，

(1.四川省南部縣水務(wù)局，四川 南充，637300；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都，610065)

1 引言

嘉陵江作為我國(guó)第一條全江渠化的河流，是四川省縱貫?zāi)媳钡乃\(yùn)干線[1]。近年來(lái)，由于嘉陵江流域進(jìn)行大規(guī)模的水土流失治理，同時(shí)上游修建大量的水庫(kù)，攔截了大量泥沙，使得進(jìn)入河流的泥沙變少變細(xì)[2]。此外，航道整治中，對(duì)彎道河段進(jìn)行修整凹岸，對(duì)順直河段進(jìn)行“束水攻沙”，使得河道變直變窄，從而水流流速增大[3]。來(lái)水來(lái)沙條件的改變，導(dǎo)致了河流的沖刷問(wèn)題，例如：河流對(duì)坡腳的沖刷、侵蝕，易使邊坡失穩(wěn)，從而誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害[4]；也易使穿越河道的管道沖刷、暴露，影響工程安全[5]；一方面，河床沖刷下切，導(dǎo)致水位下降，尤其是枯水期水位達(dá)不到通航要求的最低水位而影響通航；另一方面，河床沖刷不均帶來(lái)河床局部岸線崩退、切灘、局部坡陡流急、比降增大等問(wèn)題，將使通航條件進(jìn)一步惡化。

為治理河道沖刷問(wèn)題，縱向多采用丁壩[6]、鎖壩[7]、潛壩[8]等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，透水樁壩[9]、長(zhǎng)管袋沉排系列結(jié)構(gòu)[10]、網(wǎng)護(hù)壩結(jié)構(gòu)、擠壓塊沉排結(jié)構(gòu)、鉛絲籠沉排結(jié)構(gòu)、塑料編織袋護(hù)根結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行護(hù)河；亦有使用散拋塊石、軟體護(hù)底排等進(jìn)行護(hù)底加糙而抬高上游水位[11]；橫向多采用平順護(hù)岸、順壩等對(duì)河岸進(jìn)行防護(hù)[12]。

本文提出采用石籠結(jié)構(gòu)進(jìn)行柔性護(hù)河的措施。以嘉陵江南部縣河段為例，開(kāi)展概化物理模型試驗(yàn)，研究柔性護(hù)河結(jié)構(gòu)的護(hù)河功效，為治理沖刷河段，保證河勢(shì)穩(wěn)定提供理論依據(jù)。

2 研究河段概況

嘉陵江南部縣河段位于廣元至南充段，是嘉陵江干流中游的重要組成部分。該河段平均比降0.4‰～0.7‰，流量變幅極大；河床組成主要為沙卵石，粒徑分布廣，屬于典型的山區(qū)性卵石質(zhì)河段[3]。嘉陵江中游段的年平均流量變化大，最大年平均流量為1120m3/s，最小年平均流量為287m3/s[13]。每年5-9月進(jìn)入汛期，河流的沖刷與側(cè)蝕作用增強(qiáng)。

近年來(lái)，南部縣多次出現(xiàn)非法采砂現(xiàn)象(從紅巖子電站到嘉陵江大橋、嘉陵江大橋下面左側(cè)河灘，以及嘉陵江二橋下游右側(cè)河灘均出現(xiàn)了幾個(gè)較大的采砂場(chǎng))，將加劇河道的沖刷。不平衡的沖刷問(wèn)題使紅巖子電站下游航道的一側(cè)水流相對(duì)靜止，主河槽水流湍急，進(jìn)而影響船舶通航。另外，沖刷造成大量土質(zhì)流失，威脅堤防基座，影響防洪大堤的安全。同時(shí)，沖刷也將影響橋梁的安全，例如2018年7月的洪水退卻以后，南部縣嘉陵江大橋的橋墩防護(hù)設(shè)施暴露懸空，威脅橋梁安全。該河段最窄處僅約180m寬，在沖刷河段采取一定的護(hù)河措施對(duì)保證涉河建筑物的安全具有重要意義。

