平顺抛石护岸水毁速率试验研究

费晓昕　张幸农

摘要：平顺抛石护岸主要用于增强堤防和岸滩的稳定性，有利于沿江城乡的防洪安全。然而，岸坡水下坡脚极易受水流淘刷，往往造成坡脚处根石失稳，坡面形成空白间隙，岸坡稳定性下降，甚至对堤防安全造成威胁。因此，研究抛石护岸的水毁现象十分必要。在原型观测及水槽试验的基础上，根据坡面空白间隙的发展，对抛石护岸的水毁破坏方式及水毁速率进行了研究，得到了坡面空白间隙的发展规律，阐述了平顺抛石护岸的水毁特征。

关键词：抛石护岸; 水槽试验; 坡脚冲刷; 水毁速率; 空白宽度

中图法分类号： TV871

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.034

0引 言

平顺抛石护岸工程在长江中下游应用十分广泛，能够控制有利河势及保障沿江两岸的防洪安全。但是，由于坡脚遭受水流淘刷，护岸块石常常因失去支撑而滑落，导致护岸工程水毁。许多学者对抛石护岸的水毁进行了研究[1-5]：长江科学院对块石在河床冲刷时的稳定及位移特性、平顺抛石护岸破坏过程、抛石加固方案和施工方法等进行了研究[6-11]，如姚仕明、卢金友等研究了块石与小颗粒石料的不同铺护方案的护岸效果及块石定点投抛规律;另外，毛佩郁、应强等[4，12-15]也对其水毁机理及稳定性做了相关研究，但这些研究均没有考虑抛石护岸水毁速率的问题。因此，鉴于天然河道中平顺抛石护岸较易水毁部位一般位于弯道凹顶，本文在以往平顺抛石护岸水毁机理研究[16-17]的基础上，总结抛石护岸水毁表现形式，对平顺抛石护岸的水毁速率及其影响因子进行了分析，较为深入地研究了平顺抛石护岸的水毁特征。

1水毁表现形式

长江中下游平顺抛石护岸工程自应用以来，处于不断破坏和维护中[18-23]。例如，荆江大堤某些岸段在投入使用前期，抛石坡度较陡，有的甚至陡达1∶0.7，后来经多次逐步加固到1∶2.5，才形成了目前较为安全的格局;长江下游黄石至马鞍山段多处岸段坡脚也存在冲刷，坡面块石失去支撑作用而导致坡比变陡，块石滚落的现象，经统计，该段抛护4 a后平均抛投坡度为1∶2.9，最陡达到1∶1，坡比陡为1∶1.8的岸坡有58个，占该段平顺抛石护岸工程的12.2%。由长江中下游河段平顺抛石护岸水毁现象来看，抛石护岸最明显的表现形式就是岸坡上护岸块石的滑落和岸坡失去保护后的岸坡变形，坡体土体裸露以及坡比变陡，岸坡稳定性下降。

2模型设计及试验方案

由上述天然河道抛石护岸水毁破坏形式可知，护岸块石滑落、坡体土体裸露为水毁的主要表现形式。引起这种现象的原因主要是岸坡坡脚处河床遭受水流冲击，形成冲刷坑，坡脚处防冲备填石流失，失去对岸坡的保护作用。抛石护岸的水毁机理已有不少专家学者进行了研究，在此不再赘述。本文主要从防崩层、流速、抛投厚度、坡度、级配5个影响因素研究岸坡的水毁速率，为方便研究岸坡在失去坡脚处防冲备填石保护作用后的水毁发展情况，试验工况以一般外延守护，坡脚处河床遭受水流冲刷为基础。

