1、黄河控导工程根石走失原因及对策【摘要】本文在分析黄河下游控导工程出险的主要因素之后，有重点、有针对性的分析了最为关键的出险因素根石走失。进而详细分析了根石走失出现的原因，以及采取何种措施来应对根石走失，提出了有效的解决对策。 【关键词】黄河下游；控导工程；出险；原因；防护 中图分类号：C35 文献标识码： A 一、前言 在黄河控导工程中，出现险情最为集中的是根石走失和坦石坍塌，而根石走失又是一个最重要的导致控导工程险情难以得到控制的原因，所以，分析根石走失的原因，并提出防护措施是很有必要的。 二、根石走失的原因 根石走失是由于水流集中冲刷，将河道整治工程的丁坝、垛、护岸的基础或坡脚淘空，引起坝
2、岸发生裂缝、沉陷或局部坍塌，坝身失稳而出险。一般发生在坝前头及上跨角水面以下 1/3 水深附近，使坦坡上陡下缓。导致根石走失的主要因素有水流、工程断面、块石尺寸、工程布局、施工方法等。 1、根石走失的物理力学模型 险工坝岸受水流冲刷,严重冲刷部位大量泥沙被水流带走,形成冲刷坑。据实测,其冲刷坑边坡角一般在 10b20b,同时根石下床面泥沙被淘空形成横轴环流。因此,根石所受的力有洪水冲击力 FD、环流淘刷引起的上举力 FL,此两力的作用点偏离形心而靠上。另外,根石还受水的浮力、根石的重力及河床摩阻力的作用,如图 1 所示。 在这些力的共同作用下,一些根石可能发生顺水流方向的滑动,但由于滑动摩阻力
3、较大,所以大多数根石走失多为以 O 为支点的滚动。为便于推导计算,令块石体积与毛石体积相等,块石顺水流侧面对角线长度用 D表示。 2、河道水流的影响因素 （一）流速变化的影响。在丁坝上下游主溜与回溜的交界面附近，因流速的不连续或流速梯度的急剧变化，产生一系列漩涡，回溜周边流速较大，在丁坝上、下跨角部位冲刷，形成冲刷坑。坝的上跨角受大溜冲刷的次数多，着溜重，冲刷深。此部位根石易被湍急水流冲刷走，有的落于冲刷坑内，有的被急溜携带顺水而下，脱离坝根，失去作用。迎水面、下跨角和回溜区的根石多是塌落在冲刷坑内，远离坝根的少。 （二）高含沙水流的影响。由于黄河是多泥沙河流，高含沙水流使其流变特性发生了变化
4、，二相流变成均质流。当水流深度增大时，河床泥沙变得容易起动，造成高滩深槽，部分河段主槽缩窄，单宽流量加大，水流集中冲刷力增强，坝前冲刷坑就比较深。 （三）弯道环流的影响。由于弯道环流作用，使得凹岸冲刷较重，凸岸淤积。黄河下游大都是受人工建筑物控制的河湾，水流因受离心力作用，对工程冲刷力加强，促进根石走失。 （四）横河斜河的影响。横河斜河使水流顶冲坝垛，造成根石走失，抢险的机遇较多。 3、控导工程断面的因素 （一）根石断面不合理。散抛石大部分堆积在根石上部，形成上宽下窄、头重脚轻的现象，这种情况对坝体稳定极为不利，很容易出现根石走失。 （二）根石外坡凹凸不平。外坡不平会造成水流浪花淘刷，增大水流
5、冲刷度，促使河底淘刷，影响根石稳定。 （三）断面坡度陡。护坡坡度越陡，水流的冲刷作用越强，冲刷坑越深，造成根石走失越严重。 4、块石体积和重量的因素 当使用的石料体积和重量不足，坝前的流速大于根石起动流速时，块石不能保持自身稳定，从根石坡面上被一块一块地揭走，造成揭坡。石块被急溜冲动走失。 5、丁坝间距布局的因素 丁坝间距过大造成上游坝掩护不了下游坝，形成回溜，甚至出现主溜钻入坝间、窝水兜溜等现象，加剧根石走失，导致水流冲刷坝尾而出现大险。还有个别坝位突出，形成独坝抗大溜，造成水流翻花，淘根刷底，坝前流速增大，水流冲击力超过根石起动流速，从而块石被大溜冲走，造成根石走失，出现大险。 6、施工方
6、法的因素 （一）施工改建影响。在控导加高改建时，把原有的根石基础埋在坝基下，往外重新抛投根石。这样，即使过去已经稳定的根石，也会重新坍塌出险。 （二）加抛根石不到位。在工程受大溜顶冲发生险情时，居高临下在坝顶上投抛散石，会造成大量块石被急流卷走，一部分则堆积在根石上部，也不稳定。这样不但造成浪费，也很难有效缓解险情，很可能会增加险情，造成大的坍塌。 （三）基础清理不彻底。旱地施工，在挖根石槽时，若没有清理好槽底就抛固根石，泥土石块混合，一旦着溜，根石就容易走失。 根石走失的部位与来溜方向、布局均有一定关系。根据控导工程根石检查资料，分析根石走失部位首先是上跨角和坝前头，其次是坝迎水面和下跨角及
