嘉陵江冲刷河段石笼护河试验研究

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(1.四川省南部县水务局，四川 南充，637300；2.四川大学水利水电学院，成都，610065)

1 引言

嘉陵江作为我国第一条全江渠化的河流，是四川省纵贯南北的水运干线[1]。近年来，由于嘉陵江流域进行大规模的水土流失治理，同时上游修建大量的水库，拦截了大量泥沙，使得进入河流的泥沙变少变细[2]。此外，航道整治中，对弯道河段进行修整凹岸，对顺直河段进行“束水攻沙”，使得河道变直变窄，从而水流流速增大[3]。来水来沙条件的改变，导致了河流的冲刷问题，例如：河流对坡脚的冲刷、侵蚀，易使边坡失稳，从而诱发地质灾害[4]；也易使穿越河道的管道冲刷、暴露，影响工程安全[5]；一方面，河床冲刷下切，导致水位下降，尤其是枯水期水位达不到通航要求的最低水位而影响通航；另一方面，河床冲刷不均带来河床局部岸线崩退、切滩、局部坡陡流急、比降增大等问题，将使通航条件进一步恶化。

为治理河道冲刷问题，纵向多采用丁坝[6]、锁坝[7]、潜坝[8]等传统结构，透水桩坝[9]、长管袋沉排系列结构[10]、网护坝结构、挤压块沉排结构、铅丝笼沉排结构、塑料编织袋护根结构等新型结构进行护河；亦有使用散抛块石、软体护底排等进行护底加糙而抬高上游水位[11]；横向多采用平顺护岸、顺坝等对河岸进行防护[12]。

本文提出采用石笼结构进行柔性护河的措施。以嘉陵江南部县河段为例，开展概化物理模型试验，研究柔性护河结构的护河功效，为治理冲刷河段，保证河势稳定提供理论依据。

2 研究河段概况

嘉陵江南部县河段位于广元至南充段，是嘉陵江干流中游的重要组成部分。该河段平均比降0.4‰～0.7‰，流量变幅极大；河床组成主要为沙卵石，粒径分布广，属于典型的山区性卵石质河段[3]。嘉陵江中游段的年平均流量变化大，最大年平均流量为1120m3/s，最小年平均流量为287m3/s[13]。每年5-9月进入汛期，河流的冲刷与侧蚀作用增强。

近年来，南部县多次出现非法采砂现象(从红岩子电站到嘉陵江大桥、嘉陵江大桥下面左侧河滩，以及嘉陵江二桥下游右侧河滩均出现了几个较大的采砂场)，将加剧河道的冲刷。不平衡的冲刷问题使红岩子电站下游航道的一侧水流相对静止，主河槽水流湍急，进而影响船舶通航。另外，冲刷造成大量土质流失，威胁堤防基座，影响防洪大堤的安全。同时，冲刷也将影响桥梁的安全，例如2018年7月的洪水退却以后，南部县嘉陵江大桥的桥墩防护设施暴露悬空，威胁桥梁安全。该河段最窄处仅约180m宽，在冲刷河段采取一定的护河措施对保证涉河建筑物的安全具有重要意义。

3 水槽试验

3.1 试验装置

如图1，试验水槽长18.0m，宽2.0m，深0.5m，水槽坡度为1%，为山区河流的典型河床比降。水槽上游为8.0m×3.0m×1.5m(长×宽×高)的水箱，为试验提供恒定流。下游沉砂池和集水井，用4台潜水泵抽水以供给试验时的用水循环，其中两台大水泵流量为116.7L/s，另外两台小水泵的流量分别为33.3L/s和83.3L/s。水槽前端设两级消浪栅以平稳水流，水槽末端设尾门以控制尾水位。

图1 试验水槽示意

试验用石笼模型宽约10cm，高5cm。如图2(a)、(b)，分别为石笼的示意图与石笼试验模型。为模拟山区河流宽级配的卵砾石河床，床沙采用非均匀沙，其粒度特征为：s=ρs/ρ=2.65，σ=(d84/d16)0.5=3.4，d50=7.5mm，试验床沙如图2(c)。床沙铺满水槽，铺沙后的床面比降为0.5‰，试验段位于水槽中部，石笼结构垂直于河岸全断面布置。试验开始前，河床铺为天然河床形态；试验结束后，将床沙拌和，以保证每组试验床沙级配相同。

