游荡型河道堤防堤脚水平柔性护垫结构研究

吴文霞，魏 凯，刘加龙，胡小龙，魏红艳

（1.长江勘测规划设计研究有限责任公司公司，武汉430010；2.长江科学院水力学所，武汉430010）

0 引 言

保证堤防安全必先固岸护脚，以防止堤脚破坏，堤岸发生崩塌［1］。在游荡型河道中，河道宽阔、河势不稳，近岸水流尤为湍急（最大可达6 m/s 以上），若护脚结构难以抵御高速紊乱近岸水流冲刷，导致堤防堤脚淘刷破坏，易造成堤岸崩塌，引起堤防安全问题［2，3］。游荡型河道中，采用何种护脚结构，可抵御高速紊乱水流冲刷，保护堤脚甚至堤防安全尚待进一步研究。

目前，游荡型河段堤（坡）脚已有的防护结构型式分为直接护岸工程和间接护岸工程。直接护岸工程在空间上可分为水平防护与垂直防护2类，其中，水平防护又分为散体护岸结构和排体护岸结构。

散体护岸结构主要包括抛石、石笼、四面六边体混凝土透水框架等，在游荡型河道中有较广泛应用，如拉萨河城区中段应用的开放式钢筋石笼［4］，新疆宽浅游荡型河段采用的石笼、抛石［5］，长江中下游河道采用的抛石、四面六边体［6，7］，辽河柳河口至卡力马河段游荡型河段采用混凝土四面六边体透水框架护脚［8，9］等。

散体护岸制作工艺较为简便，便于施工，有较好的抗冲性能，能抵抗约3～4 m/s 流速的近岸水流［7，10］，但大多只能短期有效，后期需进行补抛，不具备长久性；透水性较好，有利于结构稳定，但容易从抛体缝隙淘刷基土。

排体护岸主要包括沉排、土工织物等柔性护垫等，在游荡型河道中也有较广泛应用，如密西西比河中下游河段采用的混凝土沉排［11］，长江中下游河道采用的铰链混凝土沉排、土工织物砂枕（排）、柴排［6］，黄河下游（自桃花峪以下）采用的旱工块石柳石枕、塑料编织袋护根、沉排［12］等。

排体护岸的优势是具有较好的整体性及较强的地形适应性，当河床有较大冲深时，可随坡就势保护河床不被进一步冲刷破坏。但也有各自适用条件，如铰链混凝土沉排，能适应水下地形变化，特别适用于水流复杂、主流贴岸或长期处于迎流顶冲，用于其他型式施工困难或效果较差的岸线防护，但应用时需满足施工船舶作业的水面宽度和吃水深度，且造价较高［13］；土工织物砂枕（排）造价较低、施工方便，适应河床变形的性能较好，但防止抛锚破坏的能力差；柴排护岸整体性好，但施工难度大［6］。此外，沉排及土工织物类护脚单薄，较易损坏，修补不便，费用较高，当水流流速过大时会浮起。

如何解决目前游荡型河道中多种堤脚防护结构型式在工程实践中存在的各类问题，本文结合了水平防护中散体护岸与排体护岸结构的优势，选取了使用较为广泛散体护岸结构钢筋石笼作为基础开展排体结构改进研究。

1 游荡型河道堤防堤脚防冲水平柔性护垫结构型式

目前利用钢筋石笼护坡或护脚，多为将石笼单体堆砌或平铺摆放，尚未有利用石笼制作成整体水平柔性护垫以作为堤脚防护措施。本文提出一种堤防堤脚防冲柔性护垫结构，由格宾钢筋（丝）石笼、辅助连接措施组成，将石笼网垫形成整体柔性护垫结构。当河道水流流速较大、水流形态紊乱时，为增强柔性护垫整体性及牢固性，建议在石笼网垫外部加设钢筋骨架，并与钢丝网铰接，石笼网垫单元石笼之间可采用钢丝牢固绑扎，表层增加钢绞线联结网和钢夹具加强连接，详见图1（a）［14］。

图1 游荡型河道堤防堤脚防冲水平柔性护垫结构Fig.1 Horizontal flexible cushion structure of wandering river embankment foot