天然河道中，平顺抛石护岸工程附近泥沙运动方式主要是推移质运动，河床变形主要是建筑物附近床沙的局部冲刷。因此，为保证水沙运动及抛石护岸结构模拟的相似性，采用几何正态模拟方式进行水槽试验，并仅模拟推移质泥沙运动，忽略悬沙运动模拟。根据水槽试验场地及研究内容，选定试验几何比尺为1∶25，流速比尺为1∶5。长江中下游河道泥沙颗粒粒径范围为0.05～0.25 mm，中值粒径约为0.20 mm，经多次水槽起动流速试验，选用经防腐处理的木屑，中值粒径0.80 mm，含水密实容重1.12 g/cm3，基本能满足泥沙起动相似要求。水槽整体布局见图1，宽2.5 m，长20 m，中间1～5区为试验段，左岸为定床，右岸及槽底为动床，由于弯道凹顶一般是冲刷较为严重的部位，本次试验选择4号断面作为水毁破坏的对比断面。

根据长江中下游天然抛石护岸块石粒径大小（10～70 cm）与级配组成，确定试验抛石块体粒径范围为0.5～2.5 cm，考虑了均勻级配和有级配的几种组合（见表1）。试验岸坡块石按单、双及多层抛护，试验流速为32～62 cm/s（天然1.5～3 m/s），水深为32 cm（天然8 m），3种坡度为1∶2，1∶2.5及1∶3，坡高30 cm（天然7.5 m），相对应的试验岸坡长度分别为68，80 cm及96 cm，坡脚防崩层有刚性守护和一般外延守护2种。

3水毁速率分析

弯道水槽试验主要以大流速为主，试验现象和规律较好。坡脚遭受水流冲刷后，坡面块石失去支撑，产生滑落现象，坡面部分沙体裸露，产生空白，空白形态主要有3种：① 分散多出的零星空白，主要产生于水毁不严重的工况及试验初始阶段;② 条带状空白，主要产生于水毁稍严重或水毁冲刷的后半阶段;③ 大面积空白，主要产生于水毁较严重的工况。空白发展的速率及宽度大小代表着护岸水毁发展的速率及程度。通过对弯道4号断面的空白大小、位置进行统计和分析，研究平顺抛石护岸在各试验工况下的水毁速率问题。

空白产生和发展的过程一般为：当试验流速大于坡脚床沙起动流速时，床沙大量起动和扬动，使得护脚处床沙局部淘刷，慢慢形成冲坑，冲坑又逐渐侧向内凹，并逐步加深、加宽、加长。块石边缘床沙冲深后，块石失去床沙的支撑，向外侧滚落。块石滑动过程中，先是最外侧块石失去支撑滚落或滑落，而滚落的块石原处就会出现空白，该空白处失去防护的床沙便会被水流吸出，导致上部的块石继续滑落和滚落，覆盖下部露出的空白，这样由下至上空白一层一层往坡顶方向传递。若坡脚处冲刷达到平衡，则冲刷停止，岸坡就逐渐形成稳定的状态。

试验条件不同，空白发展速率也不同。有级配的情况下，流速较大及单层护坡工况坡面块石水毁较严重，水毁现象主要表现为坡面上条带状空白发展迅速且空白宽度较大，一般试验60 min便产生条带状空白，随后空白逐渐向坡顶发展且宽度增大，最大空白宽度达20 cm，此时，岸坡横断面抛石覆盖率已不足70%，护岸效果明显不足。坡度缓和及抛护多层的试验工况水毁破坏较为缓和，产生的空白为不连续或零星状，且通过坡面抛石自身调整空白逐渐消失。单层抛护的粗粒径均匀工况经水流连续冲刷后也产生空白，在流速仅为32 cm/s时，产生分散多处、面积较大（空白宽7 cm）的空白，相当于横断面抛石覆盖的10%。较细颗粒工况产生的空白则表现为细长的裂缝，宽约4 cm。总的来说，影响岸坡水毁速率的因子主要有防崩层、流速、抛投厚度、坡度及级配，具体空白发展规律分析如下。本文中，坡脚守护除刚性守护外，其余组次全部为坡脚外延守护10 cm。

