平順拋石護(hù)岸水毀速率試驗(yàn)研究

費(fèi)曉昕　張幸農(nóng)

摘要：平順拋石護(hù)岸主要用于增強(qiáng)堤防和岸灘的穩(wěn)定性，有利于沿江城鄉(xiāng)的防洪安全。然而，岸坡水下坡腳極易受水流淘刷，往往造成坡腳處根石失穩(wěn)，坡面形成空白間隙，岸坡穩(wěn)定性下降，甚至對(duì)堤防安全造成威脅。因此，研究拋石護(hù)岸的水毀現(xiàn)象十分必要。在原型觀測(cè)及水槽試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)坡面空白間隙的發(fā)展，對(duì)拋石護(hù)岸的水毀破壞方式及水毀速率進(jìn)行了研究，得到了坡面空白間隙的發(fā)展規(guī)律，闡述了平順拋石護(hù)岸的水毀特征。

關(guān)鍵詞：拋石護(hù)岸; 水槽試驗(yàn); 坡腳沖刷; 水毀速率; 空白寬度

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV871

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.034

0引 言

平順拋石護(hù)岸工程在長(zhǎng)江中下游應(yīng)用十分廣泛，能夠控制有利河勢(shì)及保障沿江兩岸的防洪安全。但是，由于坡腳遭受水流淘刷，護(hù)岸塊石常常因失去支撐而滑落，導(dǎo)致護(hù)岸工程水毀。許多學(xué)者對(duì)拋石護(hù)岸的水毀進(jìn)行了研究[1-5]：長(zhǎng)江科學(xué)院對(duì)塊石在河床沖刷時(shí)的穩(wěn)定及位移特性、平順拋石護(hù)岸破壞過(guò)程、拋石加固方案和施工方法等進(jìn)行了研究[6-11]，如姚仕明、盧金友等研究了塊石與小顆粒石料的不同鋪?zhàn)o(hù)方案的護(hù)岸效果及塊石定點(diǎn)投拋規(guī)律;另外，毛佩郁、應(yīng)強(qiáng)等[4，12-15]也對(duì)其水毀機(jī)理及穩(wěn)定性做了相關(guān)研究，但這些研究均沒(méi)有考慮拋石護(hù)岸水毀速率的問(wèn)題。因此，鑒于天然河道中平順拋石護(hù)岸較易水毀部位一般位于彎道凹頂，本文在以往平順拋石護(hù)岸水毀機(jī)理研究[16-17]的基礎(chǔ)上，總結(jié)拋石護(hù)岸水毀表現(xiàn)形式，對(duì)平順拋石護(hù)岸的水毀速率及其影響因子進(jìn)行了分析，較為深入地研究了平順拋石護(hù)岸的水毀特征。

1水毀表現(xiàn)形式

長(zhǎng)江中下游平順拋石護(hù)岸工程自應(yīng)用以來(lái)，處于不斷破壞和維護(hù)中[18-23]。例如，荊江大堤某些岸段在投入使用前期，拋石坡度較陡，有的甚至陡達(dá)1∶0.7，后來(lái)經(jīng)多次逐步加固到1∶2.5，才形成了目前較為安全的格局;長(zhǎng)江下游黃石至馬鞍山段多處岸段坡腳也存在沖刷，坡面塊石失去支撐作用而導(dǎo)致坡比變陡，塊石滾落的現(xiàn)象，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該段拋?zhàn)o(hù)4 a后平均拋投坡度為1∶2.9，最陡達(dá)到1∶1，坡比陡為1∶1.8的岸坡有58個(gè)，占該段平順拋石護(hù)岸工程的12.2%。由長(zhǎng)江中下游河段平順拋石護(hù)岸水毀現(xiàn)象來(lái)看，拋石護(hù)岸最明顯的表現(xiàn)形式就是岸坡上護(hù)岸塊石的滑落和岸坡失去保護(hù)后的岸坡變形，坡體土體裸露以及坡比變陡，岸坡穩(wěn)定性下降。

2模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案

由上述天然河道拋石護(hù)岸水毀破壞形式可知，護(hù)岸塊石滑落、坡體土體裸露為水毀的主要表現(xiàn)形式。引起這種現(xiàn)象的原因主要是岸坡坡腳處河床遭受水流沖擊，形成沖刷坑，坡腳處防沖備填石流失，失去對(duì)岸坡的保護(hù)作用。拋石護(hù)岸的水毀機(jī)理已有不少專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了研究，在此不再贅述。本文主要從防崩層、流速、拋投厚度、坡度、級(jí)配5個(gè)影響因素研究岸坡的水毀速率，為方便研究岸坡在失去坡腳處防沖備填石保護(hù)作用后的水毀發(fā)展情況，試驗(yàn)工況以一般外延守護(hù)，坡腳處河床遭受水流沖刷為基礎(chǔ)。

