黃河搶險(xiǎn)柳石枕折斷原因分析及對(duì)策研究

張亞坤 侯黎黎 梁建林

摘?要：為了弄清黃河防汛搶險(xiǎn)中柳石枕出現(xiàn)“斷枕”現(xiàn)象的主要原因，進(jìn)而有針對(duì)性地采取避免柳石枕折斷的措施，實(shí)現(xiàn)黃河防汛搶險(xiǎn)的集約化，以柳石枕為研究對(duì)象，建立其動(dòng)水中的抗折斷受力分析模型，推導(dǎo)柳石枕折斷彎矩計(jì)算公式，計(jì)算柳石枕在不同流速下的最大應(yīng)力。研究發(fā)現(xiàn)：汛期水流流速增大及其對(duì)柳石枕的沖擊不是柳石枕折斷的主要原因，而柳料的選用、柳石枕制作工藝、溜繩的設(shè)置以及推枕時(shí)的用力情況等是防汛搶險(xiǎn)中柳石枕是否發(fā)生折斷的主要影響因素。采用鉛絲網(wǎng)對(duì)柳石枕進(jìn)行增強(qiáng)、選用優(yōu)質(zhì)柔性樹(shù)頭柳、嚴(yán)格控制柳石枕制作工藝、合理設(shè)置溜繩和梱枕繩的數(shù)量及間距、推枕時(shí)用力均勻等措施能有效地避免柳石枕發(fā)生折斷破壞。

關(guān)鍵詞：防汛搶險(xiǎn);柳石枕;折斷強(qiáng)度;鉛絲網(wǎng)增強(qiáng)柳石枕;黃河

中圖分類(lèi)號(hào)：TV871.3;TV882.1?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.010

Analysis on the Broken Cause of Bind Willow-Rock for Emergency Rescue in the Yellow

River and Study on Its Countermeasures

ZHANG Yakun1，2， HOU Lili1，2， LIANG Jianlin1

（1.Yellow River Conservancy Technical Institute， Kaifeng 475004， China;

2.Kaifeng Yellow River Civil Engineering Experimental Center， Kaifeng 475004， China）

Abstract：In order to clarify the main causes of the breakage of bind willow-rock during the flood control and emergency rescue of the Yellow River， take measures to avoid the breakage of bind willow-rock and realize the intensification of the Yellow River flood control and emergency rescue， in this paper， taking bind willow-rock as the research object， the analysis model of breaking resistance force in moving water was established. The calculation formula of breaking moment of bind willow-rock was deduced and the maximum stress of bind willow-rock at different velocities was calculated. The results suggest that the increase of flow velocity in flood season is not the main reasons for the breakage of the bind willow-rock. The main reasons for the breakage are the selection of willow material， the manufacturing technology of bounding， the setting of the rope and the force exerted during the bind willow-rock pushing. Using gabion to strengthen the bind willow-rock， choosing high-quality flexible willow branches， strictly controlling the manufacturing technology， reasonably setting the number and spacing of the rope and even force when pushing the bind willow-rock down can effectively avoid the breakage of the bind willow-rock.

Key words： flood control and emergencyrescue; bind willow-rock; breaking strength; bind willow-rock reinforced by gabion; Yellow River

黃河具有泥沙含量大、容易淤積、游蕩性強(qiáng)、河勢(shì)多變的特點(diǎn)[1]，再加上汛期水位升高、流量增大、流速加快，黃河險(xiǎn)工壩岸經(jīng)常出現(xiàn)坍塌、土胎外露等險(xiǎn)情[2]。若不及時(shí)搶護(hù)，險(xiǎn)情會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，以致造成主溜頂沖大堤，危及兩岸人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。向出險(xiǎn)壩岸拋投柳石枕等埽體，能夠起到緩溜落淤[3]、固沙促淤、穩(wěn)定堤壩的效果，對(duì)黃河的歲歲安瀾起到了重要作用[4-5]。然而，以往拋投柳石枕?yè)岆U(xiǎn)中，柳石枕經(jīng)常出現(xiàn)枕體折斷現(xiàn)象，從而喪失搶險(xiǎn)功能。這種情況下，不得不通過(guò)增加拋投數(shù)量、提高拋投強(qiáng)度等措施來(lái)控制險(xiǎn)情，造成了人力、財(cái)力、物力的過(guò)量投入，使得搶險(xiǎn)出現(xiàn)極大的浪費(fèi)。長(zhǎng)期以來(lái)，人們很少關(guān)注柳石枕在汛期搶險(xiǎn)中“斷枕”的根本原因，更談不上有針對(duì)性地采取措施避免柳石枕的折斷。弄清楚拋投柳石枕折斷的原因，指導(dǎo)防汛搶險(xiǎn)中采取防止柳石枕折斷的措施，對(duì)實(shí)現(xiàn)黃河防汛搶險(xiǎn)集約化具有積極的指導(dǎo)意義。

