石笼网垫护坡结构抗冲刷性能水槽模型试验

王远明 张桂荣 李登华

摘 要：石笼网垫护坡结构在河流岸坡生态防护工程中应用较为广泛，网垫结构技术参数对其护坡效果影响较大，不同网垫厚度、隔板间距及网垫内碎石填充情况等都会对其抗冲刷性能产生一定影响。通过室内大型水槽模型试验，研究确定不同厚度、不同隔板距离、不同逊径颗粒含量下石笼网垫护坡结构破坏的临界流速，揭示不同水流冲刷作用下网垫结构的变形过程与破坏规律。通过临界流速定义石笼网垫护坡结构抗冲刷性能，以此确定石笼网垫护坡结构设计的最优参数。水槽冲刷试验结果表明：逊径配比对石笼网垫的抗冲刷性能具有显著影响，建议网垫内填石的逊径配比不超过15%;隔板间距较小时，填石间可移动孔隙较小，易形成整体稳定结构，故在施工工艺可行的条件下，减少隔板间距可提高填石的稳定性和石笼网垫的抗冲性;为保证填石的相对稳定，石笼网垫应保证至少有2层填石，考虑填充率的因素，最优厚度应为网垫内部填石中值粒径的2倍。

关键词：石笼网垫;抗冲性能;临界流速;逊径配比;水槽模型试验

中图分类号：TV861   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.019

Abstract： The slope protection structure of stone cage net cushion is widely used in the engineering of river bank slope protection. The technical parameters of the net cushion structure have significant effects on bank slope protection， and different net cushion thicknesses， baffle spacing and gravel filling conditions will have a certain impact on its anti-erosion performance. Through indoor large-scale sink flush test， the critical velocity was studied for stone cage mat structure with different thicknesses， different baffle distance and different contents of inferior diameter particles. The deformation process and failure rule of mat structure were revealed under different flow scouring. The anti-scour performance was defined by the critical flow rate， so as to determine the optimal parameters. The results show that the inferior diameter ratio has a significant effect on the anti-scour performance and it is recommended that it should not exceed 15%; when the spacing of the barriers is small， the rockfill is easy to form an overall stable structure and the movable gap between the rockfills is small. In the condition of feasible construction technology， it can improve the stability of filling stone and the anti-erosion performance of stone cage net cushion by reducing the partition spacing. In order to ensure the relative stability of stone filling， two layers of stone should be filled in stone cage net cushion at least. Considering the filling rate， the optimal thickness should be two times of the median particle size of filled stone.

Key words： stone cage net cushion; anti-scour performance; critical destruction flow rate; inferior diameter ratio; flume model test

我國河道整治工程中护坡以浆砌块石、现浇混凝土和预制混凝土块等刚性结构体为主，采用刚性护坡虽然提高了边坡抗水流冲刷的能力，但降低了河道的生态功能，导致河流渠道化。相较于其他生态护坡技术，石笼网垫护坡在抗水流冲刷方面有着很大优势，其多孔隙结构防浪效果好，能抵抗最高8 m/s的水流冲刷[1]。该结构多用于河道边坡、河底防护和消浪防冲工程。我国在20世纪90年代开始引入该技术，并广泛应用于水利、航道岸坡防护等领域，获得了非常好的生态效益和经济效益。

目前，国内外关于石笼网垫护坡设计参数的研究较少，大多数工程设计采用前期工程经验或国外标准。马克菲尔公司于20世纪80年代在美国科罗拉多大学进行了大量模型试验，结合对已建工程的反分析研究得到了流速和网垫厚度的关系 [2];Maccaferri总部、荷兰Delft水力实验室及岩土工程研究所对波浪作用下石笼网垫的设计参数进行了研究[3];国内石笼网垫护坡结构技术参数设计多借鉴《堤防工程设计规范》（GB 50286—2013），其参数设计和施工以工程经验为主，缺乏理论支撑。为了深入研究石笼网垫在水流作用下的冲刷变形过程，笔者通过缩尺水槽模型冲刷试验，以天然沙起动为背景，结合泥沙起动计算公式[4-9]，重点研究了逊径比、隔板间距以及石笼网垫厚度对石笼网垫护坡抗冲刷性能和破坏临界流速的影响，以期为石笼网垫护坡工程的设计、施工提供理论支撑。

