平順拋石護岸水毀機理及速率分析

王元春

(武寧縣水利局,江西 九江 332300)

0 引 言

平順拋石護岸是常見的河道整治工程措施,對于增強岸灘及堤防穩定,控制河勢,保證防洪安全具有重要作用。平順拋石護岸施工方法簡單,且就地取材,施工經驗也較為豐富,但是坡腳處因水流淘刷而極易造成根石失穩,降低岸坡穩定性,威脅堤防安全。為此,必須展開平順拋石護岸水毀機理、破壞形式及水毀速率研究,為其施工質量控制及運行維護提供保證。目前對拋石護岸水毀問題的研究主要集中在護岸破壞過程、河床沖刷位移特性、小粒徑石料與塊石鋪護方案的護岸效果、定點拋投規律等方面,對拋石護岸水毀機理的研究并不完善,對護岸水毀速率的研究也比較少見。文章在充分借鑒相關研究成果的基礎上,對平順拋石護岸水毀機理及速率展開深入分析,以期為具體河道拋石護岸施工方案設計及加固質量的提升提供借鑒參考。

1 工程概況

豫寧西護岸工程位于武寧縣縣城,拋石護岸范圍為長北0+000～長北3+300,總長度3.3km。拋石頂寬4m,岸坡陡于1∶2時,外邊坡按1∶2拋石護岸,邊坡外再拋寬4m厚的水平護腳。岸坡緩于1∶2時,按原坡拋護,斜坡上拋石厚度按1.0m控制,拋至岸坡緩于1∶3～1∶4平緩處或河深泓,邊坡外再拋寬4m厚的水平護腳,塊石粒徑≥0.3m。為驗證以上拋石護岸治理方案的可行性與適用性,必須展開拋石護岸水毀機理及速率影響因素的分析。

2 平順拋石護岸水毀機理

根據文獻[1]中拋石護岸水槽動床試驗結果,平順拋石護岸遭遇水流沖刷后塊石滑落,塊石同時出現縫隙,且在水流的繼續沖刷下縫隙擴大并形成大面積空白,進而向坡頂持續發展[1]。根據已有分析結果,水槽試驗中拋石護岸水毀特征、破壞方式均與實際河道基本一致,即可劃分成單個粒塊石滾動失穩、塊石團整體滑移及坍塌等水毀破壞模式。

1)單個粒塊石滾動失穩。護坡表面單個塊石因相互擠撞及重力不足以抵御水流推力,很容易在坡面滑動或滾動,水流力通常小于重力分力,故塊石一般斜向岸坡下方、甚至垂直于水流方向移動,且這種滾動或滑動是間歇性的,短期內對岸坡穩定性影響不大。修水下游水深4～28m、拋石粒徑在10～50cm之間,可以從力學角度計算出不同粒徑塊石失穩流速。突出拋石坡面的小粒徑塊石失穩可能性較大,而粒徑在30cm以上的塊石失穩流速一般≥3m/s。天然河道內拋石級配較好的河段,不同粒徑塊石顆粒相互嵌擠,單個塊石在水流力沖擊下失穩的情況基本不會發生。

2)塊石團整體滑移。水流沖刷坡腳后,最外側塊石團因失去支撐而率先滑落(第一階段),原塊石覆蓋區域出現空白(第二階段),空白處因失去床沙防護而被水流吸出,引發上部塊石滑落,將下部空白覆蓋,這種交替覆蓋作用最終傳遞至坡頂(第三階段)。當底部塊石滑落后到達深泓,上部塊石滑落過程便會停止,坡腳處沖刷達到平衡,岸坡也達到穩定狀態(第四階段),以上過程見圖1。值得注意的是,這種水毀破壞模式只有在塊石拋投不均勻的情況下才會出現,只要拋投塊石粒徑選取合理、加強施工過程控制,塊石團整體滑移便會得到遏制[2]。

(a)第一階段 (b)第二階段

3)塊石團整體塌陷。對于土質不良、存在軟弱層或大比降滲流的岸坡,存在坡體后方大范圍下陷、岸坡上塊石成團塌陷的可能,但是破壞形式主要表現為隨岸坡的塌陷而垂直位移塌陷。因為與岸坡地質條件有關,故塊石團受力和位移程度完全取決于岸坡變形以及塊石自重、岸坡對塊石的支撐力,也是豫寧西護岸水毀的主要模式,必須引起重視。