3.1防崩层影响

坡脚部位防护情况对坡面抛石空白的发展具有至关重要的影响。坡脚仅做外延防护或刚性守护时，试验效果不同。仅做外延防护，近岸水流淘刷坡脚床沙快，如图2（a）所示，试验开始后10 min，坡脚床面开始变形，引起坡脚处的块石下滑滚落，30 min后坡面便出现空白，随着冲刷时间的增加，床面冲刷加剧，块石下滑量也逐渐增加，试验区域空白区增大，并且位置不断上移，8 h后，空白区上移至坡顶，坡顶床沙出露（见图2（b））。坡脚有刚性防护时，护岸块石不会产生位移和坍塌，直至试验结束，未产生空白区（见图2（c）），因此，刚性防护下，岸坡是稳定的。

3.2流速影响

水流流速增大，无疑会对坡面空白发展产生较大影响。以图3两工况为例（坡比1∶2，级配Ⅱ，单层抛护）：试验开始前60 min，大流速空白发展速率比小流速工况快15 cm，随后空白发展速率逐渐减慢，以距坡顶30 cm为中部位置（坡比1∶2，坡长68 cm），坡面中部以上发展速率明显降低，大、小流速工况在坡面中部时刻至510 min时刻的发展速率分别为2.80 cm/h及2.85 cm/h，相对于坡脚至坡面中部时水毁速率（分别为38.00 cm/h及7.60 cm/h）慢得多，300～510 min时，水毁发展速度已经很缓慢。空白位置及宽度随时间变化规律为：前60 min，大流速工况空白处于距坡顶30 cm，坡面中部略靠上的位置，空白宽度为15 cm;小流速工况空白距坡顶45 cm，坡面中部以下近坡脚的位置，空白宽度为5 cm;至510 min时，两组空白分别处于距坡顶9 cm及20 cm的位置，空白宽度为20 cm及8 cm。

试验数据说明，弯道抛石护岸水毁试验中，其他试验条件相同时，较小流速工况空白区比较狭窄，位置处于岸坡中部，较大流速工况抛石护岸水毁现象更为明显，空白区产生的速率更快，宽度也越宽，且空白区位置位于岸坡坡顶处。总的来说，大流速工况水毁速率大于小流速工况，而空白位置至坡顶时，小流速工况空白发展速率反而稍大于大流速工况。这是因为大流速工况试验开始时坡脚处淘刷作用强、速度快，空白发展迅速，随后淘刷作用随着冲深的增加和坍塌块石对冲刷坑的守护作用减弱，空白发展速率也随之减弱，到近坡顶处，淘刷作用进一步减弱直至不再淘刷坡脚，空白发展也随之停止;小流速工况空白发展速率在整个时间轴上变化相对较小（除前60 min），缓慢发展。另外，坡面中部以上空白发展速率变缓，越到近坡顶处，水毁速率越慢。

3.3抛投厚度影响

抛投厚度不同时，水毁速率和空白宽度随时间的变化规律见图4，图中工况试验条件为坡比1∶2，级配Ⅱ，流速62.69 cm/s。由图4可知：多层抛投时，试验开始产生很狭窄的条带状空白，一段时间后，发展成隐约散在多处的空白，水毁破坏不明显;而单层及双层抛投工况，空白发展速率及宽度均在前60 min内发展迅速，单层抛护水毁速率大于双层抛护工况，当距坡顶距离小于20 cm时，两工况水毁速率均明显下降。此外，空白宽度在60 min后呈现缓慢增长，增长速率单层大于双层，双层略大于多层，510 min时，单层、双层组次的空白停留位置及宽度分别为距坡顶9，17 cm，空白宽度20，7 cm，多层工况水毁现象不明显，散落的空白宽度在2 cm左右。

