長(zhǎng)江中下游航道整治護(hù)灘帶損毀機(jī)理分析及應(yīng)對(duì)措施

馬愛興，曹民雄，王秀紅，蔡國(guó)正

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

長(zhǎng)江中下游河岸側(cè)或河心處常存在邊灘、心灘或洲頭低灘等灘體，這些灘體常在中水時(shí)淹沒，枯水時(shí)出露，是河道內(nèi)中枯水流動(dòng)的依托邊界，是航槽穩(wěn)定與暢通的基礎(chǔ).為了維持航槽的穩(wěn)定，常采用護(hù)灘建筑物對(duì)正處于演變周期中河勢(shì)條件較好、灘體較為高大完整的灘槽加以守護(hù).

目前長(zhǎng)江中下游常用的護(hù)灘建筑物型式為軟體排護(hù)灘——護(hù)灘帶，工程實(shí)踐中以X型系混凝土塊軟體排應(yīng)用較為廣泛.在周天河段清淤應(yīng)急工程、碾子灣河段、張家洲水道、界牌河段、東流河段、石首河段航道整治工程，以及武漢河段天興洲洲頭守護(hù)等工程中X型系混凝土塊軟體排均有應(yīng)用［1－4］.但在實(shí)際應(yīng)用中，護(hù)灘帶出現(xiàn)了不同程度和類型的損毀，影響了灘體守護(hù)效果和航槽穩(wěn)定，本文旨在分析護(hù)灘帶損毀的影響因素及其損毀機(jī)理，進(jìn)而提出相應(yīng)的措施供設(shè)計(jì)參考.

1 護(hù)灘帶結(jié)構(gòu)型式、護(hù)灘原理及損毀類型

長(zhǎng)江中下游航道整治中常用的X型系混凝土塊軟體排由排墊和壓載體組成［2］:排墊采用聚丙烯土工編織布縫制而成，一般沿排體寬度方向每隔50cm設(shè)1根寬5cm的縱向加筋條，用于加固系接條和增加排墊抗拉強(qiáng)度;在縱向加筋條底下設(shè)有每2根1組的防老化型滌綸系接條，用于系接壓載體.排上壓載體為正方形C20混凝土塊，尺寸為45cm×45cm×8cm(長(zhǎng)×寬×厚)，單塊質(zhì)量38.88kg，在混凝土塊內(nèi)預(yù)埋2根3cm×105cm(寬×長(zhǎng))的系接條，用于排墊與壓載體系接.X型系混凝土塊軟體排結(jié)構(gòu)布置見圖1.

圖1 X型系混凝土塊軟體排結(jié)構(gòu)示意圖(單位:cm)Fig.1 Sketch of the X-shape flexible mattress with concrete blocks tied(unit:cm)

護(hù)灘帶護(hù)灘原理是隔離較大流速的水流直接作用于受護(hù)灘面，使得受保護(hù)的灘面難以沖刷，進(jìn)而守護(hù)灘體.護(hù)灘帶整體上護(hù)灘效果明顯［5］，但工程應(yīng)用中護(hù)灘帶經(jīng)過一定的水沙作用后，出現(xiàn)了不同程度及不同類型的破壞，如排體邊緣塌陷、懸掛、排體中部鼓包或塌陷等(見圖2).文獻(xiàn)［2］和［6］對(duì)護(hù)灘帶的破壞類型進(jìn)行了歸納，總體上可分為5個(gè)破壞類型:(1)邊緣塌陷型;(2)排體中部塌陷或鼓包;(3)邊緣形成陡坡，邊緣排體變形較大甚至懸掛;(4)邊緣排體下部河床局部淘刷，形成空洞;(5)排體基礎(chǔ)整體沖刷坍塌.

圖2 工程中護(hù)灘帶破壞情況Fig.2 The failure of beach protection band in practical project

根據(jù)文獻(xiàn)［7－8］中的試驗(yàn)觀測(cè)，護(hù)灘帶在灘腳附近出現(xiàn)懸掛、架空、撕裂等破壞，或者灘面護(hù)灘帶出現(xiàn)塌陷或鼓包，造成護(hù)灘帶破壞(見圖3).