1 水槽试验设计

开展室内水槽冲刷试验，控制纵坡比和不同流速、水深，研究石笼网垫结构在水流冲刷作用下的变形过程和破坏形式。设置对比试验，确定不同厚度、不同隔板间距、不同逊径颗粒含量下，石笼网垫结构的临界流速和极限流速;通过临界流速定义石笼网垫结构抗冲刷性能，以此确实石笼网垫结构的最优设计参数。

1.1 相似条件

考虑到研究涉及护岸结构及其附近三维水流和河床冲淤变形，同时兼顾模型中石笼网垫尺度的可操作性，采用正态模型试验的研究方法。为使模型与原型达到水流和泥沙运动相似[10-11]，须满足以下相似条件。

1.2 试验设备

概化模型试验在内长15 m、宽3 m的水槽中进行，见图1、图2。制作坡比为1∶3的模型岸坡，重点观测岸坡段长5.0 m、高0.5 m、宽2.0 m，坡前水深25～35 cm。按拟定比尺1∶20，相当于模拟天然长100 m、高10 m、宽40 m的岸坡，坡前水深5.0～7.0 m。制作的试验水槽见图3。

采用南京水利科学研究院研制的光电式旋桨流速仪测量水下流速，其测速原理为将旋桨的转速通过信号放大器传至计算机转换为水流流速，测量范围为1～200 cm/s。采用智能跟踪式水位仪及水位测针进行水位（水深）测量。此外，水槽边壁上床面以上刻有以cm为单位的刻度，通过调节尾门观察水面与水位刻度的对应关系来观察水槽水位。采用高清拍摄设备记录石笼网垫结构破坏情况（块石移动情况）。

1.3 试验用沙及模型比尺

试验用沙取自某河流治理工程河岸泥沙，基本为均匀细沙，泥沙中值粒径约为0.30 mm。试验采用的正态模型几何比尺为1∶20，相应的流速比尺λV为4.47，原型流速为3.00～6.00 m/s，对应模型水槽流速为0.67～1.34 m/s。由多个泥沙起动流速公式[4-9]可计算出原型泥沙（粒径0.30 mm）在3～7 m水深下的起动流速为0.45～0.60 m/s，见表1。要满足泥沙的起动条件，则模型沙在0.15～0.35 m水深下的起动流速为0.10～0.13 m/s。根据以往泥沙起动水槽试验研究成果，容重1.80 g/cm3左右的石英砂粒径为0.07～0.08 mm时，起动流速一般为0.11～0.14 m/s，可基本达到起动相似，即泥沙起动流速比尺符合要求。

试验还应满足模型沙与原型沙水下休止角基本一致，根据水槽试验结果，石英砂的水下休止角一般为30°～34°，与天然沙的水下休止角基本一致，能够满足试验水下休止角基本一致的要求，因此，将石英砂作为岸坡模型沙。岸坡模型沙级配见图4，模型水平比尺、垂直比尺、流速比尺、泥沙启动流速比尺分别为20、20、4.47、4.47。

1.4 模型布置和制作

石笼网垫结构由单元石笼网箱及箱内填充卵石构成，见图5，单元網箱由机器编制的六边形双绞合钢丝网垫（网面钢丝直径2.7 mm）组成，长6 m、宽3 m、高23 cm，石笼网垫尺寸为6 cm×8 cm，其表面涂有高尔凡（5%铝锌合金+稀土元素）或镀锌等防腐物质;箱内填充碎石粒径为7～15 cm，逊径颗粒含量为5%～15%。

根据模型几何比尺1∶20，模型试验中网垫厚度为1.15 cm，网孔大小为3～4 mm，填充碎石粒径为3.5～7.5 mm，碎石中值粒径d50按6 mm来配制。配置逊径时，按设置比例配置粒径小于网孔（3～4 mm）的小碎石，粒径一般为1～2 mm。经市场调研，试验在保证网孔大小满足几何相似要求下（网孔大小为3～4 mm），采用铝线网（网丝直径约为0.3 mm）模拟石笼网垫网面，见图6。

