王立新

（遼寧喀左縣水利局，遼寧 朝陽122300）

1 技術原理

1.1 設計思路

受氣候因素的影響，我國汛期洪澇災害十分嚴重，特別是堤壩潰口對當?shù)厝罕姷纳敭a(chǎn)安全造成嚴重威脅[1]。雖然我國在理論研究和抗洪搶險實踐中積累了豐富的堤壩潰口堵復技術[2]，但是面對落差大、流速高的大江大河干流潰口，現(xiàn)有的技術仍舊難以迅速堵復。上述潰口不能迅速堵復的主要原因是向潰口中拋投的物體難以迅速生根和擴散[3]?；诖?，此次研究基于河工臨河火箭推進技術，利用向潰口的關鍵部位釋放帶索火箭錨，利用火箭的機動性、超強推力和鉆地功能，構建火箭陣列錨，實現(xiàn)鋼網(wǎng)石籠聯(lián)合體的多通道快速投送，進而開發(fā)出快速、高效的江河潰口堵口技術。

1.2 工作原理

按照技術思路，火箭錨鋼網(wǎng)石籠潰口堵復技術的基本流程如下：

1）在江河潰口發(fā)生之后，要借助無人機和衛(wèi)星等現(xiàn)代科技，調(diào)查獲取潰口的精確參數(shù)[4]，通過對上述參數(shù)的分析和研判，確定是否采用提出的新技術進行堵復；

2）向潰口的預設部位發(fā)射火箭錨，當錨體鉆進至預設深度時，錨爪張開“生根”于河底，將錨索與堤岸上的固結點連接牢固，從而構建起多路并行的堅固滑投通道，其工作示意圖如圖1 所示；

3）利用上一步構建的多通路快速滑投通道，進行預制鋼網(wǎng)石籠的快速滑投作業(yè)，通過石籠群以及火箭錨索的相互作用，快速建立起潰口堵復的支撐點，同時投入長管袋來抵御大洪水沖刷堤防附近的河床，加速潰口堵復作業(yè)進程，其工作示意圖如圖2 所示。

圖1 火箭錨發(fā)射示意圖

圖2 石籠投送作業(yè)示意圖

2 模型試驗設計

2.1 模型制作

為了驗證潰口堵復新技術的有效性，以某潰口資料為依據(jù)在室內(nèi)建立物理模型[5]。模型的幾何比尺為1∶50；流速比尺為7.0；流量比尺為17 600；時間比尺為7.0；糙率比尺為2.0。潰口的形狀為近似的倒等腰梯形形狀，頂寬和底寬分別為120 cm和72 cm，潰口上下游的斷頭堤長度均為300 cm，潰口下游的灘涂區(qū)長300 cm，寬度為650 cm，設計最大流量為110 L/s，最大流速為1.13 m/s。為了準確模擬大堤外各種物體的雍水作用，模型設計了寬1 m的排水口雍水閘門以及寬4 m的尾水口和尾水閘門[6]。具體的模型布置示意圖如圖3所示。

圖3 物理模型示意圖

2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測

試驗過程中需要進行流量、流場以及水位的測量和監(jiān)測[7]。其中，流量的監(jiān)測采用E-mag 電磁流量計，并利用無線Wi-Fi 實現(xiàn)流量的遠程實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄；流場實時監(jiān)控由攝像輸入系統(tǒng)承擔，在潰口的上游和下游分別布設一套系統(tǒng)；在模型的河道與堤外的灘涂區(qū)分別布置一套水位測針系統(tǒng)進行水位監(jiān)測，精度為0.1 mm。

2.3 試驗材料

鋼網(wǎng)石籠具有透水性好、穩(wěn)定性強、取材制作方便的優(yōu)勢，是干流河道大中型潰口堵口中最常用的物料[8]。因此，文章研究選擇鋼網(wǎng)石籠和長管袋為主要堵口材料，其具體規(guī)格參數(shù)如表1 所示。長管袋原型的長、寬、高分別為8，4，2 m，容重為1.6 kg/m3。試驗中按照1∶50 的比尺進行鋼網(wǎng)石籠模型的制作，并選擇粒徑為4～6 mm 的礫石作為填充料。

表1 試驗原型石籠的規(guī)格參數(shù)

