瑞安市飞云江仙降段工程四面体框架抗冲性能研究

蒋天华，张玮玥，郭润元，殷学成

（1.浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江 杭州 310016；2.浙江广川生态环境工程设计有限公司， 浙江 杭州 310020；3.浙江省钱塘江流域中心， 浙江 杭州 310016）

1 问题的提出

在我国现有的护岸工程中，岸脚淘刷是护岸破坏的主要原因，它严重威胁着堤防的稳定，常导致崩岸的发生。常用的实体护岸技术，如抛石、模袋混凝土、混凝土铰链排等，往往因基础淘刷致下抛块体大量流失或工程失稳崩塌[1]。四面六边透水框架自身稳定性较好，传统的四面六边体透水框架及新型框架结构在长江护滩护底中都有成功应用[2-4]。对四面六边透水框架及其组成的框架群的相关研究主要集中在2 方面：一是水流结构研究，主要涉及水流阻力特性、尾流场水力特性、减速效果的优化、杆件长宽比和架空率等[5-9]；二是防冲促淤研究，主要研究透水框架群后地形冲淤变化[10-12]。但在凹岸顶冲条件下，透水框架防护效果不甚理想，框架常出现冲刷流失，不适合在没有其他工程辅助情况下用于凹岸顶冲段岸脚的防护[13]。

飞云江仙降段凹岸的岸脚淘刷防护工程位于浙江省瑞安市境内，长度21.4 km，设计标准为50 a一遇，建筑物级别为3 级。工程所在的凹岸堤段长1.89 km，原坡脚主要防冲为软体排+抛石潜坝，但经洪水多年冲刷后，部分抛石被冲损，存在安全隐患。本文以飞云江仙降段工程为例，分析四面体透水框架中抛填级配块石时对框架抗冲性能的影响，提出经济合理的方案，设计方案拟采用四面体透水框架对抛石表面进行加固和促淤保护。

2 框架群水槽试验模型设计

2.1 相似准则与模型比尺[14]

对飞云江仙降段1.89 km 和水沙条件进行概化水槽模型试验，模型设计遵循重力相似准则，采用正态模型，模型试验的各水力参数相似比尺见表1。

表1 水力参数相似比尺表

2.2 模型试验透水框架

2.2.1 实际构件

四面六边透水框架原型杆件尺寸为12 cm×12 cm×120 cm，材料为钢筋混凝土，单块质量约为260 kg。

2.2.2 试验模型

模型用铝块制作，组成框架的6 根杆件尺寸一致，模型见图1。

图1 四面六边透水框架模型图 单位：mm

2.3 模型河床选择

原型河床为厚1.50 m，长1.89 km 的抛石河床，其抛石的粒径范围为10～30 cm，级配均匀。模拟河床由模型比尺及相似关系得出，采用级配均匀、粒径范围0.8～2.4 cm 的抛石块。

2.4 流速和水深模拟

流速模拟为本项目的关键，原型研究河段50 a一遇，20 a 一遇和10 a 一遇洪水条件下断面最大流速可达4.7，4.1，3.8 m/s；由模型比尺及相似关系得到模型模拟断面最大流速分别为1.4，1.2，1.1 m/s。工程区域水深约12.0 m，模型水深约为1.0 m。试验采用循环供水系统，在60.0 m×1.0 m×1.5 m（长×宽×高）的大型水槽中通过调节阀门开度模拟不同流速。

2.5 试验测试手段

供水系统包括大型试验水槽、动力泵、平水塔、尾水管、尾水阀门、配水管和回水槽等；流速测量采用南京水科院研制的便携式流速仪；水位测量采用水位测针以及水深测量的方法；流量测量采用矩形量水堰，用于测定恒定流流量，量水堰堰型满足量程和精度要求。

矩形堰的流量计算公式[15]：

式中：Q为流量（m3/s）；b为堰宽（m），本实验为1.0 m；H为水深（m）。

3 试验工况

研究透水框架布置的8 个工况（见表2）。各方案照片见图2。比较分析在不同情况下的抗冲启动流速（框架吊装为1 层或2 层、底部河床为抛块石时，不同摆放数量或长度）、断面垂线流速分布（重点测量框架处的流速），分析在框架中抛填级配块石时对框架抗冲性能的影响，并提出经济、合理的优化方案。

图2 各方案现场照片图

表2 透水框架试验不同布置工况内容表

4 方案比较及推荐

4.1 方案1

框架群开始失稳时测量断面的表面最大流速为1.6 m/s，远远低于50 a 一遇设计流速（4.7 m/s）；当断面表面流速达到3.2 m/s，框架群完全被冲到下游。框架群失稳后，抛石河床随即受到水流冲刷；冲刷结束后，形成范围较大且深的冲坑。

出现上述现象原因在于四面体透水框架个体没有连接，彼此互相独立；框架放置于抛块石河床之上，框架与河床间摩擦力作用面积小，整体性较差；框架仅靠自身重力维持在水流中的稳定性，故而稳定性相对较差。

4.2 方案2

洪水冲刷后的框架群情况同方案1。

原因在于四面体透水框架放置在抛块石河床之上，框架下部杆件的下表面与抛石河床的摩擦阻碍框架滑移，框架与河床间摩擦力作用面积小，整体性较差；框架吊装2 层，虽然提高单位面积框架对抛石河床的压力，但框架整体的重心相应被抬高；与方案1 吊装1 层框架相比，容易在水流作用下倾倒，反而不利于框架群的稳定性。

