窝崩抢护治理中树头石阻水效果试验研究

袁文秀，应 强，罗龙洪，张幸农，假冬冬

(1. 江苏省水利工程规划办公室，江苏 南京 210029；2. 南京水利科学研究院 港口航道泥沙工程交通部重点实验室，江苏 南京 210029)

窝崩是长江中下游常见的一种崩岸形式，由于其发展速度快（几小时到几十小时），崩塌纵深长（数十米到数百米），塌方量巨大（几十万方到几百万方），在平面上一般呈半圆型或马蹄型，当窝崩造成长江大堤破坏时，可能会造成人民生命及财产的重大损失，因此各级政府非常重视，科技工作者也从不同角度开展研究[1-6]。关于窝崩成因机理的研究，主要存在以下3 种观点[7]：一是深泓逼岸形成崩塌[8-9]；二是沙体液化形成崩塌[10-11]；三是窝塘内次生流引起大规模崩塌[12-13]。上述3 种观点都能从某方面解释窝崩的发生，但也都存在问题。窝崩险情的应急和事后治理措施，主要根据险情的发展、应急抢护的必要性及现场条件等情况确定。对于危害较大的窝崩，都会采取应急抢护措施。水利部门提出了“守两肩、固周边、先促淤、后封口”的窝崩治理原则[14-15]。在窝塘促淤方案中，树头石是常用的结构型式[15-16]，实际工程中也起到了较好的效果，但目前工程中采用的树头石在窝塘中的分布密度和高度，都是凭经验确定的，是否处于最佳的工程效益，需进行试验研究确定。

利用长江扬中河段指南村窝崩模型，在窝崩口门附近流速模拟相似的基础上，对窝塘内不同间距的树头石排列型式和不同高度的树头石进行了试验。通过试验研究提出工程效果较佳的树头石高度和间距。

1 局部模型设计及验证

试验选择2017 年发生在扬中河段指南村附近窝崩进行研究，模型范围宽度包括整个窝崩体，以及长江靠窝崩侧的部分（包括上下游深槽，−20 m 范围）。模型上边界取在窝崩体上游1.1 km 处，下边界在窝崩体下游0.9 km 处，模拟总长度约2.0 km。鉴于窝塘内外水流具有较强的脉动和三维特性，采用比尺λL=100 的正态模型。这样，模型宽度为11 m，其中靠左侧边墙0.5 m 河床地形可以调节，以改善由于左侧边墙固定而引起水流不相似的影响，模型长度为20 m，不包括进口水流调整段和出口回流段，模型范围及布置如图1 所示。

图1 模型范围及试验测点示意（绿线为河床地形）Fig. 1 Scope of physical model and test points

模型验证资料选取相应河段平面二维潮流数学模型计算成果，验证水位点位于进口断面1 号测流点附近，验证流速测点如图1（a）所示的4 个测点。流量为平均枯水流量28 500 m3/s，各测点流速验证结果如表1 所示。

表1 模型测点流速验证Tab. 1 Verification of velocity of measuring points in physical model

2 模拟材料及试验组次

窝内测点布置及测量。考虑到窝崩主要发生在枯水季，选择流量Q=28 800 m3/s 为试验流量，流速测量主要采用螺旋桨流速仪测量，在窝塘内共布置12 个测流点，各测点在窝塘中的位置分布如图1(b)所示，每个测点布置一根测杆，每条垂线分为0.2H、0.6H、0.8H 进行测量（H 为测点处水深），每个测点取样时间10 min，以消除窝内水流周期性脉动所带来的影响。进行4 次测量，取平均值，还采用粒子法(PIV)进行表面流场的测量。

图2 树头石和模型中用的塑料树和塑料草Fig. 2 Tree head-stone and plastic trees and grass for the model

树头石是指新鲜砍下的包括树冠和主干的树头（长5 m 左右）以及在主干下端系上已装入石块（200 kg左右）的编织袋所组成的结构（图2（a））。目前尚未有树头石对水流影响相关方面的研究论文，一般参考大气阻力的研究成果[17]，认为水流中的树阻力与树的阻水面积或阻挡流量有关。由于树种和生长环境的不同，不同树头间有较大差别，给模型模拟带来了较大的困难。参考有的学者采用塑料草模拟沉水植物[18]，这里也采用塑料树（图2（b））和塑料草（图2（c））进行模拟。塑料树高约9 cm，在水里由于自然下垂和水流的作用，实际高约7 cm。塑料树有5 种形式，各种塑料树在窝塘内随机分布，模拟5 m 树高时，将塑料树剪至5 cm；模拟更小的树高，则采用选用8 片叶子组成的塑料草进行模拟，整个塑料草离河底高约2.0 cm，直径为6.5 cm。

树头石布置范围：根据窝崩抢护时树头石的抛投情况，模型中树头石的抛投范围为−15 m 以下的窝塘水域，图1(b)中贯穿10#、11#、12#的高程线和1#、2#、3#中心线的延长线所围成的区域。树头石高度：采用相当于天然树高7 m 左右的树头石，以窝塘口门处最大水深32.3 m 作为参数，求得树头石的相对高度为0.22，和相当于天然树高5 m（相对树高为0.15）、相当于天然树高为2 m（相对树高为0.06）的树头石进行试验。树头石布置间距：按天然3 m×3 m、6 m×6 m、8 m×8 m 的方式布置进行试验。窝塘内树头石按6 m×6 m 的排列方式布置（见图3 ）。