必要时可增设混凝土抗滑桩，置于石笼网垫下部地基内，综合发挥水平防护结构与垂直防护结构的优势。当堤脚设置有护脚平台或河道枯水位较高不便深挖河床时，钢筋混凝土桩可设置在护脚平台坡脚，于钢筋混凝土桩顶部设置阻滑梁，阻滑梁内部预留锚筋与石笼网垫锚固，详见图1（b）；当堤脚不设护脚平台或河道枯水位较低可深挖河床时，钢筋混凝土桩可设置在堤防脚槽下部，详见图1（c）。

该结构既具有较强的抗冲性、透水性，又具有较好的整体性和地形适应性，结合了散体护岸及排体护岸的优势，充分发挥了水平防护与垂直防护的各自特点，有效保护游荡型河道中堤防堤脚安全。

目前，对于石笼作为护坡或护脚材料，在河流冲刷作用下的单体结构稳定、网垫厚度、装石粒径、埋设深度等已有较多研究，但对于石笼护垫整体发挥作用的研究较少。如王远明等［15］通过模型试验研究石笼网垫抗冲性能、破坏模式及网垫内部最优填石粒径；张桂荣等［16］结合工程实际及理论研究，对石笼网垫的优势、关键设计指标等进行深入研究；胡海松等［17］通过模型试验对钢筋石笼串体的稳定性开展研究。以上研究均为游荡型河道堤脚水平柔性护垫结构研究提供了宝贵参考，是对石笼单体结构稳定性、牢固性及结构设计的重要理论支撑。

在此基础上，为验证一种堤防堤脚防冲柔性护垫结构对游荡型河堤脚防护的有效性及合理性，本文通过开展河工模型试验，设计不同流量、流速及水流方向的试验组次，研究该水平柔性护垫结构在较大流速水流作用下破坏过程，不同近岸流速、水流方向冲刷下，柔性护垫结构受水流冲刷后冲坑发展稳定深度、稳定形态，探索水平柔性护垫结构合理宽度以及石笼单元体积，为游荡型河道工程实际应用中护脚措施的合理选择提供理论依据。

2 河工模型试验

2.1 试验条件

试验选取已应用水平柔性护垫结构的多个工程河段为试验原型，开展试验方案设计。本试验选取了其中3 个典型游荡型河段水砂特性综合确定试验条件，具体如下：

（1）尼洋河下游林芝市八一镇河段。该段河床比降约为6‰，河道宽度为1 400～440 m，具有明显的游荡特征，河道主流频繁发生摆动，部分河段主流已经逼近堤岸，堤脚附近水流流速4～5m/s，局部最高达6.3 m/s。设计洪水位时，近岸河道水深为2～5.3 m。堤基土体颗粒的中值粒径范围为10.7～95.3 mm，河床砂砾料中值粒径范围为38.7～68.7 mm。

（2）岷江干流新津县河段。该段河道河床平均比降2.6‰，河面宽505～623 m。设计洪水位时，近岸水深为3～7.3 m。河床泥沙含砂量9.67%～10.38%，平均值10.03%，含泥量4.22%～4.58%，平均值4.40%，河床泥沙中值粒径约为70 mm。

（3）岷江干流都江堰市城区河段。该段河道天然比降为6‰，设计洪水位时，近岸处河道水深为2～6 m，河道水流流速为4～6 m/s。工程区河床床颗粒中值粒径为80～111 mm。

结合上述多个工程河段，为探索不同设计流量、流速及水流方向的水流冲刷条件下水平柔性护垫特性，确定试验条件如下：

模拟河道坡降取为5‰，河道水流流速取值范围为3～6 m/s，河道水深控制在3～6 m，河床床沙粒径为63 mm。拟定单个石笼长度为1.5 m，厚度为60 cm，石笼重度控制在19 kN/m3（石笼孔隙率取0.27）［18，19］。

2.2 试验方案布置

选定原型试验河段长度约为180 m，河岸一侧修筑堤防，堤脚沿河宽方向铺设4 个石笼，总宽度为6 m，堤防结构型式如图2所示。

图2 堤防结构型式Fig.2 Embankment structure type

设定模型比尺为1∶30，则各物理量比尺如下：

长度比尺λL=30，粒径比尺λD=30，流量比尺λQ=λL2.5=4 930，流速比尺：λV=λL0.5=5.477。

床沙比尺为长度比尺，模型沙中值粒径选取为2.1 mm，模型沙密度为2 730 kg/m3。模型沙对应的原型沙粒径为63 mm，根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）［20］附录D.2.1中泥沙起动流速公式：

