黄河抢险柳石枕折断原因分析及对策研究

张亚坤 侯黎黎 梁建林

摘 要：为了弄清黄河防汛抢险中柳石枕出现“断枕”现象的主要原因，进而有针对性地采取避免柳石枕折断的措施，实现黄河防汛抢险的集约化，以柳石枕为研究对象，建立其动水中的抗折断受力分析模型，推导柳石枕折断弯矩计算公式，计算柳石枕在不同流速下的最大應力。研究发现：汛期水流流速增大及其对柳石枕的冲击不是柳石枕折断的主要原因，而柳料的选用、柳石枕制作工艺、溜绳的设置以及推枕时的用力情况等是防汛抢险中柳石枕是否发生折断的主要影响因素。采用铅丝网对柳石枕进行增强、选用优质柔性树头柳、严格控制柳石枕制作工艺、合理设置溜绳和梱枕绳的数量及间距、推枕时用力均匀等措施能有效地避免柳石枕发生折断破坏。

关键词：防汛抢险;柳石枕;折断强度;铅丝网增强柳石枕;黄河

中图分类号：TV871.3;TV882.1 文献标志码：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

黄河具有泥沙含量大、容易淤积、游荡性强、河势多变的特点[1]，再加上汛期水位升高、流量增大、流速加快，黄河险工坝岸经常出现坍塌、土胎外露等险情[2]。若不及时抢护，险情会进一步扩大，以致造成主溜顶冲大堤，危及两岸人民的生命和财产安全。向出险坝岸抛投柳石枕等埽体，能够起到缓溜落淤[3]、固沙促淤、稳定堤坝的效果，对黄河的岁岁安澜起到了重要作用[4-5]。然而，以往抛投柳石枕抢险中，柳石枕经常出现枕体折断现象，从而丧失抢险功能。这种情况下，不得不通过增加抛投数量、提高抛投强度等措施来控制险情，造成了人力、财力、物力的过量投入，使得抢险出现极大的浪费。长期以来，人们很少关注柳石枕在汛期抢险中“断枕”的根本原因，更谈不上有针对性地采取措施避免柳石枕的折断。弄清楚抛投柳石枕折断的原因，指导防汛抢险中采取防止柳石枕折断的措施，对实现黄河防汛抢险集约化具有积极的指导意义。

1 柳石枕防汛抢险简介

1.1 柳石枕的结构

柳石枕是黄河防汛抢险中常用的一种抛投体，一般是由柳料包裹防汛石块捆扎而成的圆柱体[3，5]，横断面为圆形，如图1所示。柳石枕的直径约为1.0 m，長度约为10.0 m，体积约为7.85 m3，质量约为4.0 t。柳石枕在防汛抢险中具有较好的闭气效果，且容易操作，抢险速度快[6]。

1.2 防汛抢险中柳石枕的“断枕”现象

黄河河道宽阔，断面流速分布不均，水流泥沙含量高，流速触变性强[7]，受险工、控导工程等因素的影响产生大量旋涡，旋涡中心附近的流速及压强较小。柳石枕抛入出险部位水流之后，流速不均、旋涡、湍流等对柳石枕枕体不同部位产生不同的相对作用，边坡、缺口等对柳石枕产生的支撑作用，类似于长圆柱体的支座，如图2所示。柳石枕在水流作用力下产生一定的受力弯曲效应，且随着流速的增大而增大。柳石枕枕体长度一般较大，在汛期水流作用下枕中部位会产生较大力矩，加之柳石枕外层由抗折断强度不高的柳枝包裹，随着汛期出险部位流速增大，柳石枕会因柳料层的抗折断强度不足而发生“断枕”现象。柳石枕在动、静水压力下产生的最大应力σmax一旦超过柳料的容许应力[σ]，就会发生“断枕”现象。因此，保证柳石枕入水后的抗折断强度是确保抛投柳石枕抢险效果的关键，对实现黄河抛投抢险集约化具有重要的作用。人 民 黄 河 2020年第10期

2 柳石枕抗折断分析及制作工艺

2.1 抗折断受力模型

推入水流中的柳石枕除了承受静水压力q之外，还承受平均流速为v的水流的动水作用力F。在最不利工况下，静水压力和动水压力同时在枕体的中部产生最大的折断弯矩Mmax [8-10]。