4.3 方案3

框架群开始失稳时表面最大流速为2.9 m/s；当流速达到3.3 m/s，框架群全部被冲，同样出现上述冲坑。

原因与方案2 类似，框架下部杆件的下表面与抛石河床的摩擦一定程度上阻碍框架的滑移，但框架与河床间摩擦力作用面积小，整体性较差。8 个框架为1 组绑扎，提高了框架间的整体性。与方案1 相比，其抗冲流速得到提高，但仍不能满足50 a 一遇设计流速（4.7 m/s）情况下对透水框架群稳定性的要求。

4.4 方案4

框架群开始失稳时表面最大流速为2.3 m/s，且框架群随即全部被冲，同样出现上述冲坑。

原因在于四面体透水框架下面虽绑上袋装宕渣增加其自身的重量，但同时使结构整体迎水面积增加，导致水流对该结构的冲击力增加；由于袋装宕渣的存在，结构所受到的浮托力大大增大；由于宕渣与宕渣袋的空隙较小，结构所受到的扬压力较大。从测量结果看，绑袋装宕渣实验方案的失稳流速比不绑袋装宕渣的失稳流速小，袋装宕渣反而起到消极作用，不利于框架群的稳定。远远无法满足设计流速（4.7 m/s）对透水框架群抗冲稳定性的要求。

4.5 方案5

该方案中框架群抛填一定级配的30 cm 厚块石（10 cm 厚块石占比30%、20 cm 厚块石占比30%、30 cm 厚块石占比40%）；当表面流速达到3.7 m/s 时，第一排框架失稳被冲到下游。第一排失稳后，流速长时间在4.7 m/s 时，后排框架未出现失稳滑移现象。

这种现象是由于四面体透水框架中抛填的块石与抛石河床成为一体，一方面增大四面体框架与抛石的接触面积，增大摩擦力；另一方面，透水框架给抛石起到加筋的作用，使抛石被固定，框架稳定性得以提高。并且该方案与方案3 相比，四面体框架结构对河床的压力增加，重心下降，水流对框架的作用力矩减小，提高框架稳定性；与方案4 相比，四面体框架抛填块石的组合结构受水流冲刷的面积减小，抛石间孔隙较大，结构不受扬压力作用。但该方案第一排框架的抗冲稳定流速未达到50 a 一遇设计流速（4.7 m/s），不推荐。

4.6 方案6

该方案将方案5 的级配块石厚度增加至50 cm，在最大设计流速（4.7 m/s）水流的长时间作用下，四面体透水框架群的稳定性良好；试验过程中流速高达5.2 m/s 时，透水框架亦未发生失稳滑移现象，仍保持较好的稳定性。但在设计流速水流冲刷较长时间后，所形成的河床出现范围小且浅的冲坑，能满足工程需求。

原因同方案5，但该方案耗费粒径块石量较大，粒径30 cm 的块石当地不易获得，工程造价偏高，不推荐。

4.7 方案7

该方案在方案6 的基础上将级配块石范围调整为10～20 cm（10 cm 和20 cm 厚块石各占50%），其他保持不变。

试验现象和原因均与方案5 类似，且该方案不满足工程抗冲稳定的需求，不作推荐。

4.8 方案8

该方案在方案7 的基础上，上下游两端框架群中10 m 左右范围抛填粒径10～30 cm 块石（级配同方案6），中间部位抛填粒径10～20 cm 块石（级配同方案7），抛填厚度50 cm。

在最大设计流速（4.7 m/s）水流的长时间作用下，透水框架无滑移、无转动，抗水流冲击效果佳，稳定性良好；试验过程中水流的最大流速一度达到5.4 m/s，在这种超设计流速水流作用下，透水框架无滑移、无转动，抗水流冲击效果佳，稳定性良好。

出现这种现象的原因同方案5，并且方案中将受到水流冲刷作用较小的框架群中间段，用容易获得、成本偏低的小粒径块石代替成本偏高的大粒径块石，可大大节约工程成本、降低施工难度。框架群两端改用大粒径块石抛填，最大程度节约经济成本的同时，满足工程稳定抗冲需求。

4.9 推荐方案

综合试验结果，方案8 的工程实施难度及工程量大大减小，成本降低，施工方便，因而推荐方案8 为防冲方案。

5 结 语

四面体透水框架与块石相结合的水平防冲方案较好地保障飞云江仙降段凹岸的堤脚防冲稳定性，河床没有发生剧烈冲刷，保证工程顺利开展，确保河势稳定。采用四面体透水框架堤脚防冲技术，对飞云江仙降段堤防工程的施工质量和施工安全起到积极作用。

本文结合水槽试验研究不同方案下的四面体透水框架摆放方案，通过飞云江仙降段堤防工程实践，得出在上下游两侧10 m 左右范围内四面体框架群抛填粒径为10～30 cm 的大块石，中间河段的四面体框架群抛填粒径为10～20 cm 块石的方案，可为浙江省境内流域乃至长江口堤脚防冲保护提供参考。

实际堤防的岸脚稳定不仅仅依靠块石压重，尤其是河段凹岸的上下游为易冲刷失稳范围，建议严格控制抛石粒径的级配与抛填厚度。检测水下块石抛填质量也是技术性难题，尚需进一步研究。