天然河道中，平順拋石護(hù)岸工程附近泥沙運(yùn)動(dòng)方式主要是推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)，河床變形主要是建筑物附近床沙的局部沖刷。因此，為保證水沙運(yùn)動(dòng)及拋石護(hù)岸結(jié)構(gòu)模擬的相似性，采用幾何正態(tài)模擬方式進(jìn)行水槽試驗(yàn)，并僅模擬推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)，忽略懸沙運(yùn)動(dòng)模擬。根據(jù)水槽試驗(yàn)場(chǎng)地及研究?jī)?nèi)容，選定試驗(yàn)幾何比尺為1∶25，流速比尺為1∶5。長(zhǎng)江中下游河道泥沙顆粒粒徑范圍為0.05～0.25 mm，中值粒徑約為0.20 mm，經(jīng)多次水槽起動(dòng)流速試驗(yàn)，選用經(jīng)防腐處理的木屑，中值粒徑0.80 mm，含水密實(shí)容重1.12 g/cm3，基本能滿足泥沙起動(dòng)相似要求。水槽整體布局見(jiàn)圖1，寬2.5 m，長(zhǎng)20 m，中間1～5區(qū)為試驗(yàn)段，左岸為定床，右岸及槽底為動(dòng)床，由于彎道凹頂一般是沖刷較為嚴(yán)重的部位，本次試驗(yàn)選擇4號(hào)斷面作為水毀破壞的對(duì)比斷面。

根據(jù)長(zhǎng)江中下游天然拋石護(hù)岸塊石粒徑大?。?0～70 cm）與級(jí)配組成，確定試驗(yàn)拋石塊體粒徑范圍為0.5～2.5 cm，考慮了均勻級(jí)配和有級(jí)配的幾種組合（見(jiàn)表1）。試驗(yàn)岸坡塊石按單、雙及多層拋?zhàn)o(hù)，試驗(yàn)流速為32～62 cm/s（天然1.5～3 m/s），水深為32 cm（天然8 m），3種坡度為1∶2，1∶2.5及1∶3，坡高30 cm（天然7.5 m），相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)岸坡長(zhǎng)度分別為68，80 cm及96 cm，坡腳防崩層有剛性守護(hù)和一般外延守護(hù)2種。

3水毀速率分析

彎道水槽試驗(yàn)主要以大流速為主，試驗(yàn)現(xiàn)象和規(guī)律較好。坡腳遭受水流沖刷后，坡面塊石失去支撐，產(chǎn)生滑落現(xiàn)象，坡面部分沙體裸露，產(chǎn)生空白，空白形態(tài)主要有3種：① 分散多出的零星空白，主要產(chǎn)生于水毀不嚴(yán)重的工況及試驗(yàn)初始階段;② 條帶狀空白，主要產(chǎn)生于水毀稍嚴(yán)重或水毀沖刷的后半階段;③ 大面積空白，主要產(chǎn)生于水毀較嚴(yán)重的工況?？瞻装l(fā)展的速率及寬度大小代表著護(hù)岸水毀發(fā)展的速率及程度。通過(guò)對(duì)彎道4號(hào)斷面的空白大小、位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，研究平順拋石護(hù)岸在各試驗(yàn)工況下的水毀速率問(wèn)題。

空白產(chǎn)生和發(fā)展的過(guò)程一般為：當(dāng)試驗(yàn)流速大于坡腳床沙起動(dòng)流速時(shí)，床沙大量起動(dòng)和揚(yáng)動(dòng)，使得護(hù)腳處床沙局部淘刷，慢慢形成沖坑，沖坑又逐漸側(cè)向內(nèi)凹，并逐步加深、加寬、加長(zhǎng)。塊石邊緣床沙沖深后，塊石失去床沙的支撐，向外側(cè)滾落。塊石滑動(dòng)過(guò)程中，先是最外側(cè)塊石失去支撐滾落或滑落，而滾落的塊石原處就會(huì)出現(xiàn)空白，該空白處失去防護(hù)的床沙便會(huì)被水流吸出，導(dǎo)致上部的塊石繼續(xù)滑落和滾落，覆蓋下部露出的空白，這樣由下至上空白一層一層往坡頂方向傳遞。若坡腳處沖刷達(dá)到平衡，則沖刷停止，岸坡就逐漸形成穩(wěn)定的狀態(tài)。

