四面六邊透水框架構(gòu)筑心灘防護(hù)工程清水沖刷試驗(yàn)研究

李 晶，喻 濤，王平義

（1.長江宜賓航道局 ，四川宜賓644000；2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074）

四面六邊透水框架構(gòu)筑心灘防護(hù)工程清水沖刷試驗(yàn)研究

李 晶1，喻 濤2，王平義2

（1.長江宜賓航道局 ，四川宜賓644000；2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074）

四面六邊體透水框架作為一種航道整治建筑物廣泛應(yīng)用于長江中下游航道整治過程中并取得了較好的效果，但也存在大面積損毀現(xiàn)象。為此，通過水槽概化模型試驗(yàn)，對四面六邊體透水框架群守護(hù)心灘時(shí)灘體及透水框架群變形特點(diǎn)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：相同流量下，并非心灘淹沒程度越低，灘體沖刷破壞越嚴(yán)重；在框架群的下邊緣和兩側(cè)透水框架易發(fā)生位移；透水框架群應(yīng)用于淺灘整治工程時(shí)，框架桿件長度及總體布置方案應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化和論證。

四面六邊體透水框；心灘，水槽試驗(yàn)；河床變形

四面六邊透水框架系原水利部西北水利科學(xué)研究所在20世紀(jì)90年代初研制成功的一種新型護(hù)岸工程技術(shù)［1］。近年來大量運(yùn)用到長江中下游航道整治工程當(dāng)中，其具有施工便利、促淤效果好等特點(diǎn)，能夠較好防止河床、灘面沖刷［2－5］。廣大科研工作者對此進(jìn)行了大量的研究，周根娣等［6］測量了水槽中四面六邊透水框架和四面六邊實(shí)體塊尾流場的流速垂線分布和紊動量垂線分布，對比研究了兩者的水流結(jié)構(gòu)和防護(hù)機(jī)理；李若華等［7］通過理論分析、水槽試驗(yàn)研究了低淹沒流動下穿越框架群水流的阻力特性；房世龍等［8］通過模型試驗(yàn)，研究了在橋墩周圍拋投四面體透水框架進(jìn)行防護(hù)的效果；劉倩穎等［9］通過水槽模型試驗(yàn)研究了采用四面六邊透水框架守護(hù)心灘前后其附近的水流結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明四面六邊體透水框架具有較好的護(hù)灘效果；鄭英等［10］通過水槽試驗(yàn)研究，表明四面六邊透水框架能有效地避免實(shí)體護(hù)岸工程基礎(chǔ)被淘刷而影響自身穩(wěn)定問題，且適應(yīng)河床地形變化能力強(qiáng)。

由此不難發(fā)現(xiàn)四面六邊透水框架是一種固沙保灘較好的航道整治建筑物，但實(shí)際過程中其也會發(fā)生大面積水毀（框架群散落、桿件對接處脫落及桿件斷裂等）的現(xiàn)象，現(xiàn)有研究多著眼于四面六邊透水框架周圍水力特性的研究，忽視其與床面之間相互作用的關(guān)系，因此，本文通過概化水槽模型試驗(yàn)，研究了透水框架周圍的河床變形及其自身的穩(wěn)定性問題，對于工程設(shè)計(jì)及施工具有參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方案

1.1 試驗(yàn)水槽及透水框架布置

由于三峽水庫蓄水運(yùn)行之后，受水庫攔沙作用，水庫下游含沙量較蓄水前減小很多，且本文研究對象處于長江中游，因此試驗(yàn)中上游來沙情況不予考慮 ，試驗(yàn)設(shè)計(jì)為動床清水沖刷［11－12］。

試驗(yàn)在長×寬×高＝25m×3m×0.6m的矩形玻璃水槽中進(jìn)行。水槽底部平鋪長25 m、厚20 cm的動床段，水槽中部用模型沙塑造心灘形態(tài)，最長處為4m，最寬處為1.2m，長寬比為3.33∶1，心灘高度為10 cm，長度方向的坡率為1∶9，寬度方向的坡率為1∶5，模型沙級配由所在河段河床實(shí)測級配確定（圖1）。四面六邊透水框架群的布置區(qū)域?yàn)?＃斷面～8＃斷面，呈單層條狀間隔分布。四個(gè)透水框架角角相連為一組，框架緊密相連布置在灘面上，在總結(jié)分析已有研究成果基礎(chǔ)上，確定透水框架群寬度及間隔距離均為20 cm［13］，見圖2。