1.5 试验方案

试验主要通过控制不同逊径配比、不同隔板间距、不同网垫厚度等研究石笼网垫结构的抗冲刷性能。

不同逊径配比下的模型试验，设计石笼网垫厚度为23 cm，隔板间距为1 m，岸坡坡比为1∶3。首先，设计逊径配比为5%，不断增大水流速度，观测石笼网垫结构中块石的移动情况，测量对应的临界流速;然后，通过改变逊径颗粒配比，进行下一组次临界流速试验，共针对6组不同逊径配比（5%、10%、15%、20%、25%、30%）进行相应的水槽冲刷试验。在此基础上，分析逊径配比对石笼网垫结构抗冲刷性能（临界流速）的影响。

不同隔板间距下的模型试验，设计填石逊径配比为5%，石笼网垫厚度为23 cm，岸坡坡比为1∶3。针对3组不同的隔板间距（1、2、3 m）进行相应水槽试验，观测石笼网垫结构中块石的移动情况，测量对应的临界流速。

不同石笼网垫厚度下的模型试验，设计填石平均粒径为120 mm，逊径配比为5%，岸坡坡比为1∶3，针对4组不同的石笼网垫厚度（15、20、23、30 cm）进行相应水槽试验，观测石笼网垫结构中块石的移动情况，测量对应的临界流速。

2 试验结果与分析

在铺设石笼网垫的岸坡上，水流直接冲刷网垫，在长期水流冲刷下，石笼网垫的一种破坏形式就是随着逊径颗粒的不断流出，原本填充密实的网箱内出现较大空间，大粒径填充块石在水流作用下开始运动并不断撞击网垫，使网垫发生变形破坏。这里定义逊径颗粒开始起动时的流速为石笼网垫结构的临界流速。

2.1 不同逊径配比、不同隔板间距、不同石笼网垫厚度下临界流速

（1）不同逊径配比。试验过程中以旋桨流速仪记录水槽的实时流速，测得不同逊径配比条件下的临界流速，逊径配比为5%、10%、15%、20%、25%、30%时的临界流速分别为4.2、4.1、3.9、3.6、3.2、2.6 m/s，见图7。当逊径颗粒配比为5%～15%时，临界流速变化很小;当逊径颗粒含量超过15%后，随着逊径颗粒含量的增加，临界破坏流速显著减小;相同条件下，逊径配比为30%的石笼网垫护坡结构的临界流速比逊径配比为5%的临界流速减小了1.6 m/s，因此严格控制石笼网内填石逊径配比尤为关键。由此可以看出，逊径配比对石笼网垫护坡结构的抗冲刷性能具有显著影响，石笼网垫护坡结构的逊径配比不宜超过15%。

（2）不同隔板间距。试验得出隔板间距为1、2、3 m时，石笼网垫护坡结构破坏时的临界流速分别为4.2、4.0、3.5 m/s，隔板间距与临界流速关系曲线见图8。随着隔板间距的增大，临界流速减小;其他条件相同的情况下，隔板间距为1 m的石笼网垫护坡结构的临界流速比隔板间距为3 m的临界流速增大了0.7 m/s。其原因是，隔板间距较小时，填石更容易形成整体稳定，可移动的空间相对较小;随着隔板间距的增大，填石的移动空间相对增大，填石起动所需要的流速变小，网垫更容易发生破坏。

（3）不同石笼网垫厚度。石笼网垫厚度为15、20、23、30 cm时，护坡结构破坏时的临界流速分别为3.5、4.0、4.2、4.5 m/s，见图9。随着网垫厚度的增大，护坡结构破坏的临界流速逐渐增大;厚度为30 cm的石笼网垫结构的临界流速比厚度为15 cm的临界流速提高了1 m/s。主要原因是，石笼网垫护坡结构厚度较小（小于填石中值粒径的2倍）时，块石填充过程中会出现单层现象，填石之间的相互咬合作用较弱，填石容易出现移动;随着网垫厚度的增大，上下层填石之间相互咬合，产生相应位移所需要的流速增大。

