瑞安市飛云江仙降段工程四面體框架抗沖性能研究

蔣天華，張瑋玥，郭潤元，殷學(xué)成

（1.浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310016；2.浙江廣川生態(tài)環(huán)境工程設(shè)計(jì)有限公司， 浙江 杭州 310020；3.浙江省錢塘江流域中心， 浙江 杭州 310016）

1 問題的提出

在我國現(xiàn)有的護(hù)岸工程中，岸腳淘刷是護(hù)岸破壞的主要原因，它嚴(yán)重威脅著堤防的穩(wěn)定，常導(dǎo)致崩岸的發(fā)生。常用的實(shí)體護(hù)岸技術(shù)，如拋石、模袋混凝土、混凝土鉸鏈排等，往往因基礎(chǔ)淘刷致下拋塊體大量流失或工程失穩(wěn)崩塌[1]。四面六邊透水框架自身穩(wěn)定性較好，傳統(tǒng)的四面六邊體透水框架及新型框架結(jié)構(gòu)在長江護(hù)灘護(hù)底中都有成功應(yīng)用[2-4]。對四面六邊透水框架及其組成的框架群的相關(guān)研究主要集中在2 方面：一是水流結(jié)構(gòu)研究，主要涉及水流阻力特性、尾流場水力特性、減速效果的優(yōu)化、桿件長寬比和架空率等[5-9]；二是防沖促淤研究，主要研究透水框架群后地形沖淤變化[10-12]。但在凹岸頂沖條件下，透水框架防護(hù)效果不甚理想，框架常出現(xiàn)沖刷流失，不適合在沒有其他工程輔助情況下用于凹岸頂沖段岸腳的防護(hù)[13]。

飛云江仙降段凹岸的岸腳淘刷防護(hù)工程位于浙江省瑞安市境內(nèi)，長度21.4 km，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，建筑物級別為3 級。工程所在的凹岸堤段長1.89 km，原坡腳主要防沖為軟體排+拋石潛壩，但經(jīng)洪水多年沖刷后，部分拋石被沖損，存在安全隱患。本文以飛云江仙降段工程為例，分析四面體透水框架中拋填級配塊石時(shí)對框架抗沖性能的影響，提出經(jīng)濟(jì)合理的方案，設(shè)計(jì)方案擬采用四面體透水框架對拋石表面進(jìn)行加固和促淤保護(hù)。

2 框架群水槽試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

2.1 相似準(zhǔn)則與模型比尺[14]

對飛云江仙降段1.89 km 和水沙條件進(jìn)行概化水槽模型試驗(yàn)，模型設(shè)計(jì)遵循重力相似準(zhǔn)則，采用正態(tài)模型，模型試驗(yàn)的各水力參數(shù)相似比尺見表1。

表1 水力參數(shù)相似比尺表

2.2 模型試驗(yàn)透水框架

2.2.1 實(shí)際構(gòu)件

四面六邊透水框架原型桿件尺寸為12 cm×12 cm×120 cm，材料為鋼筋混凝土，單塊質(zhì)量約為260 kg。

2.2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

模型用鋁塊制作，組成框架的6 根桿件尺寸一致，模型見圖1。

圖1 四面六邊透水框架模型圖 單位：mm

2.3 模型河床選擇

原型河床為厚1.50 m，長1.89 km 的拋石河床，其拋石的粒徑范圍為10～30 cm，級配均勻。模擬河床由模型比尺及相似關(guān)系得出，采用級配均勻、粒徑范圍0.8～2.4 cm 的拋石塊。

2.4 流速和水深模擬

流速模擬為本項(xiàng)目的關(guān)鍵，原型研究河段50 a一遇，20 a 一遇和10 a 一遇洪水條件下斷面最大流速可達(dá)4.7，4.1，3.8 m/s；由模型比尺及相似關(guān)系得到模型模擬斷面最大流速分別為1.4，1.2，1.1 m/s。工程區(qū)域水深約12.0 m，模型水深約為1.0 m。試驗(yàn)采用循環(huán)供水系統(tǒng)，在60.0 m×1.0 m×1.5 m（長×寬×高）的大型水槽中通過調(diào)節(jié)閥門開度模擬不同流速。

2.5 試驗(yàn)測試手段

供水系統(tǒng)包括大型試驗(yàn)水槽、動(dòng)力泵、平水塔、尾水管、尾水閥門、配水管和回水槽等；流速測量采用南京水科院研制的便攜式流速儀；水位測量采用水位測針以及水深測量的方法；流量測量采用矩形量水堰，用于測定恒定流流量，量水堰堰型滿足量程和精度要求。