圖3 試驗(yàn)中護(hù)灘帶破壞情況Fig.3 The failure of beach protection band in test

2 護(hù)灘帶損毀過程及影響因素

2.1 損毀過程分析

根據(jù)清水沖刷試驗(yàn)過程中對(duì)護(hù)灘帶損毀過程的觀測(cè)［7－8］，清水沖刷開始階段，因水流流速較大，且又為不飽和挾沙，護(hù)灘帶守護(hù)范圍以外的灘面及上下游床面泥沙開始成層下移，床面開始進(jìn)入沖刷下切階段.此時(shí)護(hù)灘帶邊緣灘面逐漸沖刷下切形成沖刷坑，因護(hù)灘帶整體具有一定延展性(適應(yīng)一定河床變形的能力)而逐漸下降貼合灘面護(hù)灘，當(dāng)床面下切到一定程度或發(fā)生不均勻沖刷，且沖刷下切強(qiáng)度超過護(hù)灘帶的變形能力時(shí)，因護(hù)灘帶塊體本身為剛性構(gòu)件，使得護(hù)灘帶邊緣部分出現(xiàn)“架空”、“懸掛”現(xiàn)象，護(hù)灘帶破壞，水流淘刷其底部泥沙，由于淘刷的不均勻性，護(hù)灘帶與灘面間出現(xiàn)空隙，水流從護(hù)灘帶下部穿過，直接作用于受護(hù)灘面，護(hù)灘帶底下泥沙發(fā)生運(yùn)動(dòng)，使得護(hù)灘帶某些部位發(fā)生鼓包、塌陷現(xiàn)象，當(dāng)護(hù)灘帶下泥沙沖淤變形的幅度大于護(hù)灘帶變形能力時(shí)，護(hù)灘帶出現(xiàn)撕裂破壞.

隨著上下游床面及灘面沖刷下切，水深增加，并形成一定規(guī)模的沙波運(yùn)動(dòng)，引起床面阻力增加，流速及水面比降減緩，限制了灘面繼續(xù)沖刷下切，河床處于沖淤平衡階段.

2.2 損毀影響因素分析

護(hù)灘帶損毀機(jī)理較為復(fù)雜，影響因素較多，破壞的關(guān)鍵在于護(hù)灘帶附近局部沖刷坑的形成與發(fā)展，其損毀的主要因素包括水流條件、河床組成、護(hù)灘帶自身的結(jié)構(gòu)、平面布置以及護(hù)灘帶施工工藝等.

(1)水流條件 水流條件是造成護(hù)灘帶破壞的動(dòng)力因素，也是根本原因;主要包括流速大小、水流作用時(shí)間的長(zhǎng)短、護(hù)灘帶破壞部位的水深大小等.水流流速及作用時(shí)段的長(zhǎng)短直接關(guān)系到護(hù)灘帶邊緣未護(hù)灘面沖刷坑的形成范圍、深度及其發(fā)展.水深大小一方面關(guān)系到水流漫灘與否，護(hù)灘帶是否受水流作用;另一方面也關(guān)系到護(hù)灘帶上動(dòng)水壓力大小，是加速護(hù)灘帶出現(xiàn)“懸空”、“架空”后破壞的動(dòng)力因素.

(2)河床組成 河床組成主要與泥沙粒徑有關(guān)，泥沙粒徑的大小決定了河床的可動(dòng)性.河床的組成與水流條件共同作用下，形成了護(hù)灘帶邊緣的局部沖刷坑.

(3)護(hù)灘帶自身的結(jié)構(gòu) 主要與護(hù)灘帶上的混凝土塊質(zhì)量、系結(jié)方式、排體接縫的連接方式、編織布及系結(jié)條抗拉強(qiáng)度等有關(guān).混凝土塊質(zhì)量關(guān)系到塊體能否有效壓載排體，系結(jié)方式、排體接縫的連接方式、編織布及系結(jié)條抗拉強(qiáng)度關(guān)系到護(hù)灘帶抵抗破壞的能力.