计算可得水深为3、4、5 m时对应的原型沙起动流速分别为1.94、2.02和2.09 m/s。

模型中石笼使用铁丝网制作，尺寸为5 cm×5 cm×2 cm，内部填充小块石，填充量以石笼重度作为控制条件［21］。石笼的边与边之间以及石笼与石笼之间使用粗棉线连接，制作好的石笼平铺并连接至堤脚上。

试验考虑柔性护垫结构遭受顺直水流和斜向水流冲刷两种情况，模型平面布置如图3所示，建成模型如图4所示。为研究不同水流条件下的冲刷情况，确定柔性护垫结构破坏形式、合理尺寸等，共设计4个试验组次，相关参数见表1。

图3 模型平面布置图（单位：m）Fig.3 Model layout plan

图4 建成后试验模型Fig.4 Test model after construction

表1 试验组次工况表Tab.1 Working condition table of test groups

2.3 试验结果及分析

2.3.1 顺直水流冲刷

组次1 和组次2 柔性护垫结构初始及冲刷稳定时水深、流速见表2，经受水流冲刷后稳定形态见图5。

表2 各组次试验结果列表Tab.2 List of test results of each group

图5 组次1及组次2经受冲刷后稳定形态Fig.5 Stable shape after scouring in group 1 and 2

试验发现，当顺直水流冲刷时，组次1、组次2 水流总体比较平顺，无二次流出现。初始时，由于水流流速大于河床泥沙的起动流速，床面不断冲刷，水深逐渐增大，流速减小，当水流流速接近河床泥沙的起动流速时，冲刷停止，水流趋于稳定，石笼前沿冲刷深度见表3。

临危受命，陈颐磊多少有点壮怀激烈的感觉，他从顾祝同手里接过委任状，转身向属下敬了礼：“陈某不才，恐难肩此大任，但我心昭日，誓与全军官兵同生死，城在我在！城破我亡！”

表3 组次1和组次2石笼前沿冲刷深度 mTab.3 Scour depth of gabion front in groups 1 and 2

由试验结果可看出，组次1条件下，河床以及石笼附近冲刷均不严重，石笼头部由于受水流顶冲的影响，冲刷较为严重，石笼下面发生淘刷，产生头部冲刷坑，冲坑深度为2.4 m，石笼发生变形，沿冲刷坑边壁向下倾斜。其余部位，石笼前沿处冲刷深度较小，石笼底部基本不发生淘刷，石笼基本不发生变形，石笼前沿处冲刷深度范围从0.69～1.74 m 不等，且有向下游逐渐减弱的趋势。

由于组次2 流速、水深均较组次1 大，河床冲刷深度较组次1大，尤其在石笼头部及其约1 m范围内，河床冲刷更为严重，已冲至不可冲刷河床。石笼头部冲刷深度达4.2 m。在距石笼头部27 m（2号断面）至39m（2号断面下游12 m）处，石笼前沿形成较为明显的冲刷坑，冲刷坑形态见图6，冲刷坑最大深度分别为3 m 和2.4 m，临岸边一侧的冲刷坑坡度约为1∶1.8。愈向下游，石笼前沿处冲刷愈弱。

图6 组次2石笼前沿冲刷坑形态Fig.6 Shape of scouring pit in front of gabion in group 2

平顺河段铺设的堤脚防冲石笼，其冲刷基本属于一般冲刷，石笼前沿处的冲刷由河床的冲刷产生，其冲刷深度基本与河床其他部位冲刷一致。但是石笼护垫的头部会受到较为严重的冲刷并产生冲刷坑。且水流流速和水深越大，冲刷越剧烈，冲刷范围也越大，石笼附近冲刷的特点是沿程减弱，如3.4 m水深和4.2 m/s 流速条件下，头部冲刷坑达2.4 m，石笼前沿冲刷深度1.74 m；3.9 m 水深和4.8 m/s 流速条件下，头部冲坑最大深度达4.2 m，石笼前沿冲刷深度达3 m，故流速越大，需铺设的柔性护垫越宽，才可在形成冲坑时，可覆盖冲坑，有效保护堤脚。