矩形堰的流量計(jì)算公式[15]：

式中：Q為流量（m3/s）；b為堰寬（m），本實(shí)驗(yàn)為1.0 m；H為水深（m）。

3 試驗(yàn)工況

研究透水框架布置的8 個(gè)工況（見表2）。各方案照片見圖2。比較分析在不同情況下的抗沖啟動(dòng)流速（框架吊裝為1 層或2 層、底部河床為拋塊石時(shí)，不同擺放數(shù)量或長度）、斷面垂線流速分布（重點(diǎn)測量框架處的流速），分析在框架中拋填級配塊石時(shí)對框架抗沖性能的影響，并提出經(jīng)濟(jì)、合理的優(yōu)化方案。

圖2 各方案現(xiàn)場照片圖

表2 透水框架試驗(yàn)不同布置工況內(nèi)容表

4 方案比較及推薦

4.1 方案1

框架群開始失穩(wěn)時(shí)測量斷面的表面最大流速為1.6 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于50 a 一遇設(shè)計(jì)流速（4.7 m/s）；當(dāng)斷面表面流速達(dá)到3.2 m/s，框架群完全被沖到下游?？蚣苋菏Х€(wěn)后，拋石河床隨即受到水流沖刷；沖刷結(jié)束后，形成范圍較大且深的沖坑。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象原因在于四面體透水框架個(gè)體沒有連接，彼此互相獨(dú)立；框架放置于拋塊石河床之上，框架與河床間摩擦力作用面積小，整體性較差；框架僅靠自身重力維持在水流中的穩(wěn)定性，故而穩(wěn)定性相對較差。

4.2 方案2

洪水沖刷后的框架群情況同方案1。

原因在于四面體透水框架放置在拋塊石河床之上，框架下部桿件的下表面與拋石河床的摩擦阻礙框架滑移，框架與河床間摩擦力作用面積小，整體性較差；框架吊裝2 層，雖然提高單位面積框架對拋石河床的壓力，但框架整體的重心相應(yīng)被抬高；與方案1 吊裝1 層框架相比，容易在水流作用下傾倒，反而不利于框架群的穩(wěn)定性。

4.3 方案3

框架群開始失穩(wěn)時(shí)表面最大流速為2.9 m/s；當(dāng)流速達(dá)到3.3 m/s，框架群全部被沖，同樣出現(xiàn)上述沖坑。

原因與方案2 類似，框架下部桿件的下表面與拋石河床的摩擦一定程度上阻礙框架的滑移，但框架與河床間摩擦力作用面積小，整體性較差。8 個(gè)框架為1 組綁扎，提高了框架間的整體性。與方案1 相比，其抗沖流速得到提高，但仍不能滿足50 a 一遇設(shè)計(jì)流速（4.7 m/s）情況下對透水框架群穩(wěn)定性的要求。

4.4 方案4

框架群開始失穩(wěn)時(shí)表面最大流速為2.3 m/s，且框架群隨即全部被沖，同樣出現(xiàn)上述沖坑。

原因在于四面體透水框架下面雖綁上袋裝宕渣增加其自身的重量，但同時(shí)使結(jié)構(gòu)整體迎水面積增加，導(dǎo)致水流對該結(jié)構(gòu)的沖擊力增加；由于袋裝宕渣的存在，結(jié)構(gòu)所受到的浮托力大大增大；由于宕渣與宕渣袋的空隙較小，結(jié)構(gòu)所受到的揚(yáng)壓力較大。從測量結(jié)果看，綁袋裝宕渣實(shí)驗(yàn)方案的失穩(wěn)流速比不綁袋裝宕渣的失穩(wěn)流速小，袋裝宕渣反而起到消極作用，不利于框架群的穩(wěn)定。遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足設(shè)計(jì)流速（4.7 m/s）對透水框架群抗沖穩(wěn)定性的要求。

4.5 方案5

該方案中框架群拋填一定級配的30 cm 厚塊石（10 cm 厚塊石占比30%、20 cm 厚塊石占比30%、30 cm 厚塊石占比40%）；當(dāng)表面流速達(dá)到3.7 m/s 時(shí)，第一排框架失穩(wěn)被沖到下游。第一排失穩(wěn)后，流速長時(shí)間在4.7 m/s 時(shí)，后排框架未出現(xiàn)失穩(wěn)滑移現(xiàn)象。