1.2 四面六邊體透水框架的模擬

原型混凝土四面六邊透水框架是一種預(yù)制的鋼筋混凝土構(gòu)件，由六根長度相等的桿件相互連接構(gòu)成，呈正三棱椎體［14］。四面六邊透水框架桿件橫斷面尺寸為10mm×10mm，長度一般有為1m、0.8 m和0.6m三種，混凝土采用C20強(qiáng)度。

本次試驗(yàn)?zāi)M桿件長度為1m的框架。正式試驗(yàn)前經(jīng)過反復(fù)研究，透水框架桿件最終確定采用直徑φ＝1.8mm的鋁條進(jìn)行模擬。透水框架制成后隨機(jī)選擇20個(gè)進(jìn)行稱重，計(jì)算可知每個(gè)框架質(zhì)量約為0.693 g，與按模型比尺設(shè)計(jì)的框架質(zhì)量（0.669 g）相對誤差不大于5.0%；單根框架桿件的橫斷面面積為2.54mm2，與按模型比尺設(shè)計(jì)的橫斷面面積相對誤差約為8% ，符合重力相似要求［15］。制作完成后的單個(gè)模型透水框架及透水框架群如圖3所示。

圖1 模型沙級配圖

圖2 四面六邊透水框架拋投方式及斷面布置

圖3 模型透水框架實(shí)物圖

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

清水沖刷試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要以心灘淹沒時(shí)的灘頂流速為主要控制條件，同時(shí)要考慮對比不同流量及水深時(shí)心灘周圍在透水框架群守護(hù)后的沖淤變形特點(diǎn)，具體試驗(yàn)工況見表1。動床清水沖刷時(shí)間以床面達(dá)到?jīng)_淤平衡為準(zhǔn)則，一般約為8 h。

表1 清水沖刷試驗(yàn)工況表

2 試驗(yàn)分析

2.1 透水框架周圍河床變形分析

經(jīng)過清水沖刷試驗(yàn)后整個(gè)河床地形及透水框架破壞情況見圖4，研究沖刷后河床形態(tài)及試驗(yàn)中灘體及框架群沖刷及破壞特點(diǎn)，可知透水框架群守護(hù)后心灘周圍河床變形特征表現(xiàn)為：

圖4 各種工況下透水框架守護(hù)時(shí)沖刷后照片

（1）從沖刷后的整個(gè)河床形態(tài)看，四面六邊透水框架群守護(hù)心灘后，灘體兩側(cè)及灘頂表面流速降低幅度較大，心灘抗沖刷能力顯著增大，水毀程度及范圍明顯較小，說明達(dá)到了預(yù)期的守護(hù)效果。灘體沖刷由灘面沖刷和灘體兩側(cè)沖刷并相互影響而完成，透水框架群守護(hù)后沖刷作用會明顯降低。由于透水框架群守護(hù)形式呈間隔帶狀，漫灘和兩汊水流的沖刷作用削弱明顯，8＃斷面上游的灘體部分受透水框架群直接防護(hù)，沖刷破壞較小，灘體高程基本不變，框架群及間隔出現(xiàn)細(xì)顆粒泥沙落淤；8＃斷面下游的灘體部分，由于未受透水框架群直接守護(hù)，破壞及沖刷現(xiàn)象較為明顯。同時(shí)，左右兩汊也分別出現(xiàn)受水流沖刷后形成的深槽，沖刷最深部位均出現(xiàn)在8＃斷面上游。透水框架群也發(fā)現(xiàn)存在局部水毀現(xiàn)象，表現(xiàn)為透水框架在頂沖水流流速較大時(shí)會發(fā)生不同程度的位移，灘面上框架群出現(xiàn)散落；部分位于灘體兩側(cè)的透水框架滾落至灘體坡腳處，甚至有部分處于河床交界處與灘體兩側(cè)的透水框架在沖刷過程中不斷下沉被床面泥沙覆蓋。