柳石枕迎水面上的静水压力沿着水深的分布图形为三角形。沿着跨度L方向分布的线荷载的荷载集度为静水压力分布图的面积，压力大小可由式（1）确定。

q=12γh2（1）

式中：γ为水的容重，取10 kN/m3;h为水面到计算点的水深，m。

柳石枕的长度L可以看作梁的跨度，静水压力q（满跨均布荷载）作用在简支梁上的弯矩如图3所示，控制截面产生的弯矩M0可由式（2）求得。

M0=18qL2（2）

为了方便计算，根据力的等效原理，考虑流速为v的水流在柳石枕迎水面产生的合力为F。动量守恒定律认为，液体合力的冲量等于其动量的变化，即

Ft=mv（3）

式中：F为动水产生的合力，N;t为时间，s;m为质量，kg;v为水流流速，m/s，计算中取出险部位的实测流速。

dt时间内冲击柳石枕的水流质量为ρSvdt，式（3）可进一步写为Fdt=ρSv2dt，即

F=ρSv2（4）

式中：ρ为水的密度，kg/m3;S为淹没柳石枕的水流在垂直流速方向投影的面积，m2。

于是，冲击柳石枕的等效合力F可以根据式（4）计算得到。

集中荷载作用下简支梁的弯矩如图4所示。

动水作用力F产生的弯矩M1可由公式（5）计算得到。

M1=ρSv2L （5）

综上分析，柳石枕在水流中承受的最大弯矩Mmax为

Mmax=M0+M1=116γh2L2+ρSv2L（6）

对于柳石枕枕体的最大弯曲应力σmax，可以由弯曲应力计算公式求得：

σmax=MmaxIymax（7）

式中：I为圆形断面的对形心轴的惯性矩，m4，可由圆周率与柳石枕直径d的4次方的乘积除以64得到;ymax为最大应力点到形心轴的距离，m。

柳石枕在水流作用下的最大弯矩Mmax所产生的最大弯曲应力σmax一旦超过其容许应力[σ]，就可能发生折断。

2.2 抗折断验算

为了揭示水流流速增大对柳石枕折断的影响，流速v从0开始以0.5 m/s为级差取至4.0 m/s，利用式（1）至式（7）进行柳石枕的抗折断计算，计算结果见表1。

由表1可知，随着流速的增大，柳石枕的柳料包裹层外围产生的折断应力不断增大。黄河下游汛期水流流速普遍低于2.5 m/s[11]。当流速达到2.5 m/s时，枕体最大应力σmax为7.01 MPa，远远达不到梢柳的抗折断强度。因此，黄河防汛抢险中柳石枕折断的主要原因不是汛期水流流速的增大。

2.3 柳料的选用

梢柳是柳石枕的主要组成材料之一，分布在柳石枕的外围，能够包裹防汛石料，并在防汛抢险中起到落淤闭气的作用。枝条柔韧的低矮柳树和生长旺盛的树头柳是良好的制枕柳料，具有粗细均匀、枝条完整、柳叶茂盛、没有病害和断枝、强度较高、柔韧性强等特点。柳枝的直径以30～40 mm、长度以2～3 m为宜。质量优良的柳料是防止柳石枕发生折断的重要前提。柳料不足时可采用无刺树木的枝条（杨树枝条、榆树枝条等）以及芦苇、高粱秆、玉米秆、麦秸秆等代替部分柳料。实际抢险中，采用质量较差的梢柳制作柳石枕往往是造成柳石枕断枕的重要原因之一。

2.4 柳石枕制作工艺

柳石枕制作的工艺流程：选定捆枕位置→铺放垫桩→设置捆枕绳→摆放溜绳→铺织柳枝→排垒块石→设置龙筋绳→再排垒块石→盖柳→捆枕→推枕入水。保证柳石枕制作流程中每个关键环节的质量，是确保柳石枕不发生断枕的关键。

2.4.1 铺放垫桩、溜绳

铺放的垫桩可作为推枕入水时的杠杆。在推枕过程中，垫桩对柳石枕起到支撑作用。如果垫桩的间距过大，柳石枕在自重作用下会发生极大的弯曲，再加上推枕时的巨大推力，柳石枕就会沿着搭接处等薄弱部位发生枕体折断。因此，铺放垫桩时要严格控制垫桩之间的距离。溜绳用来控制推枕入水时柳石枕的滚动速度，如果溜绳设置过于稀疏，同样能够造成柳石枕枕体出现较大的局部受力，从而发生枕体折断。合理的垫桩间距、溜绳间距是避免柳石枕发生折断的重要因素。