這種現(xiàn)象是由于四面體透水框架中拋填的塊石與拋石河床成為一體，一方面增大四面體框架與拋石的接觸面積，增大摩擦力；另一方面，透水框架給拋石起到加筋的作用，使拋石被固定，框架穩(wěn)定性得以提高。并且該方案與方案3 相比，四面體框架結(jié)構(gòu)對河床的壓力增加，重心下降，水流對框架的作用力矩減小，提高框架穩(wěn)定性；與方案4 相比，四面體框架拋填塊石的組合結(jié)構(gòu)受水流沖刷的面積減小，拋石間孔隙較大，結(jié)構(gòu)不受揚(yáng)壓力作用。但該方案第一排框架的抗沖穩(wěn)定流速未達(dá)到50 a 一遇設(shè)計(jì)流速（4.7 m/s），不推薦。

4.6 方案6

該方案將方案5 的級配塊石厚度增加至50 cm，在最大設(shè)計(jì)流速（4.7 m/s）水流的長時(shí)間作用下，四面體透水框架群的穩(wěn)定性良好；試驗(yàn)過程中流速高達(dá)5.2 m/s 時(shí)，透水框架亦未發(fā)生失穩(wěn)滑移現(xiàn)象，仍保持較好的穩(wěn)定性。但在設(shè)計(jì)流速水流沖刷較長時(shí)間后，所形成的河床出現(xiàn)范圍小且淺的沖坑，能滿足工程需求。

原因同方案5，但該方案耗費(fèi)粒徑塊石量較大，粒徑30 cm 的塊石當(dāng)?shù)夭灰撰@得，工程造價(jià)偏高，不推薦。

4.7 方案7

該方案在方案6 的基礎(chǔ)上將級配塊石范圍調(diào)整為10～20 cm（10 cm 和20 cm 厚塊石各占50%），其他保持不變。

試驗(yàn)現(xiàn)象和原因均與方案5 類似，且該方案不滿足工程抗沖穩(wěn)定的需求，不作推薦。

4.8 方案8

該方案在方案7 的基礎(chǔ)上，上下游兩端框架群中10 m 左右范圍拋填粒徑10～30 cm 塊石（級配同方案6），中間部位拋填粒徑10～20 cm 塊石（級配同方案7），拋填厚度50 cm。

在最大設(shè)計(jì)流速（4.7 m/s）水流的長時(shí)間作用下，透水框架無滑移、無轉(zhuǎn)動(dòng)，抗水流沖擊效果佳，穩(wěn)定性良好；試驗(yàn)過程中水流的最大流速一度達(dá)到5.4 m/s，在這種超設(shè)計(jì)流速水流作用下，透水框架無滑移、無轉(zhuǎn)動(dòng)，抗水流沖擊效果佳，穩(wěn)定性良好。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因同方案5，并且方案中將受到水流沖刷作用較小的框架群中間段，用容易獲得、成本偏低的小粒徑塊石代替成本偏高的大粒徑塊石，可大大節(jié)約工程成本、降低施工難度?？蚣苋簝啥烁挠么罅綁K石拋填，最大程度節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本的同時(shí)，滿足工程穩(wěn)定抗沖需求。

4.9 推薦方案

綜合試驗(yàn)結(jié)果，方案8 的工程實(shí)施難度及工程量大大減小，成本降低，施工方便，因而推薦方案8 為防沖方案。

5 結(jié) 語

四面體透水框架與塊石相結(jié)合的水平防沖方案較好地保障飛云江仙降段凹岸的堤腳防沖穩(wěn)定性，河床沒有發(fā)生劇烈沖刷，保證工程順利開展，確保河勢穩(wěn)定。采用四面體透水框架堤腳防沖技術(shù)，對飛云江仙降段堤防工程的施工質(zhì)量和施工安全起到積極作用。

本文結(jié)合水槽試驗(yàn)研究不同方案下的四面體透水框架擺放方案，通過飛云江仙降段堤防工程實(shí)踐，得出在上下游兩側(cè)10 m 左右范圍內(nèi)四面體框架群拋填粒徑為10～30 cm 的大塊石，中間河段的四面體框架群拋填粒徑為10～20 cm 塊石的方案，可為浙江省境內(nèi)流域乃至長江口堤腳防沖保護(hù)提供參考。

實(shí)際堤防的岸腳穩(wěn)定不僅僅依靠塊石壓重，尤其是河段凹岸的上下游為易沖刷失穩(wěn)范圍，建議嚴(yán)格控制拋石粒徑的級配與拋填厚度。檢測水下塊石拋填質(zhì)量也是技術(shù)性難題，尚需進(jìn)一步研究。