7、上下回溜区。这是因为坝的上跨角和坝前受大溜冲刷的机遇多，着溜重，冲刷深，所谓水深溜急者多表现在这些部位。此部位根石易被湍急水流冲掀而走，有的落于冲刷坑内，有的被急溜携带顺水而下，脱离坝根失去作用。迎水面、下跨角和回溜区的根石多是塌落在冲刷坑内，远离坝根的极少。 三、根石走失部位及方向 根石走失的部位与来溜方向,布局均有一定关系,根据整编控导工程探摸根石资料,根石走失部位主要是上跨角和坝前头,其次是坝迎水面和下跨角及上下回溜区。因为坝的上跨角和坝前受大溜冲刷的机遇多,着溜重,冲刷深,所谓水深溜急者多表现在这些部位。此部位根石易被湍急水流冲掀而走,有的落于冲刷坑内,有的被急溜携带顺水而下,脱离坝根
8、失去作用。迎水面,下跨角和回溜区的根石多是塌落的冲刷坑内,远离坝根的极少。 四、根石走失的抢护 险工和控导工程的坝岸发生根石走失时，通常采取抛大块石、抛铅丝笼、抛土袋、抛柳石枕等方法进行抢护。 1、抛大块石 在抛大块石时要掌握石块的大小,单块重量在 75150kg，或更重。在水深溜急情况下抛大块石时，应先从出险部位下游开始，用大石块先抛出一条石埂，以阻止上游抛下的石块向下滚动，然后用一般石块逐步向上游抛。在大溜顶冲时，要尽量选用大块石抛根石，抓紧急溜间隙，突击抛石。抛投块石的坡度掌握在 11.011.5 稳定坡度。 2、抛铅丝笼 抛铅丝笼是为了阻止根坦石前爬或走失，稳坡固脚。抛铅丝笼时，首先应
9、自下而上抛，尽量避免出现笼与笼接头不严的现象；其次应自下游向上游抛，抛完第一层后再抛第二层，使上下笼头互相间错、紧密压茬。铅丝笼抛完后，应用探水杆探测抛投情况，将笼顶部分和笼与笼接头不严之处，用大块石抛填整齐。 3、抛土袋 草袋、麻袋或土工编织袋内装土料，每个土袋重量控制在 50kg 以上，充填度控制在 70%80%。装好土后，用细铅丝或尼龙绳绑扎封口。抛土袋护根最好从船上抛投，或在岸上用滑板滑入水中，层层叠压。如流速过大，可将两个或三个土袋用绳索捆扎一起，再投入水中。抛投土袋的坡度掌握在 11.011.5。 4、抛柳石枕 防止河底淘刷根石走失，最基本的办法是加强护底工程，扩大护底面积，不使根
10、石底脚被掏空。抛枕护脚，因其体积大而柔韧，能适应河底淘刷而自动下蛰，起到维护根石稳定的作用。柳石枕多在控导工程遭受大溜顶冲、水深溜急的情况下进行抛投。如果根石坍塌蛰陷、入水较深较快，则系底脚淘刷所致。 五、防止根石走失的措施 1、采用较大块石和铅丝笼固根在实际抢险和施工中采用较大块石和铅丝笼护根的方法，能对防止根石走失起到一定的作用，实践证明：铅丝笼护根的效果较好。在抛块石护根时，应选用 30kg 以上石块。使用铅丝笼护根一般选择坝的上跨角和迎溜较大的部位使用。控导工程出现根石走失后，应在险情较重部位抛投铅丝笼，然后再加抛散石，防止根石滑动。当出现根石走失、水流流速较大时，应在险情位置下游抛投
11、铅丝笼墩，然后抛散石，防止散石被水流冲失。 2、加强观测，及时补抛根石为防止险情扩大，控导工程靠河的坝、垛应加强观测，及时探测根石深度和坡度，发现根石坡度陡于 11 时，就应及时补充根石。抛石应用铅丝笼固脚，要一次到位，应先远后近，先下游后上游，边抛边测，直到抛到稳定坡度为止。 3、采用新材料、新工艺施工在旱地施工时，在槽底铺设防护土工布；水中施工时，在底勾绳上铺设土工布，提高控导工程基础的抗冲能力，既可节省投资，又可减轻坝前冲刷，防止根石走失。 4、利用先进的机具，提高加固坝高效果 针对目前抛投不到位，使加固石料作用减小的情况，应研制引进一些先进的机械，提高抛投到位率，以提高根石加固效果。东
12、明县黄河河务局在去年根石加固(主要是大块石)过程中，运用装载机进行抛投的方法，比人工抛石有较大改进，由于装载机机臂较短，抛投到位率还达不到设计要求。以后，要加大抛石机具的研究，采用新机具，制定切实可行的方案，保证加固效果，提高抗洪强度。 5、加强日常管理，及时进行加固 防洪工程，建设是基础，管理是关键。目前坝岸缺石量大，一时不能加固到稳定标准的情况下，也要加强日常管理，加强观测，及时掌握根石变化情况，采取有效措施进行管理养护，加强根石探测，及时进行加固。对于经常靠水、靠溜的坝岸，要加强日常管护。特别对缺石量较大，溜势多变河段的坝岸，要抓住汛前、汛后枯水季节，采用船抛铅丝笼和大块体乱石的方法，及