2.4.2 柳料搭接

柳料搭接不当包含两个方面，一是柳枝搭接长度不足，二是同一接头范围内出现过多的搭接次数，即搭接率过大。柳石枕一般长达10 m，而柳枝的长度一般为2～3 m，这就需要将柳枝搭接，而搭接接头处就成了柳石枕的薄弱环节，在推枕过程中容易因搭接不当而出现漏石、断枕现象。柳石枕制作过程中，保留足够的搭接长度和同一接头范围内适当的搭接率是避免柳石枕发生折断的重要保证。铺底柳枝应分两层铺设，从上游端头开始，根部朝上游端，依次搭接铺设至枕体的另一端头，搭接长度以大于柳枝长度的一半为宜。第二层从下游端头开始铺设，根部朝向下游，依次搭接铺设至枕体的上游端头。上、下游端头处应加铺一层，以加厚枕体的两端，方便后期枕体的封口。搭接接头应尽可能错开铺设，避免薄弱环节集中在同一接头范围内，造成断枕现象。因此，实际抢险中，柳料搭接长度不足或同一接头范围内搭接率过大是造成柳石枕断枕的重要原因。

2.4.3 捆枕绳的间距

麻绳捆枕是柳石枕制作中非常关键的工艺，捆枕绳对柳料和石料起到重要的横向约束作用，保证组成柳石枕的散碎材料形成稳定密实的整体。如果捆枕绳间距过大，柳枝的部分搭接接头就會失去横向约束，在推枕过程中，块石会因相互挤压而冲破柳枝搭接处的薄弱部位，严重时就会发生柳石枕的折断。因此，捆枕绳的设置不能过于稀疏，一般情况下，相邻捆枕绳之间的间隔不应超过0.5 m。

2.4.4 推枕入水

推枕入水时，每档两人，一人以肩膀推枕，一人掀垫桩，全体推枕人员应号齐推，以确保枕体受力均匀，不致产生局部受力过大的现象。反之，推枕入水时如果施加在柳石枕上的力不够均匀，枕体就容易因出现局部受力集中而发生折断。

3 增强柳石枕抗折断强度的对策

在防汛抢险中，采取科学有效的措施确保柳石枕不出现“断枕”是控制险情的关键，也是实现黄河集约化抢险的有效途径。采用铅丝网增强柳石枕的技术、选用枝条柔韧的低矮柳树和生长旺盛的树头柳、严格控制柳石枕制作工艺、合理设置垫桩、保证柳枝之间的搭接质量、合理设置溜绳和梱枕绳、推枕入水时用力均匀等措施都有助于防止柳石枕在防汛抢险中发生“断枕”。

3.1 采用铅丝网增强柳石枕技术

传统柳石枕的外围是用柳料包裹而成，而柳料的搭接接头处是其薄弱环节，容易被块石挤压而发生折断。制作铅丝笼的铅丝网片是由抗拉强度很高的铅丝制成，采用铅丝网包裹柳石枕柳料的最外层，将大大提高柳石枕的抗折断强度。在防汛抢险中，应考虑采用铅丝网增强柳石枕的技术方法进行抢险。铅丝网增强柳石枕抛投体的断面见图5。这种方法的特点是枕体施工较为复杂，成本较高，枕体的抗折断强度高，不易发生枕体的折断。

3.2 严格控制柳石枕的制作工艺

除了选用枝条柔韧的低矮柳树和生长旺盛的树头柳外，严格控制柳石枕制作工艺流程中的关键环节也是避免柳石枕发生断枕的重要措施。合理设置垫桩的间距、控制捆枕绳的最大间距、配备足够数量的溜绳、保证柳枝之间的搭接长度、避免在同一断面搭接柳枝、推枕入水时用力均匀等都是避免柳石枕折断的重要措施。

4 结 论

（1） 通过建立柳石枕抗折断受力分析模型，推导了柳石枕的折断应力计算公式，计算了不同流速情况下柳石枕的折断应力。柳石枕能够适应汛期高速水流的冲刷而不发生折断，汛期水流流速增大对柳石枕的冲击作用不是防汛抢险中柳石枕发生折断的主要原因，而选用柳料不良，柳把搭接处的处理不当，垫桩、捆枕绳、溜绳间距不合理和推枕时用力不匀等是柳石枕发生折断的主要原因。

（2） 黄河防汛抢险中，可以考虑选用枝条柔韧的低矮柳树和生长旺盛的树头柳，保证柳石枕制作中柳把之间的搭接长度，柳把之间的搭接接头尽可能错开，设置合理的垫桩间距，严格控制捆枕绳之间的最大间距，摆放合理数量的溜绳并摆放均匀，推枕时用力均匀并保证人员安全，采用铅丝网增强柳石枕的办法，从而避免柳石枕发生断枕，实现黄河防汛抢险的集约化。

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【责任编辑 许立新】