1?柳石枕防汛搶險(xiǎn)簡(jiǎn)介

1.1?柳石枕的結(jié)構(gòu)

柳石枕是黃河防汛搶險(xiǎn)中常用的一種拋投體，一般是由柳料包裹防汛石塊捆扎而成的圓柱體[3，5]，橫斷面為圓形，如圖1所示。柳石枕的直徑約為1.0 m，長(zhǎng)度約為10.0 m，體積約為7.85 m3，質(zhì)量約為4.0 t。柳石枕在防汛搶險(xiǎn)中具有較好的閉氣效果，且容易操作，搶險(xiǎn)速度快[6]。

1.2?防汛搶險(xiǎn)中柳石枕的“斷枕”現(xiàn)象

黃河河道寬闊，斷面流速分布不均，水流泥沙含量高，流速觸變性強(qiáng)[7]，受險(xiǎn)工、控導(dǎo)工程等因素的影響產(chǎn)生大量旋渦，旋渦中心附近的流速及壓強(qiáng)較小。柳石枕拋入出險(xiǎn)部位水流之后，流速不均、旋渦、湍流等對(duì)柳石枕枕體不同部位產(chǎn)生不同的相對(duì)作用，邊坡、缺口等對(duì)柳石枕產(chǎn)生的支撐作用，類(lèi)似于長(zhǎng)圓柱體的支座，如圖2所示。柳石枕在水流作用力下產(chǎn)生一定的受力彎曲效應(yīng)，且隨著流速的增大而增大。柳石枕枕體長(zhǎng)度一般較大，在汛期水流作用下枕中部位會(huì)產(chǎn)生較大力矩，加之柳石枕外層由抗折斷強(qiáng)度不高的柳枝包裹，隨著汛期出險(xiǎn)部位流速增大，柳石枕會(huì)因柳料層的抗折斷強(qiáng)度不足而發(fā)生“斷枕”現(xiàn)象。柳石枕在動(dòng)、靜水壓力下產(chǎn)生的最大應(yīng)力σmax一旦超過(guò)柳料的容許應(yīng)力[σ]，就會(huì)發(fā)生“斷枕”現(xiàn)象。因此，保證柳石枕入水后的抗折斷強(qiáng)度是確保拋投柳石枕?yè)岆U(xiǎn)效果的關(guān)鍵，對(duì)實(shí)現(xiàn)黃河拋投搶險(xiǎn)集約化具有重要的作用。人 民 黃 河?2020年第10期

2?柳石枕抗折斷分析及制作工藝

2.1?抗折斷受力模型

推入水流中的柳石枕除了承受靜水壓力q之外，還承受平均流速為v的水流的動(dòng)水作用力F。在最不利工況下，靜水壓力和動(dòng)水壓力同時(shí)在枕體的中部產(chǎn)生最大的折斷彎矩Mmax [8-10]。

柳石枕迎水面上的靜水壓力沿著水深的分布圖形為三角形。沿著跨度L方向分布的線荷載的荷載集度為靜水壓力分布圖的面積，壓力大小可由式（1）確定。

q=12γh2（1）

式中：γ為水的容重，取10 kN/m3;h為水面到計(jì)算點(diǎn)的水深，m。

柳石枕的長(zhǎng)度L可以看作梁的跨度，靜水壓力q（滿跨均布荷載）作用在簡(jiǎn)支梁上的彎矩如圖3所示，控制截面產(chǎn)生的彎矩M0可由式（2）求得。

M0=18qL2（2）

為了方便計(jì)算，根據(jù)力的等效原理，考慮流速為v的水流在柳石枕迎水面產(chǎn)生的合力為F。動(dòng)量守恒定律認(rèn)為，液體合力的沖量等于其動(dòng)量的變化，即