2.2 石笼网垫参数与块石填充率、填石损失率的关系

石笼网垫在水流持续冲刷作用下的主要破坏方式是逊径颗粒的流失导致大颗粒填石在网垫内移动，撞击网垫从而导致整体结构的破坏。针对模型试验，对块石填充率和冲刷2 h后网垫内填石损失率进行了测定。试验发现，影响填石损失率的主要参数是石笼网垫护坡结构内填石逊径配比，因此针对不同逊径配比下石笼网垫护坡结构内部填石损失率进行研究。

由图10可知，网垫厚度对块石填充率有明显影响，23 cm厚度的网垫填充率相较15、30 cm的有明显优势，并且受填石逊径配比的影响较小。其中15 cm厚度的网垫填充率较低，试验过程中粒径较大的填石仅能填充一层，填石之间的咬合力极差，极易产生错动，这也验证了在冲刷过程中厚度为15 cm的石籠网垫结构抗冲刷流速最小，网垫内填石在水流冲刷后位移最大。对于同一厚度的网垫，其填充率随逊径配比的增大而增大，但从逊径颗粒损失率来看（见图11），水槽流速达到相应临界流速时，逊径颗粒损失率随逊径配比的增大而增大，导致网垫产生更大的空间使得大粒径填石间的咬合力变差，网垫结构抗冲流速降低，这种现象在水槽冲刷过程中也得到了验证。

2.3 讨 论

受模型试验条件限制，模拟的原型坡前水深一般为5.0～7.0 m，从泥沙起动与水深的关系（见表1）可以看出，随着水深的减小，起动流速有所减小，减小的幅度为10%～25%，即在同样流速下，水深较小时泥沙更易于起动，护坡破坏临界流速亦会减小。本研究采用的是直水槽，水流结构不存在明显环流特征，因此在环流较弱的河道是适用的，但对于复杂水流结构作用下的护岸破坏特征还有待进一步研究。此外，水槽试验不可避免存在缩尺效应，本研究采用正态模型，比尺为1∶20，以尽量减小对水动力泥沙运动方面的影响，因此泥沙起动临界破坏流速方面的结果是较为准确的，但对于石笼网垫护坡结构自身的力学性能的准确模拟而言，仍存在较大难度，有待进一步深入探讨。

3 结 论

采用正态几何比尺1∶20建立水槽试验缩尺模型，模型观测岸坡段长5.0 m、高0.5 m、宽2.0 m。通过3组13种类型的水槽冲刷试验及数据分析，找出影响石笼网垫护坡破坏的主要因素，得出了以下结论：

（1）在水流长期冲刷作用下，石笼网垫护坡结构内部细小颗粒会不断流失，原本相对密实的网垫内局部出现程度不一的孔隙，大颗粒填石的流动撞击石笼网垫结构，这是石笼网垫在水流作用下的主要破坏形式。

（2）临界破坏流速与逊径配比、隔板间距、网垫厚度具有直接关系，逊径配比为5%～30%时，临界破坏流速由4.2 m/s减小至2.6 m/s;隔板间距从1 m增大至3 m时，临界破坏流速由4.2 m/s减小至3.5 m/s;石笼网垫厚度由15 cm增大至30 cm时，临界破坏流速由3.5 m/s增大至4.5 m/s。石笼网垫护坡结构内部填石的逊径配比是影响临界流速大小和网垫破坏形式的关键因素。

（3）采用水槽冲刷试验得出石笼网垫护坡结构的最优设计参数：石笼网垫护坡结构内部填石的逊径配比不宜超过15%;在施工工艺可行的条件下，隔板间距采取1 m较为合适;石笼网垫的厚度应满足内部填石至少达到2层，考虑填充率的影响，最优厚度应为网垫内部填石中值粒径的2倍。

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【责任编辑 吕艳梅】