13、时进行加固，以减少洪水期间的根石走失量。在洪水期间，要有专人观测，发现问题及时解决，避免重大险情的发生。非汛期也要随时观测，减少汛期大水时根石走失程度。特别是小浪底枢纽工程下闸蓄水后，运用初期下泄含沙量较小的清水，使下游河道受到一定程度的冲刷，有可能引起高村以上游荡型河道段河势平面摆动，造成防洪工程出险增加。在此期间应加强防洪工程根石探测，加大根石加固量，以减少清水冲刷造成的根石大量走失现象，增加防洪工程的主动性。 6、随着我国国民经济和现代科学技术的发展，一些新材料、新技术已在工程领域大规模应用，取得了一定的经验和成效。在黄河下游根石防护方面，沿黄河水利部门也开展了一系列试验，取得了一些科研
14、成果。六、根石走失防治中的管理对策 1、加强管理科学抢险 为争取防守主动.各控导工程要加强日常工程管理，及时探摸根石，适时予以补充。从掌握的资料分析.根石断面形态多为上部陡，下部较缓，中间凹，即断面中间部分坡度最陡，根石走失严重部位位于中常水位以下 34m 处。加固根石应注意以下几点:一是应根据缺石部位，采取不同的补充根石方法。老工程已经有相当根基，应首先稳脚补坡。围护限石底部，应用铅丝笼镇脚。补坡抛根时用大块石，并按先远后近，先深后浅，先上游后下游的顺序进行。二是在抛石过程中要边抛边探摸，一次到位。共是在枯水季节，对水上根石部分要全面进行整修，清理浮石，粗排整平。 2、加强工程自身安全提高工
15、程抗冲能力 控导工程修建时应充分考虑小浪底运用后河道演变新形势，加强工程新结构、新工艺、新材料研究，多建不抢险坝或能够减少抢险结构的坝垛。如大力修建护底沉排坝，增强工程基础，并在修建传统结构坝垛时，利用新材料，早地要增强防护土工布，使坦石与坝基隔离开，以土工网笼代替柳石枕或铅丝笼;水工进占时先在底勾绳上铺设土工布，采用护底进占，或土工合成材料装土管袋进占形式，既利用了传统工艺操作简便的优势，又能使其结构改进得更合理，减少坝基土流失。减轻坝前冲刷，节约进占料物。 七、几点建议 1、警惕中小洪水决堤成灾。有些险工的出险，是发生在汛后小水期间。这就告诫我们黄河下游防洪要时刻警惕，常备不懈，务必克服麻
16、痹思想，不仅要警惕大洪水出大乱子，也要警惕中小洪水决堤成灾。 2、次要坝岸的防护不能轻视。有些险情启示我们：每当坝岸靠溜时，要及时探摸根石，了解坝前水深及根石变化状况，不论主坝或次坝，根石坡度过陡，坝前水深超过根石深度时，都要及时增抛根石，防止在基础薄弱的坝岸发生突然的险情。 3、备足备防石料。目前大部分坝垛均为空白坝，建议增加石料储备，消除空白坝，争取防汛工作主动。 4、对现有根石结构的改进。现有的根石结构主要有散抛乱石和丁扣根石。对散抛乱石而言，为增加其抗冲能力，改进传统的排整方式，采用大石在外，小石在内，大石平排的方法。对于丁扣根石而言，在主体根石外增加 12m 宽的压边石，形成二级根石
17、，这样一方面扩大护底面积，另一方面由于压边石的存在，使坝前冲刷坑外延，减少对主体根石的直接威胁。 5、注意调查研究主溜河势的变化， 不断探摸坝前水下冲淤以及根石坡度、深度等情况，为制定科学翔实的抢险方案提供第一手资料。 八、结束语 综上所述，由于根石走失已经成为了目前黄河河道工程出险的最主要的一个因素，同时，其出险的原因比较复杂，所以，采取有效的防护措施来防止根石走失的出现是非常有必要的。 【参考文献】 1张建怀.黄河坝岸根石走失原因及防护措施J.山东水利,2000,06:14-15. 2仲崇杰.浅谈乱石坝根石走失的成因与防护措施J.科技信息,2012,20:485. 3史庆德.防止根石走失的初步探讨J.水利建设与管理,2000,02:44-45. 4尹明勇,冯炳伟,尚永立,焦海涛.曹岗险工根石走失原因分析及其防护J.人民黄河,1998,11:19-20. 5侯杰.黄河下游河道整治工程根石走失原因分析J.科技致富向导,2009,2. 6黄河河防词典 ，水利部黄河水利委员会编，1995,11. 作者简介： 杨军（1970-） ，男，山东鄄城人，本科，从事黄河水利工程维修养护工作。