Ft=mv（3）

式中：F為動(dòng)水產(chǎn)生的合力，N;t為時(shí)間，s;m為質(zhì)量，kg;v為水流流速，m/s，計(jì)算中取出險(xiǎn)部位的實(shí)測(cè)流速。

dt時(shí)間內(nèi)沖擊柳石枕的水流質(zhì)量為ρSvdt，式（3）可進(jìn)一步寫(xiě)為Fdt=ρSv2dt，即

F=ρSv2（4）

式中：ρ為水的密度，kg/m3;S為淹沒(méi)柳石枕的水流在垂直流速方向投影的面積，m2。

于是，沖擊柳石枕的等效合力F可以根據(jù)式（4）計(jì)算得到。

集中荷載作用下簡(jiǎn)支梁的彎矩如圖4所示。

動(dòng)水作用力F產(chǎn)生的彎矩M1可由公式（5）計(jì)算得到。

M1=ρSv2L （5）

綜上分析，柳石枕在水流中承受的最大彎矩Mmax為

Mmax=M0+M1=116γh2L2+ρSv2L（6）

對(duì)于柳石枕枕體的最大彎曲應(yīng)力σmax，可以由彎曲應(yīng)力計(jì)算公式求得：

σmax=MmaxIymax（7）

式中：I為圓形斷面的對(duì)形心軸的慣性矩，m4，可由圓周率與柳石枕直徑d的4次方的乘積除以64得到;ymax為最大應(yīng)力點(diǎn)到形心軸的距離，m。

柳石枕在水流作用下的最大彎矩Mmax所產(chǎn)生的最大彎曲應(yīng)力σmax一旦超過(guò)其容許應(yīng)力[σ]，就可能發(fā)生折斷。

2.2?抗折斷驗(yàn)算

為了揭示水流流速增大對(duì)柳石枕折斷的影響，流速v從0開(kāi)始以0.5 m/s為級(jí)差取至4.0 m/s，利用式（1）至式（7）進(jìn)行柳石枕的抗折斷計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，隨著流速的增大，柳石枕的柳料包裹層外圍產(chǎn)生的折斷應(yīng)力不斷增大。黃河下游汛期水流流速普遍低于2.5 m/s[11]。當(dāng)流速達(dá)到2.5 m/s時(shí)，枕體最大應(yīng)力σmax為7.01 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到梢柳的抗折斷強(qiáng)度。因此，黃河防汛搶險(xiǎn)中柳石枕折斷的主要原因不是汛期水流流速的增大。

2.3?柳料的選用

梢柳是柳石枕的主要組成材料之一，分布在柳石枕的外圍，能夠包裹防汛石料，并在防汛搶險(xiǎn)中起到落淤閉氣的作用。枝條柔韌的低矮柳樹(shù)和生長(zhǎng)旺盛的樹(shù)頭柳是良好的制枕柳料，具有粗細(xì)均勻、枝條完整、柳葉茂盛、沒(méi)有病害和斷枝、強(qiáng)度較高、柔韌性強(qiáng)等特點(diǎn)。柳枝的直徑以30～40 mm、長(zhǎng)度以2～3 m為宜。質(zhì)量?jī)?yōu)良的柳料是防止柳石枕發(fā)生折斷的重要前提。柳料不足時(shí)可采用無(wú)刺樹(shù)木的枝條（楊樹(shù)枝條、榆樹(shù)枝條等）以及蘆葦、高粱稈、玉米稈、麥秸稈等代替部分柳料。實(shí)際搶險(xiǎn)中，采用質(zhì)量較差的梢柳制作柳石枕往往是造成柳石枕斷枕的重要原因之一。

2.4?柳石枕制作工藝

柳石枕制作的工藝流程：選定捆枕位置→鋪放墊樁→設(shè)置捆枕繩→擺放溜繩→鋪織柳枝→排壘塊石→設(shè)置龍筋繩→再排壘塊石→蓋柳→捆枕→推枕入水。保證柳石枕制作流程中每個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量，是確保柳石枕不發(fā)生斷枕的關(guān)鍵。

2.4.1?鋪放墊樁、溜繩

鋪放的墊樁可作為推枕入水時(shí)的杠桿。在推枕過(guò)程中，墊樁對(duì)柳石枕起到支撐作用。如果墊樁的間距過(guò)大，柳石枕在自重作用下會(huì)發(fā)生極大的彎曲，再加上推枕時(shí)的巨大推力，柳石枕就會(huì)沿著搭接處等薄弱部位發(fā)生枕體折斷。因此，鋪放墊樁時(shí)要嚴(yán)格控制墊樁之間的距離。溜繩用來(lái)控制推枕入水時(shí)柳石枕的滾動(dòng)速度，如果溜繩設(shè)置過(guò)于稀疏，同樣能夠造成柳石枕枕體出現(xiàn)較大的局部受力，從而發(fā)生枕體折斷。合理的墊樁間距、溜繩間距是避免柳石枕發(fā)生折斷的重要因素。