试验数据表明：在水流条件相同，冲刷量一定的情况下，双层、单层工况稳定时空白位置分别距坡顶17，9 cm，说明后者在距坡顶17 cm时，冲刷坑仍需块石填补，空白才会不停上移。多层抛护由于备填石数量多，并未形成明显的条带状空白，通过岸坡上块石的自身调整可使空白逐渐减小。因此单层抛石护坡是不安全的，容易形成空白区，使床面出露，进而产生水毁破坏，而多层抛石具有足够的块石量来填补冲刷坑引起的块石流失，可有效保护岸坡。因此，天然河道中，对坡面进行双层或多层防护十分必要，也证明天然抛石厚度达到0.7 m左右是必要的。

3.4坡度影响

坡度不同时，抛石护岸水毁速率和空白宽度随时间的变化如图5所示。图中工况试验条件为流速62 cm/s，级配Ⅱ，双层抛护。由图5可知，坡比为1∶3时，试验初始坡面有些许空白，发展缓慢，试验60 min时，空白区基本位于坡脚底部，随水流冲刷作用，上下层块石做间歇性的相互调整，空白区并未发展壮大，而是逐渐变小消失，直到试验结束。其他两工况空白发展速率相当，前60 min时，坡比1∶2.0及1∶2.5的空白发展速度分别为30 cm/h及31 cm/h，位置均处于坡面中部以下，空白宽度为4 cm及2 cm;试验510 min时，两者距坡顶距离20 cm左右，空白不再向坡顶发展。空白宽度方面，坡比1∶2.0工况宽度最大，为7 cm，其次为坡比1∶2.5，坡比1∶3.0工况通过自身调整，空白逐渐消失。总之，岸坡坡度越陡会加快坡面空白发展速率，反之则延缓。产生如此现象的主要原因是坡度小，块石自身重力中垂直向下的分力小，加上块石之间的阻碍作用，使得块石不易滑落。

3.5级配影响

抛石级配不同时，护岸水毁速率和空白宽度随时间的变化如图6所示，图中工况试验条件为流速61.57 cm/s，坡比1∶2.5，双层抛护。由图6可知：3种工况在试验前180 min水毁速率相差不大，级配Ⅲ和级配Ⅰ水毁速率慢于级配Ⅱ工况，180 min后，水毁发展缓慢。从空白宽度来看，3种工况空白宽度在1～3 cm之间，级配Ⅲ中条带状空白逐渐在坡面中部向上发展的过程中消失，护岸效果稍好。试验数据分析说明，双层和多层抛护时，坡面上出现的空白区会被上部块石填补，尤其是较小的块石下滑较快，备填石足够时，填补空白区的块石下滑越快越多，填充的时间就越短，空白区尺度就越小。因此，护岸效果最好的为级配Ⅲ、其次为级配Ⅰ、级配Ⅱ。

4结 论

长江中下游护岸工程以平顺抛石护岸为主，现有的抛石护岸工程在投入使用不长的时间内便发生水毁破坏现象，為了解抛石护岸的水毁破坏特征，本文进行了平顺抛石护岸弯道水槽试验，对抛石护岸的水毁速率进行了较为深入的探究，得出以下主要结论。

（1） 若坡脚部位不被冲蚀完全（刚性防护），发挥守护坡脚的作用，则岸坡上块石基本处于稳定的状态，不会产生水毁现象（空白区）。

（2） 若坡脚部位防崩层不足以填补冲刷坑，则岸坡护岸块石会发生水毁现象。水毁速率与各影响因子相关：首先，大流速工况水毁速度快、水毁程度强，空白位置更靠近坡顶，小流速工况水毁速率稍慢，且空白宽度不如大流速工况;其次，单层抛护时水毁速率大于双层及多层抛护;再者，坡度越陡，水毁速率越快;最后，有级配块石工况空白大小较不均匀工况小，不均匀工况抛石护岸有发生整体水毁的倾向。

（3） 水毁速率于坡脚至坡面中部较快，中部以上缓慢，越到近坡顶处，水毁速率越慢。

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（编辑：谢玲娴）

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