(a)石笼示意 (b)石笼模型 (c)试验床沙

3.2 试验方案

石笼采用两种布置方式：连续布置的石笼堰与有间隙的间隔石笼。分别开展了在淹没和非淹没的水流下两种布置方式的石笼结构护河试验，共4组试验，如表1。

表1 试验工况

4 试验结果

4.1 冲淤现象

如图3所示，冲刷河段在无石笼结构的保护下，河床冲刷严重，河床下切且河床表面粗化。当床面有石笼结构保护时，河床冲刷得到缓解。如图4，石笼堰和间隔石笼保护下，结构上游一定范围的床面比较稳定，细颗粒泥沙几乎未被冲走；结构下游出现了局部冲刷，但冲刷粗化程度较无石笼结构时低，同时，非淹没条件下的床面泥沙较淹没条件下的更粗。

(a)冲刷前 (b)冲刷后

(a)石笼堰淹没工况 (b)石笼堰非淹没工况

4.2 河床高程纵向变化

如图5(a)，石笼堰上游的河床高程在淹没和非淹没条件下沿纵向均变化不大；下游床面在淹没条件下仅有局部河床高程降低，其它部分几乎保持不变，在非淹没条件下下游河床纵向高程几乎整体降低。如图5(b)，间隔石笼保护下，淹没与非淹没条件下的上游床面均先降低再升高，非淹没条件降低更多；下游冲刷规律同石笼堰类似，淹没条件下仅有局部河床下降，而非淹没条件下几乎床面高程均沿程降低。然而，间隔石笼保护下的河床冲刷位置的河床高程降低得更多。由图5可知，石笼结构的布置方式对床面稳定有一定的影响，间隔石笼对河床的保护效果不如连续的石笼堰好。此外，不同的水流条件对河床的作用也不同，淹没与非淹没条件下受石笼结构保护，上游的河床地形相差较小；下游的地形在非淹没条件下比淹没条件下更严重，局部冲刷范围更广、冲刷深度更深。

(a)石笼堰 (b)间隔石笼

4.3 河床高程横向变化

(a)石笼堰上游 (b)石笼堰下游

图6与图7分别为石笼堰与间隔石笼上下游典型横断面的床面高程横向变化图。如图6(a)所示，在石笼结构的保护下，上游河床冲刷前后的横向高程变化较小；而结构下游的河床横向变化剧烈，冲刷后出现不均匀的冲刷坑，且非淹没水流条件下较淹没条件更剧烈，如图6(b)。间隔石笼保护下，上游河床横向上更加趋于平稳，水流作用使得泥沙将床面低洼处填的更高，如图7(a)中，Y=0.1m～0.6m与Y=1.6m～1.9m范围的床面均在冲刷后高程增加；间隔石笼下游，冲刷后的床面横向高程较冲刷前低，出现了凹凸相间的冲刷坑，且非淹没条件下的冲刷深度更大，如图7(b)。

(a)间隔石笼上游 (b)间隔石笼下游

5 分析与讨论

石笼结构采用当地卵砾石材料，且具有透水性，同时结构能自适应床面变形，是一种经济、生态、稳定的护河结构。石笼作为一种柔性结构，对于稳定河床有一定的作用，并且连续的石笼堰比间隔石笼具有更好的护河效果。这主要是因为石笼堰将整个河床横向阻断，结构上游形成回水区，水流流速减小，冲刷作用减弱，从而上游河床非常稳定；此外，石笼具有一定的透水性，部分水流从石缝中渗出，从堰体表面溢流的流量变小，从而形成的水跃较小，对堰体下游仅产生轻微的局部冲刷，同时堰体对水流进行消能减速，堰体下游的河床也得到一定的保护。间隔石笼作用时，上游不能完全形成回水区，从而上游流速较大，但在石笼附近由于一定的阻水作用，流速降低，上游泥沙冲刷至石笼附近停淤。水流会集中从石笼间的间隙通过，形成较大流速区，从而每个间隙对应的位置形成较大的冲刷坑。

淹没条件下的水深较大，水流流速垂向分布为对数分布，近底流速小，对泥沙的冲刷作用小；而非淹没条件下的水深较低，近底流速接近表面流速，流速较大，对泥沙的冲刷作用更为剧烈，因此，非淹没水流条件下的床面冲刷更剧烈。

6 结论

针对嘉陵江的河流冲刷问题，提出采用石笼结构进行护河。本文以南部县冲刷河段为原型，开展了4组概化模型水槽试验，研究了淹没和非淹没两种不同水流条件下，连续和间隔两种不同布置型式的石笼结构对冲刷河道的床面冲淤及床面高程的影响，得到以下结论：

(1)石笼结构对冲刷河道具有良好的保护作用，上游明显促淤，下游能一定程度缓解河床冲刷与粗化；

(2)连续布置的石笼堰相比于间隔布置的石笼具有更好的护河效果；

(3)非淹没水流条件下的近底流速大，河床冲刷较淹没条件下更剧烈；

(4)石笼结构作为一种柔性护河结构，具有良好的工程效果、生态环境效益与结构稳定性，可在冲刷河段治理中推广应用。