試驗(yàn)條件不同，空白發(fā)展速率也不同。有級(jí)配的情況下，流速較大及單層護(hù)坡工況坡面塊石水毀較嚴(yán)重，水毀現(xiàn)象主要表現(xiàn)為坡面上條帶狀空白發(fā)展迅速且空白寬度較大，一般試驗(yàn)60 min便產(chǎn)生條帶狀空白，隨后空白逐漸向坡頂發(fā)展且寬度增大，最大空白寬度達(dá)20 cm，此時(shí)，岸坡橫斷面拋石覆蓋率已不足70%，護(hù)岸效果明顯不足。坡度緩和及拋?zhàn)o(hù)多層的試驗(yàn)工況水毀破壞較為緩和，產(chǎn)生的空白為不連續(xù)或零星狀，且通過(guò)坡面拋石自身調(diào)整空白逐漸消失。單層拋?zhàn)o(hù)的粗粒徑均勻工況經(jīng)水流連續(xù)沖刷后也產(chǎn)生空白，在流速僅為32 cm/s時(shí)，產(chǎn)生分散多處、面積較大（空白寬7 cm）的空白，相當(dāng)于橫斷面拋石覆蓋的10%。較細(xì)顆粒工況產(chǎn)生的空白則表現(xiàn)為細(xì)長(zhǎng)的裂縫，寬約4 cm?？偟膩?lái)說(shuō)，影響岸坡水毀速率的因子主要有防崩層、流速、拋投厚度、坡度及級(jí)配，具體空白發(fā)展規(guī)律分析如下。本文中，坡腳守護(hù)除剛性守護(hù)外，其余組次全部為坡腳外延守護(hù)10 cm。

3.1防崩層影響

坡腳部位防護(hù)情況對(duì)坡面拋石空白的發(fā)展具有至關(guān)重要的影響。坡腳僅做外延防護(hù)或剛性守護(hù)時(shí)，試驗(yàn)效果不同。僅做外延防護(hù)，近岸水流淘刷坡腳床沙快，如圖2（a）所示，試驗(yàn)開(kāi)始后10 min，坡腳床面開(kāi)始變形，引起坡腳處的塊石下滑滾落，30 min后坡面便出現(xiàn)空白，隨著沖刷時(shí)間的增加，床面沖刷加劇，塊石下滑量也逐漸增加，試驗(yàn)區(qū)域空白區(qū)增大，并且位置不斷上移，8 h后，空白區(qū)上移至坡頂，坡頂床沙出露（見(jiàn)圖2（b））。坡腳有剛性防護(hù)時(shí)，護(hù)岸塊石不會(huì)產(chǎn)生位移和坍塌，直至試驗(yàn)結(jié)束，未產(chǎn)生空白區(qū)（見(jiàn)圖2（c）），因此，剛性防護(hù)下，岸坡是穩(wěn)定的。