(4)平面布置型式 目前護(hù)灘帶的平面布置主要有間隔守護(hù)、集中守護(hù)與間隔守護(hù)相結(jié)合、整體守護(hù).對(duì)護(hù)灘效果而言，整體守護(hù)效果最好，但缺乏經(jīng)濟(jì)性;其次為集中守護(hù)與間隔守護(hù)相結(jié)合;最后為間隔守護(hù).

(5)施工工藝 主要與施工質(zhì)量、排體搭接寬度、護(hù)灘帶邊緣壓載情況、排體的加筋方式等有關(guān).排體搭接寬度較小時(shí)，當(dāng)沖刷坑發(fā)展至2塊以上排體受護(hù)區(qū)域時(shí)，搭接處河床易出露，使得沖刷向護(hù)灘帶內(nèi)部發(fā)展;受加工工藝限制，編織布多只采用縱向加筋，使得排體延展性不足以適應(yīng)河床較大幅度的變形，排體“懸空”、“架空”后，排體上的拉力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)發(fā)生撕裂.

綜上所述，流速是護(hù)灘帶破壞的動(dòng)力因素，灘面泥沙粒徑與較大流速共同作用后，局部沖刷坑的形成與發(fā)展是護(hù)灘帶破壞的誘發(fā)原因，編織布、系結(jié)條及接縫部位的抗拉強(qiáng)度不夠是護(hù)灘帶破壞的直接原因.

3 護(hù)灘帶損毀機(jī)理分析

3.1 護(hù)灘帶塊體間脈動(dòng)力變化

在沖刷發(fā)展過程中，護(hù)灘帶邊緣區(qū)域水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，紊動(dòng)強(qiáng)度大，造成護(hù)灘帶塊體間存在一定的脈動(dòng)力，當(dāng)塊體間所受的脈動(dòng)力為脈動(dòng)強(qiáng)度較大的拉力時(shí)，可加劇護(hù)灘帶的損毀.試驗(yàn)表明護(hù)灘帶塊體間脈動(dòng)力大小的變化與護(hù)灘帶邊緣灘體沖刷變形過程有關(guān)［9］:沖刷初始階段，由于水流紊動(dòng)強(qiáng)度大，護(hù)灘帶邊緣沖刷發(fā)展很快，護(hù)灘帶的變形嚴(yán)重，護(hù)塊與護(hù)塊之間的脈動(dòng)力主要為脈動(dòng)拉力，且增幅較快，沖刷至某一階段，脈動(dòng)拉力達(dá)到最大值.之后，隨著沖刷時(shí)間的增長(zhǎng)，沖刷坑逐漸達(dá)到?jīng)_刷平衡，護(hù)灘帶變形逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，護(hù)塊與護(hù)塊之間脈動(dòng)力變化也變緩并漸趨穩(wěn)定.

3.2 護(hù)灘帶損毀受力分析

從護(hù)灘帶單個(gè)混凝土塊體及護(hù)灘帶受力角度對(duì)損毀機(jī)理進(jìn)行分析，位于灘體斜坡上的護(hù)灘帶邊緣混凝土塊體受力情況見圖4.假設(shè)灘體沿灘寬方向坡度為α，混凝土塊尺寸c×b×h(長(zhǎng)×寬×高)，混凝土塊主要由塊體內(nèi)的系結(jié)條與縫合在排墊、加筋條之間的系結(jié)條聯(lián)結(jié)而成.

混凝土塊在灘體上主要受有效重力W'，水流拖曳力FD，上舉力FL，動(dòng)水壓力P，排墊阻礙塊體運(yùn)動(dòng)的拉力F1和F2，塊體間的脈動(dòng)力F'1和F'2，灘面對(duì)塊體的摩擦力f1和f2，灘體對(duì)混凝土塊的支撐力FN.

拖曳力FD，上舉力FL及混凝土塊有效重力W'一般表達(dá)式為:

式中:u0為水流底速;CD為拖曳力系數(shù);CL為上舉力系數(shù);c，b，h分別為塊體長(zhǎng)、寬、高;k1為塊體垂直水流方向的投影面積系數(shù)，θ為底流與塊體長(zhǎng)度方向夾角，β=arctan(b/c);γs為混凝土塊重度;γ為水的重度.

