3采用链接抛投体单个铅丝石笼的体积在一般在0.60.8rY?之间，质量在1.5-2.Ot之间，汛期黄河下游的平均流速为2.Om/s左右，瞬时流速高达2.5m/s。假定险工处水深20m,根据表4可知，单个0.8m3的铅丝石笼入水后顺着水流发生11.29m的位移，相当不稳定。这种情况下，仅靠抛投单个铅丝石笼很难取得抢险的成功，更谈不上抢险的高效性和经济性。采用铅丝石笼链接技术不仅能够得到质量（体积）更大的抛投体，而且抛投体通过钗链相互奉引、相互摩擦的作用，能

25、够消耗大部分能量，从而保证抛投体在动水中的稳定性。常用的多个铅税石笼之间的链接技术包括链式铅丝石笼体系、桩式铅丝石笼体系和摩擦型铅丝石笼体系三种。（1）链式铅丝石笼体系。将两个或两个以上的铅丝石笼通过钗链链接在一起，形成总质量（体积）更大源翻笼觥成糖觥稼耕曲楝疏邮疑推入险工出险部位，流速2.0m/s时在深度为20m的水中发生的位移仅为4.80m,相对于抛投的工作面来说，己经具有足够的稳定性。采用链式铅丝石笼体系，往往需要大型抛投机械，成本较高。（2）桩式铅丝石笼体系。通过绳索将铅丝石笼或体系链接到抢险作业面以外的木桩上，如图3所示，利用牵引绳索的拉力来控制抛入水中铅丝石笼的位移、运动轨迹，保证

26、抛投体到达出险部位，达到加固险工、控制险情的目的。采用桩式铅丝石笼体系抛投时，一定要注意作业区内工作人员的安全。（3）摩擦型铅丝石笼体系。该体系类似于桩式铅木桩木株图3桩式铅丝石笼体系丝.石笼体系，如图4所示，所不同的是在抢险作业面以外采用起摩擦耗能作用的铅丝石笼代替打桩。先抛入的铅丝石笼通过绳索拉动摩擦铅丝石笼，利用摩擦铅丝石笼与险工地面的摩擦力做功来消耗水中铅丝石笼的大部分能量，最后连同摩擦铅丝石笼一起到达出险部位。先投入的铅必:石建图4摩擦型铅丝石笼体系3结论通过建立铅丝石笼在动水中的受力分析模型，分析了黄河险工传统防汛抢险中抛投体存在的稳定性不足的问题及其原因，并针对目前抛投抢险中存在的问题,提出了应对措施。(1) 险工处流速V、水深h是影响抛投材料稳定性的关键因素，随着险工处流速v的增大和出险部位水深h的增大，抛投材料的水平位移不断增大，稳定性变差，很容易发生抛投体走失的现象。(2) 实际抢险中，可通过实测险工处的流速v、水深h,计算得到抛投体在水流中的位移，在此基础上设计出质量(体积)能够满足稳定性要求的抛投体，就能避免抛投体的走失，从而确保抛投材料到达拟加固的根基，起到固脚护基的作用。(3) 如果条件限制，不能抛投足够质量(体积)的材料，或者