2.4 試驗過程

在模型潰口上游的底板部位打入若干個鋼制鉚釘，以模擬錨索的固定節(jié)點位置，用尼龍線代替錨索滑投模型石籠。在試驗開始之前，首先測量和記錄潰口的流速、水深、流量等基本參數(shù)。在堵口過程中每間隔2 min 向潰口中拋投一定數(shù)量的物料，并記錄下相應的參數(shù)，當潰口流量為0 時，試驗結束。

2.5 試驗工況

為了驗證不同特征潰口下堵口技術的有效性，設計了急流和緩流兩種試驗工況，其具體的參數(shù)設計如表2 所示。

表2 試驗工況設計

3 試驗結果與分析

3.1 水流參數(shù)試驗結果分析

對試驗過程中不同試驗時段的水流參數(shù)進行整理，結果如表3 所示。表3 中個別的潰口流量為負，原因可能是分流量的計算誤差導致的。以表3中的數(shù)據(jù)為基礎，對兩種工況下試驗時間和水位差、潰口水深以及潰口流速之間的關系進行擬合分析，獲得如圖4 和圖5 所示的擬合曲線。由圖4（a）可知，在工況1 條件下，潰口流速隨著堵口時間的推移，呈現(xiàn)出先迅速降低，再緩慢升高，最后又迅速降低的態(tài)勢，在第15 min 時，潰口流速已經(jīng)降低至0.4 m/s；在堵口過程中，潰口內(nèi)外水位差隨著堵口時間的推移，呈現(xiàn)出逐漸增大后逐漸趨于穩(wěn)定的特征，最后在8.8 cm 左右穩(wěn)定下來，說明潰口封堵在第15 min 基本完成。由圖4（b）可知，工況2 條件下的潰口流速和潰口內(nèi)外水位差的變化規(guī)律與工況1 類似。由圖5 可知，隨著堵口時間的推移，潰口外側水深呈現(xiàn)出先緩慢減小后迅速降低的趨勢。同時，在潰口封堵完畢之后，該側積水并不會在短期內(nèi)排干，因此會在特定水位高度維持一段時間?？傮w而言，雖然工況2 條件下的潰口封堵歷時較長，但是相對于傳統(tǒng)的堵口技術，封堵時間有明顯縮短。

表3 模型試驗水流參數(shù)統(tǒng)計表

3.2 材料使用試驗結果

對試驗過程中的相關數(shù)據(jù)進行整理，結果如表4 所示。由表4 中的結果可知，堵口所需要的各種物料的總量隨著堵口時間的推移而不斷增加。當然，石籠并不都是通過錨索滑投，而是在通過錨索滑投了一定數(shù)量之后，需要以這些石籠形成的支撐點在上游側自由拋投各種物料，最終實現(xiàn)潰口的完全封堵。當然，自由拋投的物料會由于水流作用造成損失。具體而言，在工況C-1 的急流狀態(tài)下，4，6，9 t 石籠以及長管袋損失的個數(shù)分別為1 個、1 個、18 個和5 個，損失率分別為0.97%，0.98%，9.55%和1.92%，綜合損失率為3.73%；在工況2 的緩流條件下，4 ，6，9 t 石籠以及長管袋損失的個數(shù)分別為2 個、1 個、13 個和4 個，損失率分別為1.89%，0.99%，7.03%和1.54%，綜合損失率為3.07%。由此可見，緩流條件下的物料損失率較低，同時兩種試驗工況下的物料損失全部為自由拋投而被水流沖走的物料。與傳統(tǒng)的堵口技術方案下大量拋投物料被沖向下游的情況相比，文章提出的堵口技術下的物料損失率大幅降低，說明該技術具有顯著的效果和可靠性。

圖4 堵口時間與潰口流速和水位差擬合曲線

圖5 堵口時間和下游水深擬合曲線

4 結語

此次研究針對當前大江大河潰口封堵過程中存在的技術問題，提出了火箭錨鋼網(wǎng)石籠潰口堵復技術，并進行了相應的模型試驗研究。結果顯示，采用該技術進行高落差、大流量潰口封堵，可以大幅降低物料損失，縮短封堵時間，具有重要的實際應用和推廣價值。但是，受到諸多研究因素的影響，研究中沒有對石籠的規(guī)格進行較多設計，對錨索本身的材料特征也沒有進行詳細的分析。在今后的研究中，需要在上述方面進行更多的研究和分析，以便為技術的推廣應用提供更多的理論支持和技術指導。

表34 模型試驗物料使用情況統(tǒng)計表