圖4 護(hù)灘帶邊緣塊體受力分析示意圖Fig.4 Stress analysis on edge block of beach protection band

動(dòng)水壓力P為流動(dòng)水流對(duì)塊體的時(shí)均壓力和脈動(dòng)壓力之和.F1和F2分別為系結(jié)條、加筋條、排墊阻礙塊體分別沿塊體長(zhǎng)度(縱向)和寬度(橫向)方向運(yùn)動(dòng)的拉力，與系結(jié)條、加筋條、排墊本身抗拉強(qiáng)度有關(guān).當(dāng)外力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，系結(jié)條、加筋條、排墊可能出現(xiàn)緊繃或撕斷，使得排墊或?yàn)┟姹┞队谒?，護(hù)灘效果減弱.

根據(jù)混凝土塊體受力平衡得到F1，F(xiàn)2和FN表達(dá)式:

由式(4)～(6)可知，護(hù)灘帶塊體受力主要與塊體材料(γs)與尺寸(b，c，h)、水流特性(P，F(xiàn)'1，F(xiàn)'2，u0，θ，γ)、灘體形態(tài)(α)及灘面泥沙特性等有關(guān);對(duì)于單個(gè)塊體，護(hù)灘帶破壞與否，主要取決于支撐力FN是否大于塊體自身強(qiáng)度，拉力F1，F(xiàn)2是否大于系結(jié)條、加筋條、排墊抗拉強(qiáng)度.由于塊體本身強(qiáng)度較大，一般不易受水流作用而破壞，塊體附近護(hù)灘帶破壞主要因系結(jié)條、加筋條、排墊受力大于其抗拉強(qiáng)度，從而引起系結(jié)條斷裂、塊體脫離排墊或排墊撕毀，塊體脫離排墊后，與其他壩體撞擊后容易碎裂.

在護(hù)灘帶邊緣由于水流淘刷，逐漸形成沖刷坑，坡度逐漸變陡，此時(shí)，由于護(hù)灘帶具有一定延展性，護(hù)灘帶逐漸下降貼合受沖灘面，邊緣塊體也貼合灘面，護(hù)灘帶仍保護(hù)受沖灘面，由于α值較大，且塊體間脈動(dòng)力(主要為脈動(dòng)拉力)F'1和F'2較大，使得系結(jié)條、排墊受到的拉力F1和F2也較大，此時(shí)，系結(jié)條可能出現(xiàn)緊繃或撕斷，塊體移動(dòng)或脫落，護(hù)灘效果減弱.實(shí)際工程中系結(jié)條斷裂、塊體脫離排墊的破壞情況見圖5.

隨著護(hù)灘帶邊緣沖刷坑的發(fā)展及不均勻沖刷的發(fā)生，在沖刷坑達(dá)到一定深度時(shí)，受護(hù)灘帶整體延展性限制，邊緣排墊出現(xiàn)“懸掛”、“架空”等變形現(xiàn)象，其受力示意圖分別見圖6和7.

灘腳部位的護(hù)灘帶邊緣出現(xiàn)“懸掛”變形時(shí)，單寬“懸掛”排墊最大受力T1，位于排墊懸掛附近的灘體接觸面處(圖6)，T1可表示為:

式中:C1為與排墊延展率有關(guān)的系數(shù);L1為排墊懸掛長(zhǎng)度;q1(x)為單寬“懸掛”護(hù)灘帶上受力(有效重力及動(dòng)水壓力之和)分布.