3 平順拋石護岸水毀速率

3.1 試驗方案

根據以上對天然河道平順拋石護岸水毀機理的分析可以看出,護岸水毀岸坡土體裸露和塊石滑落是引起水毀的主要形式,究其原因,主要是由于水流沖擊岸坡坡腳處河床,形成沖坑,并導致坡腳處防沖備填石流失,使岸坡失去保護。此處主要從水流流速、防崩層、拋投厚度、級配及坡度等角度對平順拋石護岸水毀速率展開探討。為增強坡腳處防沖備填石保護作用喪失后岸坡水毀發展情況分析的針對性,以一般外延防護和剛性防護下水流沖刷坡腳處河床為試驗工況。

對于天然河道而言,平順拋石護岸周圍泥沙主要表現為推移質運動形式,河床變形以水工構筑物周圍床沙的局部沖刷為主。故采用幾何正態模擬方式展開水槽試驗,忽略懸移質泥沙運動而僅模擬推移質泥沙運動過程,以確保水沙運動和拋石護岸結構模擬過程的相似性及結果的準確性[3]。結合該河道護岸實際,采用1∶25的試驗幾何比尺和1∶5的流速比尺;河道中下游試驗泥沙顆粒粒徑在0.5～2.5cm之間,根據相關水槽起動流速試驗結果,本次試驗主要使用防腐處理后中值粒徑0.82mm、含水密實容重1.12g/cm3的木屑模擬泥沙起動。試驗水槽長×寬為20m×2.5m,左岸為定床,右岸及槽底為動床,中間區段除過渡段外全部為試驗段,平面布置詳見圖2。考慮到該河道實際,彎道凹頂沖刷最為嚴重,故此次試驗以4號斷面為水毀破壞對比斷面。

圖2 彎道水槽平面布置(單位:m)

結合該護岸工程所在修水流域中下游天然拋石護岸塊石粒徑(10～50cm)及級配,將試驗用拋石塊體粒徑確定為0.5～2.5cm,設計出幾種級配組合形式:

級配Ⅱ:0.5～1.0cm∶1.0～1.5cm∶1.5～2.0cm∶2.0～2.5cm=10∶30∶45∶15%;

級配Ⅲ:0.5～1.0cm∶1.0～1.5cm∶1.5～2.0cm∶2.0～2.5cm=20∶40∶30∶10%。

按照單層、雙層和多層展開試驗岸坡塊石拋護,根據1.5～3.0m/s的天然流速、8m水深及7.5m的坡高,將試驗流速、水深及坡高分別設定為32～62cm/s、32cm和30cm,坡度分別設定為1∶2、1∶2.5、1∶3;試驗岸坡長度依次為68cm、80cm、96cm,坡腳處防崩層分一般外延防護和剛性防護2種。

3.2 水毀速率試驗結果

水槽試驗主要為大流速,水流沖刷坡腳后,坡面塊石因失去支撐而滑落,坡面沙體也部分裸露而出現空白,空白形態可歸納為以下3種:①試驗初始階段水毀不嚴重情況下出現的分散形零星空白;②試驗后半階段沖刷及水毀較為嚴重情況下出現的條帶狀空白;③水毀較嚴重工況下出現的大面積空白。從某種程度上看,空白發展的速率及面積變化是護岸水毀速率及嚴重程度的直接體現,故通過觀察和分析彎道水槽模型4號斷面空白的發展趨勢及位置,進而對不同工況下平順拋石護岸水毀速率展開研究[4]。

空白發展速率隨試驗條件的不同而變化。在有級配時,單層護坡坡面塊石及水流流速較大時水毀嚴重,坡面上條帶狀空白在試驗開始后1h時產生并向坡頂發展,面積迅速擴大,最大寬度可達20cm。這種情況下,岸坡橫斷面拋石覆蓋率已低至70%以下,無法正常發揮護岸作用。相反,在多層拋護或坡度較為緩和的情況下,空白主要呈零星狀,并隨著坡面拋石過程的進行自行調整后逐漸消失。從粒徑角度來看,單層粗粒徑拋石在32cm/s流速下產生7cm寬、分散空白;而單層粗粒徑拋石在相同試驗流速下主要產生4cm寬的細長裂縫狀空白。綜合以上分析,平順拋石護岸水毀影響因素主要有水流流速、防崩層、拋投層數、塊石級配、岸坡坡度等方面。

1)水流流速。在坡比1∶2、級配Ⅱ及單層拋護工況下,試驗開始后60min內流速62.69cm/s時空白發展速率比流速42.81cm/s時快,此后空白發展速率減緩;試驗坡長為68cm,故以距離坡頂34cm為中部位置,坡面中部以上發展速率降低明顯,流速62.69cm/s和42.81cm/s在坡面中部時刻～510min時刻空白發展速率依次為2.81cm/h和2.86cm/h,而相應流速下坡腳至坡面中部水毀速率分別為38.03cm/h和7.71cm/h。在試驗開始60min內,流速62.69cm/s時空白位于距離坡頂30cm的坡面中部靠上位置,空白寬15cm;流速42.81cm/s時空白位于距離坡頂45cm的坡面中部以下靠近坡腳的位置,空白寬5cm;到試驗開始后510min時,兩種流速下空白與坡頂的距離分別為9cm和20cm,空白寬20cm和8cm。以上情況見圖3。