3 水槽試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置

如圖1，試驗(yàn)水槽長(zhǎng)18.0m，寬2.0m，深0.5m，水槽坡度為1%，為山區(qū)河流的典型河床比降。水槽上游為8.0m×3.0m×1.5m(長(zhǎng)×寬×高)的水箱，為試驗(yàn)提供恒定流。下游沉砂池和集水井，用4臺(tái)潛水泵抽水以供給試驗(yàn)時(shí)的用水循環(huán)，其中兩臺(tái)大水泵流量為116.7L/s，另外兩臺(tái)小水泵的流量分別為33.3L/s和83.3L/s。水槽前端設(shè)兩級(jí)消浪柵以平穩(wěn)水流，水槽末端設(shè)尾門以控制尾水位。

圖1 試驗(yàn)水槽示意

試驗(yàn)用石籠模型寬約10cm，高5cm。如圖2(a)、(b)，分別為石籠的示意圖與石籠試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀槟M山區(qū)河流寬級(jí)配的卵礫石河床，床沙采用非均勻沙，其粒度特征為：s=ρs/ρ=2.65，σ=(d84/d16)0.5=3.4，d50=7.5mm，試驗(yàn)床沙如圖2(c)。床沙鋪滿水槽，鋪沙后的床面比降為0.5‰，試驗(yàn)段位于水槽中部，石籠結(jié)構(gòu)垂直于河岸全斷面布置。試驗(yàn)開(kāi)始前，河床鋪為天然河床形態(tài)；試驗(yàn)結(jié)束后，將床沙拌和，以保證每組試驗(yàn)床沙級(jí)配相同。

(a)石籠示意 (b)石籠模型 (c)試驗(yàn)床沙

3.2 試驗(yàn)方案

石籠采用兩種布置方式：連續(xù)布置的石籠堰與有間隙的間隔石籠。分別開(kāi)展了在淹沒(méi)和非淹沒(méi)的水流下兩種布置方式的石籠結(jié)構(gòu)護(hù)河試驗(yàn)，共4組試驗(yàn)，如表1。

表1 試驗(yàn)工況

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 沖淤現(xiàn)象

如圖3所示，沖刷河段在無(wú)石籠結(jié)構(gòu)的保護(hù)下，河床沖刷嚴(yán)重，河床下切且河床表面粗化。當(dāng)床面有石籠結(jié)構(gòu)保護(hù)時(shí)，河床沖刷得到緩解。如圖4，石籠堰和間隔石籠保護(hù)下，結(jié)構(gòu)上游一定范圍的床面比較穩(wěn)定，細(xì)顆粒泥沙幾乎未被沖走；結(jié)構(gòu)下游出現(xiàn)了局部沖刷，但沖刷粗化程度較無(wú)石籠結(jié)構(gòu)時(shí)低，同時(shí)，非淹沒(méi)條件下的床面泥沙較淹沒(méi)條件下的更粗。

(a)沖刷前 (b)沖刷后

(a)石籠堰淹沒(méi)工況 (b)石籠堰非淹沒(méi)工況

4.2 河床高程縱向變化

如圖5(a)，石籠堰上游的河床高程在淹沒(méi)和非淹沒(méi)條件下沿縱向均變化不大；下游床面在淹沒(méi)條件下僅有局部河床高程降低，其它部分幾乎保持不變，在非淹沒(méi)條件下下游河床縱向高程幾乎整體降低。如圖5(b)，間隔石籠保護(hù)下，淹沒(méi)與非淹沒(méi)條件下的上游床面均先降低再升高，非淹沒(méi)條件降低更多；下游沖刷規(guī)律同石籠堰類似，淹沒(méi)條件下僅有局部河床下降，而非淹沒(méi)條件下幾乎床面高程均沿程降低。然而，間隔石籠保護(hù)下的河床沖刷位置的河床高程降低得更多。由圖5可知，石籠結(jié)構(gòu)的布置方式對(duì)床面穩(wěn)定有一定的影響，間隔石籠對(duì)河床的保護(hù)效果不如連續(xù)的石籠堰好。此外，不同的水流條件對(duì)河床的作用也不同，淹沒(méi)與非淹沒(méi)條件下受石籠結(jié)構(gòu)保護(hù)，上游的河床地形相差較小；下游的地形在非淹沒(méi)條件下比淹沒(méi)條件下更嚴(yán)重，局部沖刷范圍更廣、沖刷深度更深。