（2）從沖刷發(fā)展過程看，透水框架群守護(hù)心灘后，透水框架拋投區(qū)域下游某一位置，首先出現(xiàn)細(xì)小沙紋，此后這種細(xì)小沙紋逐漸發(fā)展至下游灘面，最終整個(gè)灘面被細(xì)小沙紋覆蓋；同時(shí)，未被守護(hù)的灘體側(cè)面部分也出現(xiàn)大小不一的沙紋；此時(shí)，框架群間隔帶及其所在區(qū)域出現(xiàn)不同程度的泥沙淤積。隨著沖刷時(shí)間的延長，心灘頂部的細(xì)小沙紋逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨灤┱麄€(gè)灘頂?shù)拇笊巢?，并與灘體側(cè)面沙波連成一片，形成心灘的沖刷和破壞。左右兩汊被水流沖刷而成的河槽最深處均出現(xiàn)在8＃斷面上游，這是由于心灘被守護(hù)區(qū)域沖刷量很小，灘體形狀改變較小，但8＃斷面下游部分由于未被守護(hù)致使其沖刷破壞較嚴(yán)重，灘體在橫向上變窄，使得支汊河道變寬，故在框架群守護(hù)區(qū)域下游對應(yīng)的汊道以下河段，容易形成漸變放寬段，因此，位于放寬段上游河寬變化大不的區(qū)域，在水流長時(shí)間的沖刷作用下，河床容易下切并形成深槽。

（3）流量相同時(shí)，灘體破壞程度與心灘被淹沒程度沒有直接關(guān)系，即水位較低時(shí)灘體破壞程度不一定大。對比分析工況2和工況3時(shí)灘體沖刷變形情況，可以發(fā)現(xiàn)工況2下心灘剛好淹沒，此時(shí)水深與灘頂齊平，而工況3灘頂以上水深有4 cm，透水框架沒有守護(hù)心灘，工況3時(shí)心灘沖刷程度較工況2為輕，在透水框架守護(hù)心灘后，工況3時(shí)心灘沖刷程度較工況2為重，這是由于透水框架守護(hù)心灘后，沖刷過程中，下游未守護(hù)的灘體受上游守護(hù)灘體的保護(hù)作用，使得左右兩汊水流對灘體兩側(cè)沖刷下切作用達(dá)到一定程度后逐漸衰弱；工況2時(shí)由于水流沒有漫灘，只是心灘兩個(gè)側(cè)面遭受水流沖刷，在灘體頭部透水框架的守護(hù)下，沖刷達(dá)到一定程度后兩側(cè)沖刷開始減弱并逐漸趨于穩(wěn)定；而工況3時(shí)水流漫灘，心灘兩個(gè)側(cè)面遭受水流沖刷外，灘頂處也要遭受沖刷，透水框架群雖然能夠起到減速促淤的作用，但當(dāng)其阻力達(dá)到一定程度后，水流越過透水框架群頂部會形成跌水，對下游灘面形成較強(qiáng)的沖刷。

（4）水深相同時(shí)，流量越大灘體沖刷變形越嚴(yán)重，這是由于水深相同時(shí)，流量越大流速越大，水流對灘面及灘體兩側(cè)的沖刷能力越強(qiáng)，使得灘體沖刷變形越嚴(yán)重。

2.2 透水框架自身穩(wěn)定性分析

透水框架結(jié)構(gòu)的桿件之間是通過預(yù)埋在混凝土內(nèi)部的預(yù)留鋼筋焊接的［16］，其自身強(qiáng)度較高，且在實(shí)際工程應(yīng)用中，少量透水框架自身結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象是由于在水中浸泡銹蝕或重量較大的漂浮物撞擊造成的。試驗(yàn)中的水流與天然河道水流不同，因此試驗(yàn)中透水框架的穩(wěn)定性分析主要考慮透水框架在水流及泥沙運(yùn)動作用下發(fā)生的位移。透水框架之所以能夠起到減速促淤的作用，是由于它的存在使水流所受阻力增大，從而減小水流流速，起到護(hù)岸保灘的作用。力的作用總是相互的，透水框架在阻擋水流行近的同時(shí)，水流也對其產(chǎn)生一定的拖曳力和上舉力，當(dāng)流速足夠大時(shí)，透水框架必然會在水流作用下發(fā)生運(yùn)動。

通過動床清水沖刷試驗(yàn)，觀測了透水框架群遭受沖刷時(shí)的變形特點(diǎn)，具體有以下兩種情形：（1）在框架群的周邊區(qū)域，框架與水流和泥沙直接作用，沒有受到其他框架的保護(hù)作用，此處流速也較大，致使這部分透水框架較其他部位更容易移動，特別是心灘兩側(cè)的透水框架，由于兩側(cè)灘體為斜坡體，透水框架更易發(fā)生位移，但總體上框架移動的數(shù)量及范圍均較??；（2）灘面上的透水框架會增加心灘灘面糙率，使得水流會在橫向上作出調(diào)整，水流向左右兩側(cè)汊道分流，隨著沖刷時(shí)間的延長，灘體邊緣未守護(hù)區(qū)域不斷遭受沖刷，并最終形成沖刷坑，使得框架在水流及自身重力作用下滑落入沖刷坑內(nèi)。