圖5 護(hù)灘帶系結(jié)條斷裂、塊體脫離排墊的破壞情況Fig.5 Destruction of tied rope's rupture and block's sliding from cushion layer

圖6 灘腳處護(hù)灘帶邊緣“懸掛”受力示意圖Fig.6 Stress analysis on edge hanging of beach protection band

圖7 護(hù)灘帶邊緣“架空”受力示意圖Fig.7 Stress analysis on edge overheading of beach protection band

隨著沖刷坑變深直至陡峭，“懸掛”排體長(zhǎng)度變長(zhǎng)，沖刷坑紊動(dòng)強(qiáng)烈，q1加大，當(dāng)q1加大至一定程度或T1作用位置處塊體間脈動(dòng)拉力瞬時(shí)增大時(shí)，T1大于排墊極限抗拉強(qiáng)度，從而該處排墊撕裂、系結(jié)條斷裂、塊體脫落，進(jìn)而使得灘面暴露，并直接受水流沖刷，沖刷坑向護(hù)灘帶內(nèi)部發(fā)展，護(hù)灘帶破壞也向護(hù)灘內(nèi)部發(fā)展，圖2(b)和圖3中左圖可認(rèn)為是此類破壞情況.

在灘面上的護(hù)灘帶邊緣部分“架空”變形時(shí)(如圖7)，單寬“架空”排墊最大受力T2，位于排墊架空兩側(cè)，可表示為:

式中:L2為護(hù)灘帶邊緣沖刷坑寬度;q2(x)為單寬“架空”護(hù)灘帶的受力(有效重力及動(dòng)水壓力之和)分布.

沖刷坑初始形成階段，護(hù)灘帶邊緣受沖刷坑周邊支撐，排墊兩側(cè)受力相對(duì)較小.隨著沖刷坑的發(fā)展及灘面不均勻沖刷的發(fā)生，排墊逐漸“架空”于灘面之上，“架空”的排體長(zhǎng)度逐漸變大，排體上水深增加，單寬“架空”護(hù)灘帶的有效重力及動(dòng)水壓力增加，“架空”兩側(cè)排墊受力越來越大，當(dāng)單寬“架空”護(hù)灘帶的有效重力及動(dòng)水壓力增加到一定程度或T2作用位置處塊體間脈動(dòng)拉力瞬時(shí)加大，兩側(cè)排墊受力T2大于排墊極限抗拉強(qiáng)度，“架空”兩側(cè)排墊出現(xiàn)撕裂、系結(jié)條斷裂、塊體脫落，撕裂處灘面失去保護(hù)，直接受水流沖刷，沖刷坑繼續(xù)向兩側(cè)發(fā)展，直至護(hù)灘帶邊緣部分完全破壞，圖2(a)可認(rèn)為是此類破壞情況.

對(duì)于護(hù)灘帶內(nèi)部出現(xiàn)塌陷破壞也可按照護(hù)灘帶邊緣“架空”的受力進(jìn)行分析，破壞機(jī)理類似，不同之處是邊緣“架空”時(shí)排墊受灘體的三面支撐，而護(hù)灘帶內(nèi)部塌陷時(shí)，排墊四面均受灘體支撐，圖2(d)和圖3中右側(cè)圖可認(rèn)為是這類破壞情況.

3.3 護(hù)灘帶損毀機(jī)理

從上述護(hù)灘帶破壞受力分析來看，護(hù)灘帶破壞的主要機(jī)理為:水流沖刷未護(hù)灘面后，護(hù)灘帶邊緣沖刷坑形成，水流紊動(dòng)加劇，護(hù)塊間的脈動(dòng)力迅速增加，因護(hù)灘帶具有一定延展性，排體下降貼合受沖灘面繼續(xù)護(hù)灘，當(dāng)沖刷坑坡度較陡時(shí)，系結(jié)條可能出現(xiàn)緊繃或撕斷，塊體移動(dòng)或脫落，護(hù)灘效果減弱;隨著沖刷坑的繼續(xù)發(fā)展，受護(hù)灘帶整體延展性限制，邊緣排墊出現(xiàn)“懸掛”、“架空”等變形，使得原受護(hù)灘面直接受水流淘刷，當(dāng)沖刷坑發(fā)展到一定階段，變形的護(hù)灘帶上受力(有效重力及動(dòng)水壓力之和)達(dá)到一定值，或塊體間脈動(dòng)拉力瞬時(shí)加大時(shí)，護(hù)灘帶變形一側(cè)或兩側(cè)的排墊受力大于其極限抗拉強(qiáng)度，排墊撕裂，系結(jié)條斷裂、塊體脫落，護(hù)灘帶破壞，撕裂處灘面失去保護(hù)，直接受水流沖刷，沖刷坑向護(hù)灘帶內(nèi)部發(fā)展.