(a)石籠堰 (b)間隔石籠

4.3 河床高程橫向變化

(a)石籠堰上游 (b)石籠堰下游

圖6與圖7分別為石籠堰與間隔石籠上下游典型橫斷面的床面高程橫向變化圖。如圖6(a)所示，在石籠結(jié)構(gòu)的保護(hù)下，上游河床沖刷前后的橫向高程變化較??；而結(jié)構(gòu)下游的河床橫向變化劇烈，沖刷后出現(xiàn)不均勻的沖刷坑，且非淹沒(méi)水流條件下較淹沒(méi)條件更劇烈，如圖6(b)。間隔石籠保護(hù)下，上游河床橫向上更加趨于平穩(wěn)，水流作用使得泥沙將床面低洼處填的更高，如圖7(a)中，Y=0.1m～0.6m與Y=1.6m～1.9m范圍的床面均在沖刷后高程增加；間隔石籠下游，沖刷后的床面橫向高程較沖刷前低，出現(xiàn)了凹凸相間的沖刷坑，且非淹沒(méi)條件下的沖刷深度更大，如圖7(b)。

(a)間隔石籠上游 (b)間隔石籠下游

5 分析與討論

石籠結(jié)構(gòu)采用當(dāng)?shù)芈训[石材料，且具有透水性，同時(shí)結(jié)構(gòu)能自適應(yīng)床面變形，是一種經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、穩(wěn)定的護(hù)河結(jié)構(gòu)。石籠作為一種柔性結(jié)構(gòu)，對(duì)于穩(wěn)定河床有一定的作用，并且連續(xù)的石籠堰比間隔石籠具有更好的護(hù)河效果。這主要是因?yàn)槭\堰將整個(gè)河床橫向阻斷，結(jié)構(gòu)上游形成回水區(qū)，水流流速減小，沖刷作用減弱，從而上游河床非常穩(wěn)定；此外，石籠具有一定的透水性，部分水流從石縫中滲出，從堰體表面溢流的流量變小，從而形成的水躍較小，對(duì)堰體下游僅產(chǎn)生輕微的局部沖刷，同時(shí)堰體對(duì)水流進(jìn)行消能減速，堰體下游的河床也得到一定的保護(hù)。間隔石籠作用時(shí)，上游不能完全形成回水區(qū)，從而上游流速較大，但在石籠附近由于一定的阻水作用，流速降低，上游泥沙沖刷至石籠附近停淤。水流會(huì)集中從石籠間的間隙通過(guò)，形成較大流速區(qū)，從而每個(gè)間隙對(duì)應(yīng)的位置形成較大的沖刷坑。

淹沒(méi)條件下的水深較大，水流流速垂向分布為對(duì)數(shù)分布，近底流速小，對(duì)泥沙的沖刷作用?。欢茄蜎](méi)條件下的水深較低，近底流速接近表面流速，流速較大，對(duì)泥沙的沖刷作用更為劇烈，因此，非淹沒(méi)水流條件下的床面沖刷更劇烈。

6 結(jié)論

針對(duì)嘉陵江的河流沖刷問(wèn)題，提出采用石籠結(jié)構(gòu)進(jìn)行護(hù)河。本文以南部縣沖刷河段為原型，開(kāi)展了4組概化模型水槽試驗(yàn)，研究了淹沒(méi)和非淹沒(méi)兩種不同水流條件下，連續(xù)和間隔兩種不同布置型式的石籠結(jié)構(gòu)對(duì)沖刷河道的床面沖淤及床面高程的影響，得到以下結(jié)論：

(1)石籠結(jié)構(gòu)對(duì)沖刷河道具有良好的保護(hù)作用，上游明顯促淤，下游能一定程度緩解河床沖刷與粗化；

(2)連續(xù)布置的石籠堰相比于間隔布置的石籠具有更好的護(hù)河效果；

(3)非淹沒(méi)水流條件下的近底流速大，河床沖刷較淹沒(méi)條件下更劇烈；

(4)石籠結(jié)構(gòu)作為一種柔性護(hù)河結(jié)構(gòu)，具有良好的工程效果、生態(tài)環(huán)境效益與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可在沖刷河段治理中推廣應(yīng)用。