3.2流速影響

水流流速增大，無(wú)疑會(huì)對(duì)坡面空白發(fā)展產(chǎn)生較大影響。以圖3兩工況為例（坡比1∶2，級(jí)配Ⅱ，單層拋?zhàn)o(hù)）：試驗(yàn)開(kāi)始前60 min，大流速空白發(fā)展速率比小流速工況快15 cm，隨后空白發(fā)展速率逐漸減慢，以距坡頂30 cm為中部位置（坡比1∶2，坡長(zhǎng)68 cm），坡面中部以上發(fā)展速率明顯降低，大、小流速工況在坡面中部時(shí)刻至510 min時(shí)刻的發(fā)展速率分別為2.80 cm/h及2.85 cm/h，相對(duì)于坡腳至坡面中部時(shí)水毀速率（分別為38.00 cm/h及7.60 cm/h）慢得多，300～510 min時(shí)，水毀發(fā)展速度已經(jīng)很緩慢?？瞻孜恢眉皩挾入S時(shí)間變化規(guī)律為：前60 min，大流速工況空白處于距坡頂30 cm，坡面中部略靠上的位置，空白寬度為15 cm;小流速工況空白距坡頂45 cm，坡面中部以下近坡腳的位置，空白寬度為5 cm;至510 min時(shí)，兩組空白分別處于距坡頂9 cm及20 cm的位置，空白寬度為20 cm及8 cm。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明，彎道拋石護(hù)岸水毀試驗(yàn)中，其他試驗(yàn)條件相同時(shí)，較小流速工況空白區(qū)比較狹窄，位置處于岸坡中部，較大流速工況拋石護(hù)岸水毀現(xiàn)象更為明顯，空白區(qū)產(chǎn)生的速率更快，寬度也越寬，且空白區(qū)位置位于岸坡坡頂處?？偟膩?lái)說(shuō)，大流速工況水毀速率大于小流速工況，而空白位置至坡頂時(shí)，小流速工況空白發(fā)展速率反而稍大于大流速工況。這是因?yàn)榇罅魉俟r試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)坡腳處淘刷作用強(qiáng)、速度快，空白發(fā)展迅速，隨后淘刷作用隨著沖深的增加和坍塌塊石對(duì)沖刷坑的守護(hù)作用減弱，空白發(fā)展速率也隨之減弱，到近坡頂處，淘刷作用進(jìn)一步減弱直至不再淘刷坡腳，空白發(fā)展也隨之停止;小流速工況空白發(fā)展速率在整個(gè)時(shí)間軸上變化相對(duì)較?。ǔ?0 min），緩慢發(fā)展。另外，坡面中部以上空白發(fā)展速率變緩，越到近坡頂處，水毀速率越慢。

3.3拋投厚度影響

拋投厚度不同時(shí)，水毀速率和空白寬度隨時(shí)間的變化規(guī)律見(jiàn)圖4，圖中工況試驗(yàn)條件為坡比1∶2，級(jí)配Ⅱ，流速62.69 cm/s。由圖4可知：多層拋投時(shí)，試驗(yàn)開(kāi)始產(chǎn)生很狹窄的條帶狀空白，一段時(shí)間后，發(fā)展成隱約散在多處的空白，水毀破壞不明顯;而單層及雙層拋投工況，空白發(fā)展速率及寬度均在前60 min內(nèi)發(fā)展迅速，單層拋?zhàn)o(hù)水毀速率大于雙層拋?zhàn)o(hù)工況，當(dāng)距坡頂距離小于20 cm時(shí)，兩工況水毀速率均明顯下降。此外，空白寬度在60 min后呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速率單層大于雙層，雙層略大于多層，510 min時(shí)，單層、雙層組次的空白停留位置及寬度分別為距坡頂9，17 cm，空白寬度20，7 cm，多層工況水毀現(xiàn)象不明顯，散落的空白寬度在2 cm左右。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：在水流條件相同，沖刷量一定的情況下，雙層、單層工況穩(wěn)定時(shí)空白位置分別距坡頂17，9 cm，說(shuō)明后者在距坡頂17 cm時(shí)，沖刷坑仍需塊石填補(bǔ)，空白才會(huì)不停上移。多層拋?zhàn)o(hù)由于備填石數(shù)量多，并未形成明顯的條帶狀空白，通過(guò)岸坡上塊石的自身調(diào)整可使空白逐漸減小。因此單層拋石護(hù)坡是不安全的，容易形成空白區(qū)，使床面出露，進(jìn)而產(chǎn)生水毀破壞，而多層拋石具有足夠的塊石量來(lái)填補(bǔ)沖刷坑引起的塊石流失，可有效保護(hù)岸坡。因此，天然河道中，對(duì)坡面進(jìn)行雙層或多層防護(hù)十分必要，也證明天然拋石厚度達(dá)到0.7 m左右是必要的。

3.4坡度影響

坡度不同時(shí)，拋石護(hù)岸水毀速率和空白寬度隨時(shí)間的變化如圖5所示。圖中工況試驗(yàn)條件為流速62 cm/s，級(jí)配Ⅱ，雙層拋?zhàn)o(hù)。由圖5可知，坡比為1∶3時(shí)，試驗(yàn)初始坡面有些許空白，發(fā)展緩慢，試驗(yàn)60 min時(shí)，空白區(qū)基本位于坡腳底部，隨水流沖刷作用，上下層塊石做間歇性的相互調(diào)整，空白區(qū)并未發(fā)展壯大，而是逐漸變小消失，直到試驗(yàn)結(jié)束。其他兩工況空白發(fā)展速率相當(dāng)，前60 min時(shí)，坡比1∶2.0及1∶2.5的空白發(fā)展速度分別為30 cm/h及31 cm/h，位置均處于坡面中部以下，空白寬度為4 cm及2 cm;試驗(yàn)510 min時(shí)，兩者距坡頂距離20 cm左右，空白不再向坡頂發(fā)展?？瞻讓挾确矫妫卤?∶2.0工況寬度最大，為7 cm，其次為坡比1∶2.5，坡比1∶3.0工況通過(guò)自身調(diào)整，空白逐漸消失。總之，岸坡坡度越陡會(huì)加快坡面空白發(fā)展速率，反之則延緩。產(chǎn)生如此現(xiàn)象的主要原因是坡度小，塊石自身重力中垂直向下的分力小，加上塊石之間的阻礙作用，使得塊石不易滑落。