2.4.2?柳料搭接

柳料搭接不當(dāng)包含兩個(gè)方面，一是柳枝搭接長(zhǎng)度不足，二是同一接頭范圍內(nèi)出現(xiàn)過(guò)多的搭接次數(shù)，即搭接率過(guò)大。柳石枕一般長(zhǎng)達(dá)10 m，而柳枝的長(zhǎng)度一般為2～3 m，這就需要將柳枝搭接，而搭接接頭處就成了柳石枕的薄弱環(huán)節(jié)，在推枕過(guò)程中容易因搭接不當(dāng)而出現(xiàn)漏石、斷枕現(xiàn)象。柳石枕制作過(guò)程中，保留足夠的搭接長(zhǎng)度和同一接頭范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)拇罱勇适潜苊饬戆l(fā)生折斷的重要保證。鋪底柳枝應(yīng)分兩層鋪設(shè)，從上游端頭開(kāi)始，根部朝上游端，依次搭接鋪設(shè)至枕體的另一端頭，搭接長(zhǎng)度以大于柳枝長(zhǎng)度的一半為宜。第二層從下游端頭開(kāi)始鋪設(shè)，根部朝向下游，依次搭接鋪設(shè)至枕體的上游端頭。上、下游端頭處應(yīng)加鋪一層，以加厚枕體的兩端，方便后期枕體的封口。搭接接頭應(yīng)盡可能錯(cuò)開(kāi)鋪設(shè)，避免薄弱環(huán)節(jié)集中在同一接頭范圍內(nèi)，造成斷枕現(xiàn)象。因此，實(shí)際搶險(xiǎn)中，柳料搭接長(zhǎng)度不足或同一接頭范圍內(nèi)搭接率過(guò)大是造成柳石枕斷枕的重要原因。

2.4.3?捆枕繩的間距

麻繩捆枕是柳石枕制作中非常關(guān)鍵的工藝，捆枕繩對(duì)柳料和石料起到重要的橫向約束作用，保證組成柳石枕的散碎材料形成穩(wěn)定密實(shí)的整體。如果捆枕繩間距過(guò)大，柳枝的部分搭接接頭就會(huì)失去橫向約束，在推枕過(guò)程中，塊石會(huì)因相互擠壓而沖破柳枝搭接處的薄弱部位，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)發(fā)生柳石枕的折斷。因此，捆枕繩的設(shè)置不能過(guò)于稀疏，一般情況下，相鄰捆枕繩之間的間隔不應(yīng)超過(guò)0.5 m。

2.4.4?推枕入水

推枕入水時(shí)，每檔兩人，一人以肩膀推枕，一人掀墊樁，全體推枕人員應(yīng)號(hào)齊推，以確保枕體受力均勻，不致產(chǎn)生局部受力過(guò)大的現(xiàn)象。反之，推枕入水時(shí)如果施加在柳石枕上的力不夠均勻，枕體就容易因出現(xiàn)局部受力集中而發(fā)生折斷。

3?增強(qiáng)柳石枕抗折斷強(qiáng)度的對(duì)策

在防汛搶險(xiǎn)中，采取科學(xué)有效的措施確保柳石枕不出現(xiàn)“斷枕”是控制險(xiǎn)情的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)黃河集約化搶險(xiǎn)的有效途徑。采用鉛絲網(wǎng)增強(qiáng)柳石枕的技術(shù)、選用枝條柔韌的低矮柳樹(shù)和生長(zhǎng)旺盛的樹(shù)頭柳、嚴(yán)格控制柳石枕制作工藝、合理設(shè)置墊樁、保證柳枝之間的搭接質(zhì)量、合理設(shè)置溜繩和梱枕繩、推枕入水時(shí)用力均勻等措施都有助于防止柳石枕在防汛搶險(xiǎn)中發(fā)生“斷枕”。

3.1?采用鉛絲網(wǎng)增強(qiáng)柳石枕技術(shù)