4 護(hù)灘帶損毀應(yīng)對(duì)措施

從護(hù)灘帶損毀的原因及機(jī)理來看，護(hù)灘帶破壞主要是排體邊緣沖刷坑的形成并向排體內(nèi)部發(fā)展，造成排體變形過大，超出排體自身抗拉強(qiáng)度，因而，抑制護(hù)灘帶邊緣沖刷坑的形成與發(fā)展，同時(shí)增大排體自身強(qiáng)度是應(yīng)對(duì)護(hù)灘帶損毀的重要措施:(1)在護(hù)灘帶邊緣拋四面六邊透水框架，文獻(xiàn)［7－8，10－11］對(duì)四面六邊透水框架(以下簡(jiǎn)稱“框架”)的護(hù)灘效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明框架護(hù)灘效果良好，特別是水流頂沖部位，適應(yīng)河床變形能力強(qiáng).四面六邊透水框架護(hù)灘原理與護(hù)灘帶不同，框架主要通過增大灘面阻力，減小灘面流速，使得灘面流速小于泥沙起動(dòng)流速而保護(hù)灘體，同時(shí)，因框架本身為散拋體，能適應(yīng)灘面的較大變形.因此，在護(hù)灘帶邊緣特別是受水流頂沖的邊緣部位拋一定的四面六邊透水框架，可防止護(hù)灘帶邊緣沖刷坑的發(fā)展，從而起到護(hù)灘帶邊緣防護(hù)作用.在周天河段等航道整治工程中曾采用四面六邊透水框架群對(duì)軟體排邊緣進(jìn)行處理，工程效果較好.(2)增大排體自身抗拉強(qiáng)度，如將接縫處改縫接為搭接處理，可大大增加接縫處抗拉強(qiáng)度，目前D型排采用的接縫處理方式即為搭接處理.此外，選擇合理的平面布置型式對(duì)護(hù)灘帶的穩(wěn)定也起到重要作用.

5 結(jié)語

通過對(duì)護(hù)灘帶損毀過程的試驗(yàn)觀測(cè)、損毀影響因素分析、護(hù)灘帶塊體間脈動(dòng)力及塊體、排體受力分析，研究了護(hù)灘帶損毀機(jī)理，主要結(jié)論如下:(1)護(hù)灘帶主要發(fā)生邊緣塌陷、懸掛，排體中部鼓包、塌陷等破壞類型.(2)流速是護(hù)灘帶破壞的動(dòng)力因素，局部沖刷坑的形成與發(fā)展是護(hù)灘帶破壞的誘發(fā)原因，編織布、系結(jié)條及接縫部位的抗拉強(qiáng)度不足是護(hù)灘帶破壞的直接原因.(3)護(hù)灘帶破壞的主要機(jī)理為:護(hù)灘帶邊緣沖刷坑形成，排體下降貼合受沖灘面繼續(xù)護(hù)灘，當(dāng)沖刷坑較陡時(shí)，護(hù)塊間系結(jié)條可能出現(xiàn)緊繃或撕斷，塊體移動(dòng)或脫落，護(hù)灘效果減弱;隨著沖刷坑的發(fā)展，邊緣排墊出現(xiàn)“懸掛”、“架空”等變形，原受護(hù)灘面受水流淘刷，至沖刷坑發(fā)展到一定階段，護(hù)灘帶變形側(cè)的排體受力大于其抗拉強(qiáng)度，排布撕裂，系結(jié)條斷裂，塊體脫落，護(hù)灘帶破壞，撕裂處灘面失去保護(hù)，直接受水流沖刷，沖刷坑向護(hù)灘帶內(nèi)部發(fā)展.(4)應(yīng)對(duì)護(hù)灘帶損毀的重要措施:在護(hù)灘帶邊緣特別是受水流頂沖的邊緣部位拋一定的四面六邊透水框架，增大排體自身的抗拉強(qiáng)度，選擇合理的平面布置型式等.

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