3.5級(jí)配影響

拋石級(jí)配不同時(shí)，護(hù)岸水毀速率和空白寬度隨時(shí)間的變化如圖6所示，圖中工況試驗(yàn)條件為流速61.57 cm/s，坡比1∶2.5，雙層拋?zhàn)o(hù)。由圖6可知：3種工況在試驗(yàn)前180 min水毀速率相差不大，級(jí)配Ⅲ和級(jí)配Ⅰ水毀速率慢于級(jí)配Ⅱ工況，180 min后，水毀發(fā)展緩慢。從空白寬度來(lái)看，3種工況空白寬度在1～3 cm之間，級(jí)配Ⅲ中條帶狀空白逐漸在坡面中部向上發(fā)展的過(guò)程中消失，護(hù)岸效果稍好。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析說(shuō)明，雙層和多層拋?zhàn)o(hù)時(shí)，坡面上出現(xiàn)的空白區(qū)會(huì)被上部塊石填補(bǔ)，尤其是較小的塊石下滑較快，備填石足夠時(shí)，填補(bǔ)空白區(qū)的塊石下滑越快越多，填充的時(shí)間就越短，空白區(qū)尺度就越小。因此，護(hù)岸效果最好的為級(jí)配Ⅲ、其次為級(jí)配Ⅰ、級(jí)配Ⅱ。

4結(jié) 論

長(zhǎng)江中下游護(hù)岸工程以平順拋石護(hù)岸為主，現(xiàn)有的拋石護(hù)岸工程在投入使用不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)便發(fā)生水毀破壞現(xiàn)象，為了解拋石護(hù)岸的水毀破壞特征，本文進(jìn)行了平順拋石護(hù)岸彎道水槽試驗(yàn)，對(duì)拋石護(hù)岸的水毀速率進(jìn)行了較為深入的探究，得出以下主要結(jié)論。

（1） 若坡腳部位不被沖蝕完全（剛性防護(hù)），發(fā)揮守護(hù)坡腳的作用，則岸坡上塊石基本處于穩(wěn)定的狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生水毀現(xiàn)象（空白區(qū)）。

（2） 若坡腳部位防崩層不足以填補(bǔ)沖刷坑，則岸坡護(hù)岸塊石會(huì)發(fā)生水毀現(xiàn)象。水毀速率與各影響因子相關(guān)：首先，大流速工況水毀速度快、水毀程度強(qiáng)，空白位置更靠近坡頂，小流速工況水毀速率稍慢，且空白寬度不如大流速工況;其次，單層拋?zhàn)o(hù)時(shí)水毀速率大于雙層及多層拋?zhàn)o(hù);再者，坡度越陡，水毀速率越快;最后，有級(jí)配塊石工況空白大小較不均勻工況小，不均勻工況拋石護(hù)岸有發(fā)生整體水毀的傾向。

（3） 水毀速率于坡腳至坡面中部較快，中部以上緩慢，越到近坡頂處，水毀速率越慢。

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（編輯：謝玲嫻）

Abstract：Smooth riprap revetment of embankment can increase the flood control capacity of embankment and beaches，which is conductive to the flood safety of plains and major cities along the Changjiang River.However，the underwater slope foot of the bank slope is easy to be scoured by water flow，which often results in the instability of the root rock at the foot of slope，forming a blank gap on the slope surface，and the stability of the bank slope decreases，even the safety of the embankment is threatened.Therefore，it is necessary to study the water damage phenomenon of riprap revetment.On the basis of prototype observation and flume experiment，we studied the water damage mode and water damage rate of the riprap revetment based on the development of the blank gaps on the slope，obtaining the development law of the bank gap on the slope surface and the water damage characteristics of the riprap revetment.

Key words：riprap revetment;flume experiment;slope foot scouring;water damage rate;blank gap