2.3.2 水流斜冲

组次3 和组次4 石笼顶部和石笼前沿处流速测量值详见表4。从试验结果可看出，受河道边界条件的影响，从上游对岸过来的水流呈一定夹角对冲石笼前沿位置，愈向下游，水流与石笼夹角愈小，渐趋顺直。相对于组次3，组次4 的主流对冲点更加偏向下游。组次3石笼前沿流速范围在3.56～4.01 m/s之间，组次4 石笼前沿流速为3.49 m/s，小于组次3 流速。组次3 水流与石笼的最大夹角达20°，而组次4水流与石笼的最大夹角只有3°左右。

表4 组次3及组次4流速分布Tab.4 Velocity distribution of group 3 and 4

组次3、组次4 河床冲刷情况以及石笼前沿冲刷坑形态详见图7，各断面冲刷坑形态图详见图8。

图7 组次3、4河床冲刷情况以及石笼前沿冲坑形态Fig.7 the riverbed erosion and scouring pit shape of gabion front in group 3 and 4

由图8（a）可看出，组次3 石笼附近冲刷坑深度在1.83～3.6 m 之间，最大冲刷坑深度为3.6 m，发生在4 号断面位置，冲刷坑深度越大，其范围也越大，如3号断面冲刷坑边缘距堤脚约4 m，而4号断面冲刷坑距堤脚只有1.8 m；冲刷坑靠近堤脚一侧的边坡坡度范围从1∶1.3～1∶2.4。由图8（b）可看出，组次4 石笼附近冲刷坑最大深度只有1.5 m，冲刷坑边缘距堤脚距离也较远，约有6 m，冲刷坑靠近堤脚一侧的边坡坡度为1∶1.4～1∶1.7。

图8 各断面冲刷坑形态图Fig.8 Scouring pit shape of each section

斜向水流冲击堤脚防护石笼时，受到石笼的阻挡，形成平轴环流，淘刷石笼前沿处的河床，造成石笼前沿的集中冲刷，形成冲刷坑。斜向水流与石笼的夹角越大，冲刷坑深度和范围也越大，所需柔性护垫宽度越宽，如流速为3.5 m/s左右时，水流斜冲角度为17°时，冲刷坑深度达3.6 m，而当水流斜冲角度为4°时，冲刷坑深度只有1.2 m。试验中观察到的冲刷坑靠近堤脚一侧的边坡坡度范围为1∶1.3～1∶2.4。

3 游荡型河道堤防堤脚防冲水平柔性护垫结构型式探讨

3.1 合理的石笼护垫宽度探讨

根据4 组实验比对分析，水平柔性护垫前沿河床冲坑深度与水流流向、流速有直接关系，水流流速、水深越大，水流与堤防夹角越大，冲刷越剧烈，冲刷坑范围也越大，需铺设的柔性护垫宽度越宽。

根据试验结果中稳定冲坑形态，冲刷坑靠近堤脚一侧的稳定冲坑坡比为1∶1.3～1∶2.4。为使水平柔性护垫达到较好的防护效果，需在冲坑形成时能随坡就势完全覆盖冲坑以防止进一步掏刷，推荐堤脚防护柔性护垫结构的宽度取计算冲刷深度的1.5～2 倍较为适宜，并增加适当安全余度。此外，考虑到主流逼近凹岸的河势和冲刷最深的位置，柔性护垫宽度宜超过这些最有危害的水力紊动区间；对深泓线靠近河岸地段，防护柔性护垫结构宽度建议超过深泓线2.0 m。

另外，根据试验结果可看出，平顺河段铺设堤脚防护柔性护垫结构时，极易使得本来没有局部冲刷的石笼头部产生较为严重的局部冲刷，在实际工程应用时，建议在石笼护垫头部使石笼边缘向下游倾斜，减少水流与石笼头部边界的角度，从而减缓局部冲刷。

3.2 石笼护垫厚度以及合理单元体积探讨

钢丝石笼厚度主要可影响柔性护垫结构的稳定性以及护垫在冲刷坑边坡上的抗滑稳定性，由于堤脚防冲柔性护垫结构由一个个石笼连接而成，整体抗冲能力很强，试验中未发现柔性护垫整体被水流冲走的情况。虽然局部产生了较大冲刷坑，但由于石笼之间互相牵拉，柔性护垫未在冲坑边坡产生下滑，故在满足单个石笼结构稳定的条件下，并考虑到填充块石的粒径，选取合适的石笼厚度即可。