图3 塑料树6 m×6 m 排列照片Fig. 3 Plastic tree 6 m×6 m arrangement photos

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

试验结果表明，各方案下窝塘外较远处的大江流速和水位没有影响，口门位置流速较主流流速有较大减小，约为主流流速的一半。无工程时窝塘和大江的表面流速分布见图4。

图4 无工程时窝塘附近表面流场分布(PIV 测)Fig. 4 Surface flow field near model without engineering (using Particle Image Velocimetry technology)

无工程布置时窝塘内实测流速分布见图5。由图5 可见：窝塘内流速以8#测点为中心作顺时针旋转，在口门与主流交界处，流速较大，在下口门附近，虽然表层流速的流向还是指向下流，但中下层流速的流向，由于受地形的影响，已指向窝塘内，两者有较大的差别；同样，窝塘内的表层流速受惯性影响较大，而底部流速受地形影响较大，流向首先发生改变；对于同一点的流速沿垂线分布，表、中、底层的流速趋于均匀，有的甚至出现底层流速最大的现象。

窝塘内布置树头石工程时，窝内流速随树头石的高度和分布密度的不同而有所减小，流向与无工程时基本相同。这是因为随树头石的高度和分布密度的变化，窝内阻力发生了变化，窝内流速随阻力的增减而发生变化；窝内测点流向变化不大，一是在窝塘内布置树头石，相当于窝塘内整体加糙，主要改变流速值；二是窝内流向会随时间摆动，流向有一定的变化幅度，难以人为区分。图6 为相对树高为0.22，布置间距为3 m×3 m 时窝塘内的流速分布。

图5 工程前窝内流速分布Fig. 5 Velocity distribution in the pond without engineering

图6 相对树高0.22 时按 3 m×3 m 间距布置后窝塘内的流速分布Fig. 6 Velocity distribution under 3 m×3 m spacing with the relative tree height of 0.22

3.2 成果分析

保持树头石高度相同，改变间距（密度），分析其阻水效果。通过模型试验观测，指南村窝崩内的水流是以8 号点为中心作回流运动，流态较为稳定，相同点的流向也基本不变。故在进行成果分析时，取测点平均值进行比较，相对树高为0.22，排列间距分别为3 m×3 m、6 m×6 m 和8 m×8 m 时各测点平均流速计算结果见图7。

由图7 可得：在相同树高时，树间距变大，窝内平均流速也变大。为了更直观地反映树间距对窝内平均流速的影响，将树间距转化为每百平方米内树头石的颗数，将不同密度下的流速与无工程时流速比值作为相对流速，两者关系见图8。如果认为工程前流速（0.211 m/s）为0 颗树的状态，那么每百平方米内2～3 颗树的减速效果（从0.211 m/s 降到0.177 m/s）较每百平方米内10～11 颗树的减速效果（从0.211 m/s 降到0.174 m/s）相差不大，但更为经济。故从促淤角度考虑，采用6 m×6 m 间距的树头石较为合理。

图7 相对树高0.22 时不同间距排列下窝内流速比较Fig. 7 Velocity comparison of model measuring points under different spacing arrangements with the relative tree height of 0.22

图8 树头石密度与相对流速关系Fig. 8 Relationship between density of tree head-stone and water velocity

保持树头石间距（密度）相同，改变其高度，分析其阻水效果。由树头石高度相同、密度变化试验得出6 m×6 m 间距的树头石较为合理，故选择6 m×6 m 间距作为树头石的固定密度，选择树头石相对高度分别为0.22、0.15 和0.06。各测点平均流速计算结果见图9。

由图9 可得：当排列间距相同、相对树高变大时，窝内平均流速变小（图10）。表明树头越高，窝内减速效果越好，但实际上，树头越高，收购和运输的成本也高，砍伐后对环境的影响也大，初步认为采用相对树高为0.15 的树头石较为合理。

图9 6 m×6 m 间距排列时不同相对树高下窝内流速比较Fig. 9 Velocity comparison of model measuring points under different relative tree heights with 6 m ×6 m spacing arrangement

图10 树头石相对高度与相对流速关系Fig. 10 Relationship between relative tree height and water velocity

工程前后窝内流速变化表明：窝塘内树头石的阻水作用效果除与树头石的相对高度与分布密度有关外，还与其在窝塘内的位置相关。1#～3#测点处于窝塘与主流交界的边缘，阻水效果较小；随着回流路径的增长，测点的流速降幅也变大，促淤效果也更为明显。

4 结 语

鉴于目前窝崩应急治理设计中的树头石的树头高度和抛投密度均凭经验确定的现状，本文采用物理模型试验的方法，以长江扬中河段指南村窝崩为研究对象，制作了1∶100 的正态窝崩局部模型，对窝塘内3 种树头高度，3 种排列间距的树头石进行了试验。结果表明：随树头高度增加，或排列间距的缩小，树头石的阻水作用都会增大，促淤效果增强，但投入费用也会增大。研究认为相对树高为0.15、间距为6 m×6 m 时综合效果较佳。由于试验结果是在清水定床上获得的，施工过程中树头石的抛投过程及泥沙淤积等均未能在试验中得以反映。