傳統(tǒng)柳石枕的外圍是用柳料包裹而成，而柳料的搭接接頭處是其薄弱環(huán)節(jié)，容易被塊石擠壓而發(fā)生折斷。制作鉛絲籠的鉛絲網(wǎng)片是由抗拉強(qiáng)度很高的鉛絲制成，采用鉛絲網(wǎng)包裹柳石枕柳料的最外層，將大大提高柳石枕的抗折斷強(qiáng)度。在防汛搶險(xiǎn)中，應(yīng)考慮采用鉛絲網(wǎng)增強(qiáng)柳石枕的技術(shù)方法進(jìn)行搶險(xiǎn)。鉛絲網(wǎng)增強(qiáng)柳石枕拋投體的斷面見(jiàn)圖5。這種方法的特點(diǎn)是枕體施工較為復(fù)雜，成本較高，枕體的抗折斷強(qiáng)度高，不易發(fā)生枕體的折斷。

3.2?嚴(yán)格控制柳石枕的制作工藝

除了選用枝條柔韌的低矮柳樹(shù)和生長(zhǎng)旺盛的樹(shù)頭柳外，嚴(yán)格控制柳石枕制作工藝流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)也是避免柳石枕發(fā)生斷枕的重要措施。合理設(shè)置墊樁的間距、控制捆枕繩的最大間距、配備足夠數(shù)量的溜繩、保證柳枝之間的搭接長(zhǎng)度、避免在同一斷面搭接柳枝、推枕入水時(shí)用力均勻等都是避免柳石枕折斷的重要措施。

4?結(jié)?論

（1） 通過(guò)建立柳石枕抗折斷受力分析模型，推導(dǎo)了柳石枕的折斷應(yīng)力計(jì)算公式，計(jì)算了不同流速情況下柳石枕的折斷應(yīng)力。柳石枕能夠適應(yīng)汛期高速水流的沖刷而不發(fā)生折斷，汛期水流流速增大對(duì)柳石枕的沖擊作用不是防汛搶險(xiǎn)中柳石枕發(fā)生折斷的主要原因，而選用柳料不良，柳把搭接處的處理不當(dāng)，墊樁、捆枕繩、溜繩間距不合理和推枕時(shí)用力不勻等是柳石枕發(fā)生折斷的主要原因。

（2） 黃河防汛搶險(xiǎn)中，可以考慮選用枝條柔韌的低矮柳樹(shù)和生長(zhǎng)旺盛的樹(shù)頭柳，保證柳石枕制作中柳把之間的搭接長(zhǎng)度，柳把之間的搭接接頭盡可能錯(cuò)開(kāi)，設(shè)置合理的墊樁間距，嚴(yán)格控制捆枕繩之間的最大間距，擺放合理數(shù)量的溜繩并擺放均勻，推枕時(shí)用力均勻并保證人員安全，采用鉛絲網(wǎng)增強(qiáng)柳石枕的辦法，從而避免柳石枕發(fā)生斷枕，實(shí)現(xiàn)黃河防汛搶險(xiǎn)的集約化。

參考文獻(xiàn)：

[1]?李勇，王衛(wèi)紅，張寶森，等.長(zhǎng)期低含沙水流作用下黃河下游河勢(shì)調(diào)整過(guò)程[J].人民黃河，2019，41（3）：31-35.

[2]?韓亞娟，張清田.黃河堤防臨河坡風(fēng)浪險(xiǎn)情搶護(hù)方法探討[J].人民黃河，2002，24（12）：20-21.

[3]?徐福齡，胡一三.黃河埽工簡(jiǎn)介[J].人民黃河，1984，6（4）：41-44.

[4]?田毛煥，張曙光，蘇立志. 黃河埽工中水中進(jìn)占搶險(xiǎn)淺議[J].科技信息，2008（32）：369.

[5]?段麗娜，段麗燕，馬軍旗.黃河搶險(xiǎn)新技術(shù)“餃子網(wǎng)埽”的研究與應(yīng)用[J].河南水利與南水北調(diào)，2015（14）：121-122.

[6]?譚澤斌. 柳石枕在防汛搶險(xiǎn)中的應(yīng)用[J].山西建筑，2011（18）：214-215.

[7]?吳騰，張紅武.黃河下游斜河形成機(jī)理分析[J].人民黃河，2011，33（3）：13-14.

[8]?張瑞瑾，謝鑒衡.河流動(dòng)力學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2007：102-106.

[9]?李煒，徐孝平.水力學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2000：74-79.

[10]?肖煥雄.施工水力學(xué)[M].北京：水利電力出版社，1992：78-81.

[11]?蘇運(yùn)啟，趙咸榕，程艷紅，等. 黃河下游洪水期主槽水力因子變化研究[J].人民黃河，2000，22（11）：5-6.

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