圖3 水流流速與坡面空白至坡頂距離的關系

根據以上結果,流速較大工況下水毀速率快,而空白位置接近坡頂時流速較小工況下空白發展速率反而增大。原因在于,流速較大會在試驗初期對坡腳產生強烈、快速淘刷,空白發展快速;此后隨著沖坑深度的增大以及坍塌塊石對沖坑的防護,淘刷影響持續減弱,空白發展速率也相應減弱,直至接近坡頂處淘刷作用基本消失,空白不在發展。流速較小工況下,試驗開始60min以后空白發展速率便趨于緩慢。

2)防崩層。坡面拋石空白的發展還與坡腳防護有關。如果坡腳只進行外延防護,則近岸水流快速淘刷坡腳床沙,試驗開始后10min內坡腳床面便表現出明顯的變形跡象,坡腳處塊石持續滾落;30min后坡面空白出現,且空白面積及增大速率隨沖刷時間的增大而增大,位置也持續向坡頂移動;480min后,空白區完全上移至坡頂。而坡腳進行剛性防護時,整個試驗過程中護岸塊石均不會出現位移、坍塌,無空白區出現。故應選擇剛性防護,保證岸坡穩定。

3)拋石級配。在62.69cm/s流速、1∶2.5坡比及雙層拋護工況下展開試驗,試驗結果見圖4。有圖可知,試驗開始180min內三種級配水毀速率較為接近,級配Ⅰ和Ⅲ水毀速率略小于級配Ⅱ;而試驗開始180min后水毀速率進一步減緩。三種級配下空白寬度在1～3cm之間,級配Ⅲ條帶狀空白在坡面中部以上逐漸消失,護岸效果略好。根據試驗結果,采用雙層及多層拋石護岸時,上部塊石會填補坡面空白區,粒徑越小的塊石下滑速度越快,填充時間也越短。

圖4 級配與坡面空白發展的關系

4)護岸坡度。在試驗流速62.69cm/s時按級配Ⅲ雙層拋投。根據結果,在1∶3.0坡比下試驗初期坡面存在零星空白且發展緩慢;試驗進行至60min時,空白區基本固定在坡腳底部,并在水流沖刷及上下層塊石間歇調整下逐漸減小消失。試驗開始60min內1∶2.0及1∶2.5坡比空白發展速率分別為30cm/h和31cm/h,寬度為4cm和2.6cm,且均位于坡面中部以下;當試驗進行至510min時,空白與坡頂的距離均為20cm左右,且空白向坡頂的發展過程基本停滯。坡比1∶2.0時的空白寬度最大,為7cm,其次為坡比1∶2.5,坡比1∶3.0時因上下層塊石的自動調整,空白逐漸消失。

5)拋投層數。在試驗流速62.69cm/s、坡比1∶2時按級配Ⅲ拋投,由圖5試驗結果可知,多層拋投時,試驗初期條帶狀空白狹窄,試驗進行一段時間后則成為零星狀,且無明顯擴大趨勢;而單層和雙層拋投時,試驗開始60min內空白擴展速率及寬度迅速增大,單層比雙層拋投更為明顯,且在與坡頂相距20cm內兩者水毀速率均下降。拋石空白在試驗開始60min后緩慢增大,單層拋投下增速最快,多層拋投下最慢;在試驗開始后510min時,單層和雙層拋投下空白寬度分別為9.17cm和20.7cm,而多層拋投下,空白寬度僅為2.0cm,水毀并不明顯。

圖5 拋投層數與坡面空白發展的關系

4 結 論

綜上所述,單個塊石滾動失穩、塊石團整體滑移及塌陷是豫寧西護岸主要的水毀破壞模式,對于天然河道而言,單個塊石失穩滑動對護岸穩定性影響不大,而在岸坡地質條件的作用下,塊石團整體塌陷模式發生的可能性也較小,故塊石團整體滑移是該河岸最主要的失穩破壞模式。在2020年初豫寧西河岸治理過程中采取了文章所提出的方案,即在坡腳設置不被沖蝕的剛性防護,并采用文章級配Ⅲ所對應的天然塊石級配比例,多層拋投以使岸坡拋護厚度達到相應標準。經過2年的運行,2022年初對該河岸岸坡穩定性展開檢測,河岸單個塊石、塊石團整體均無明顯的沖蝕和塌陷跡象,更不存在岸坡失穩破壞,拋石護岸加固效果良好。