石笼单元体积越小，护垫整体柔性越好，适应河床变形能力越强，但会增加加工和施工难度，也会增加石笼之间连接钢丝（钢筋）的破坏几率，在确定石笼单元体积时，可在防护宽度范围内设置不少于3～4个石笼为参考，这样既保证了护垫具有一定柔性，也降低了成本。

3.3 堤脚加设抗滑桩探讨

游荡型河道中，水流流态紊乱，水流冲刷角度多变，对柔性护垫冲刷力较大。柔性护垫发挥作用优势在于形成成片整体，且与堤防堤脚牢固连接，能在形成冲坑后，适应地形变化，随坡就势保护河床。这样将进一步增大柔性护垫对堤脚拉力，传统混凝土脚槽或浆砌石脚槽将不足以固定柔性护垫结构，反而易连同柔性护垫一起冲走，可在堤脚设置钢筋混凝土抗滑桩，进一步加固柔性护垫固定性。钢筋混凝土桩锚入地基的深度建议大于计算冲刷深度。

3.4 与已有传统结构型式比较

对比传统游荡型河道堤脚防冲措施，此水平柔性护垫结构防护优势在于：当整体结构的抗冲流速大于水流的冲刷流速时，可视为稳定的防护体，不会在水流的冲刷下发生位移，从而起到抑制冲刷发生的作用，保护基础层的稳定；柔性护垫结构中的石笼网垫抗冲体抗冲流速较大，使水流不能直接淘刷堤脚河床，减小冲刷深度，能有效保护堤脚河床及形成初步冲坑的斜坡；石笼网垫具有透水性，能减小成片石笼整体的浮力，增强石笼稳固性；成片石笼网垫具有整体性及适应地形变化能力的柔性，当堤脚河床形成冲坑后，石笼能够及时填补冲坑，使冲刷坑底与坡脚形成缓坡，且能较好的对缓坡形成护坡保护整个冲坑斜坡面使冲坑稳定不再发展，使堤脚稳固；坡脚或脚槽下部设置的钢筋混凝土桩，能大大增强坡脚的稳固性；整体结构能形成一个有效的堤脚防冲体系，以保证堤脚在高速近岸水流冲刷下的牢固稳定性。

以上研究均为游荡型河道堤脚水平柔性护垫结构工程应用提供了宝贵参考和更全面的理论依据。

4 结 语

本文结合已有工程经验，提出一种游荡型河道堤防堤脚防冲水平柔性护垫结构，并采用1∶30 比尺建立原型长180 m 的水槽缩尺模型，通过4组不同水流条件下的冲刷试验及数据分析，研究水平柔性护垫结构护岸破坏过程及受水流冲刷后冲坑发展稳定深度、稳定形态，得出以下结论。

（1）该结构除具有钢筋石笼较强的抗冲性和透水性、能抵抗高速水流冲刷，还具有较好的整体性和地形适应性，当堤脚外部河床被初步淘刷后，可随坡就势保护堤脚河床，防止河床被进一步冲刷，尤其在游荡型河道中，可较好抵御高速紊乱近岸水流冲刷，保护堤脚安全进而保护堤防稳定、安全。

（2）建议实际工程应用中，堤脚水平柔性护垫的宽度取计算冲刷深度的1.5～2 倍，并增加适当安全余度；对深泓线靠近河岸地段，防护柔性护垫结构宽度建议超过深泓线2.0 m。

（3）在确定石笼单元体积时，在满足单个石笼结构稳定的条件下，可在防护宽度范围内设置不少于3～4 个石笼为参考，这样既保证了护垫具有一定柔性，也降低了成本。

（4）建议在水平柔性护垫头部使石笼边缘向下游倾斜、减小水流与石笼头部边界的角度，或在端头加大埋深或加长加宽防护，以保证护垫端头安全。

（5）实际工程应用中，可根据实际情况在堤脚设置钢筋混凝土抗滑桩，进一步加固柔性护垫固定性。钢筋混凝土桩锚入地基的深度建议大于计算冲刷深度。 □