根據(jù)5種工況的最終沖刷效果來看，透水框架具有很好的減速及促淤功能，從圖5中可以發(fā)現(xiàn)框架群內(nèi)泥沙淤積量很大。工況5時(shí)來流流速最大，屬最不利情況，通過圖5中的沖刷過程圖，可以看出雖然少量的透水框架被水流沖散，但就框架群整體性來說仍然比較完整，依然可以發(fā)揮其應(yīng)有的守護(hù)功能。

2.3 透水框架的缺點(diǎn)及穩(wěn)定性增強(qiáng)措施

目前已有研究成果及本文試驗(yàn)的分析可知四面六邊透水框架有諸多優(yōu)點(diǎn)，此處不加贅述，通過原型觀測及試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其也有一定缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：透水框架群為散拋在心灘上的結(jié)構(gòu)物，當(dāng)來流流速較大時(shí)對框架形成頂沖，使散拋在灘面上的部分框架發(fā)生位移，在自身重力作用下灘體兩側(cè)框架會滑落至兩側(cè)支汊內(nèi)，降低了透水框架群拋投密度。此外，透水框架群本身具有一定高度，若其隨水流運(yùn)動至主航道中，勢必會對船舶安全航行產(chǎn)生一定的影響。因此，在進(jìn)行航道整治設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合整治河段河床演變特征及水沙動力條件，對透水框架桿件尺寸及總體布置方案應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化和論證，以選擇合適的整治方案及措施。

為增加四面六邊透水框架的穩(wěn)定性，施工時(shí)宜將框架連接起來形成框架群分層拋投；當(dāng)框架群用于灘體邊緣防護(hù)時(shí)，灘體坡度不宜過大，有時(shí)需要適宜削坡防止其滑落；為了更好的守護(hù)心灘，可以采取透水框架和護(hù)灘軟體排相結(jié)合的形式，在軟體排容易水毀的部位拋投透水框架增強(qiáng)護(hù)灘建筑物的穩(wěn)定性，從而達(dá)到更好的整治效果。

3 結(jié) 論

（1）流量相同時(shí)，灘體破壞程度與心灘被淹沒程度沒有直接關(guān)系，即水位較低時(shí)灘體破壞程度不一定大。

（2）在框架群的下邊緣和兩側(cè)透水框架易發(fā)生位移；隨著沖刷時(shí)間的延長，灘體邊緣未守護(hù)區(qū)域不斷遭受沖刷，并最終形成沖刷坑，使得框架在水流及自身重力作用下滑落入沖刷坑內(nèi)。

（3）透水框架群應(yīng)用于航道整治尤其是淺灘整治工程時(shí)，應(yīng)結(jié)合具體河段地形及水力幾何條件進(jìn)行框架桿件長度及總體布置方案的優(yōu)化和論證。

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Scouring Experiment Research on Diara Protective Constructions——Permeable Six－sided Tetrahedron Frame Groups

LIJing1，YU Tao2，WANG Ping－yi2
（1.Changjiang YibinWaterway Bureau，Yibin，Sichuan 644000，China；2.School of River and Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

As a regulating structure in waterway，permeable six－sided tetrahedron frame groups are widely used in the process of themiddle and lower reachesof Yangtze Riverwaterway regulationwith good results，but there are damages in large areas.Therefore，through a flume generalized model test，diara body and the deformation characteristics of the frame groupswere analyzed.The results indicate thatunder the same flow rate，the diara inundated degree is not in direct proportion with the scouring damage of the beach body ；the bottom edges and both sides of the permeable frame groups are prone to displacement；when the frame groups are applied in shoal regulations，the length of the frame bars and the overall layout scheme should be optimized and verified.

permeable six－sided tetrahedron frame；diara；flume experiment；riverbed deformation

TV131.61；TV332.13

A

1672—1144（2014）04—0050—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.009

2014－02－24

2014－03－21

西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目（200732800006；2009328814012）

李 晶（1969—），男 ，四川瀘州人 ，高級工程師 ，主要從事航道整治工程科研與管理工作。