平顺拋石护岸水毁机理及速率分析

王元春

(武宁县水利局,江西 九江 332300)

0 引 言

平顺抛石护岸是常见的河道整治工程措施,对于增强岸滩及堤防稳定,控制河势,保证防洪安全具有重要作用。平顺抛石护岸施工方法简单,且就地取材,施工经验也较为丰富,但是坡脚处因水流淘刷而极易造成根石失稳,降低岸坡稳定性,威胁堤防安全。为此,必须展开平顺抛石护岸水毁机理、破坏形式及水毁速率研究,为其施工质量控制及运行维护提供保证。目前对抛石护岸水毁问题的研究主要集中在护岸破坏过程、河床冲刷位移特性、小粒径石料与块石铺护方案的护岸效果、定点抛投规律等方面,对抛石护岸水毁机理的研究并不完善,对护岸水毁速率的研究也比较少见。文章在充分借鉴相关研究成果的基础上,对平顺抛石护岸水毁机理及速率展开深入分析,以期为具体河道抛石护岸施工方案设计及加固质量的提升提供借鉴参考。

1 工程概况

豫宁西护岸工程位于武宁县县城,抛石护岸范围为长北0+000～长北3+300,总长度3.3km。抛石顶宽4m,岸坡陡于1∶2时,外边坡按1∶2抛石护岸,边坡外再抛宽4m厚的水平护脚。岸坡缓于1∶2时,按原坡抛护,斜坡上抛石厚度按1.0m控制,抛至岸坡缓于1∶3～1∶4平缓处或河深泓,边坡外再抛宽4m厚的水平护脚,块石粒径≥0.3m。为验证以上抛石护岸治理方案的可行性与适用性,必须展开抛石护岸水毁机理及速率影响因素的分析。

2 平顺拋石护岸水毁机理

根据文献[1]中抛石护岸水槽动床试验结果,平顺抛石护岸遭遇水流冲刷后块石滑落,块石同时出现缝隙,且在水流的继续冲刷下缝隙扩大并形成大面积空白,进而向坡顶持续发展[1]。根据已有分析结果,水槽试验中抛石护岸水毁特征、破坏方式均与实际河道基本一致,即可划分成单个粒块石滚动失稳、块石团整体滑移及坍塌等水毁破坏模式。

1)单个粒块石滚动失稳。护坡表面单个块石因相互挤撞及重力不足以抵御水流推力,很容易在坡面滑动或滚动,水流力通常小于重力分力,故块石一般斜向岸坡下方、甚至垂直于水流方向移动,且这种滚动或滑动是间歇性的,短期内对岸坡稳定性影响不大。修水下游水深4～28m、抛石粒径在10～50cm之间,可以从力学角度计算出不同粒径块石失稳流速。突出抛石坡面的小粒径块石失稳可能性较大,而粒径在30cm以上的块石失稳流速一般≥3m/s。天然河道内抛石级配较好的河段,不同粒径块石颗粒相互嵌挤,单个块石在水流力冲击下失稳的情况基本不会发生。

2)块石团整体滑移。水流冲刷坡脚后,最外侧块石团因失去支撑而率先滑落(第一阶段),原块石覆盖区域出现空白(第二阶段),空白处因失去床沙防护而被水流吸出,引发上部块石滑落,将下部空白覆盖,这种交替覆盖作用最终传递至坡顶(第三阶段)。当底部块石滑落后到达深泓,上部块石滑落过程便会停止,坡脚处冲刷达到平衡,岸坡也达到稳定状态(第四阶段),以上过程见图1。值得注意的是,这种水毁破坏模式只有在块石抛投不均匀的情况下才会出现,只要抛投块石粒径选取合理、加强施工过程控制,块石团整体滑移便会得到遏制[2]。

(a)第一阶段 (b)第二阶段

3)块石团整体塌陷。对于土质不良、存在软弱层或大比降渗流的岸坡,存在坡体后方大范围下陷、岸坡上块石成团塌陷的可能,但是破坏形式主要表现为随岸坡的塌陷而垂直位移塌陷。因为与岸坡地质条件有关,故块石团受力和位移程度完全取决于岸坡变形以及块石自重、岸坡对块石的支撑力,也是豫宁西护岸水毁的主要模式,必须引起重视。

3 平顺拋石护岸水毁速率

3.1 试验方案

根据以上对天然河道平顺拋石护岸水毁机理的分析可以看出,护岸水毁岸坡土体裸露和块石滑落是引起水毁的主要形式,究其原因,主要是由于水流冲击岸坡坡脚处河床,形成冲坑,并导致坡脚处防冲备填石流失,使岸坡失去保护。此处主要从水流流速、防崩层、抛投厚度、级配及坡度等角度对平顺拋石护岸水毁速率展开探讨。为增强坡脚处防冲备填石保护作用丧失后岸坡水毁发展情况分析的针对性,以一般外延防护和刚性防护下水流冲刷坡脚处河床为试验工况。

对于天然河道而言,平顺拋石护岸周围泥沙主要表现为推移质运动形式,河床变形以水工构筑物周围床沙的局部冲刷为主。故采用几何正态模拟方式展开水槽试验,忽略悬移质泥沙运动而仅模拟推移质泥沙运动过程,以确保水沙运动和抛石护岸结构模拟过程的相似性及结果的准确性[3]。结合该河道护岸实际,采用1∶25的试验几何比尺和1∶5的流速比尺;河道中下游试验泥沙颗粒粒径在0.5～2.5cm之间,根据相关水槽起动流速试验结果,本次试验主要使用防腐处理后中值粒径0.82mm、含水密实容重1.12g/cm3的木屑模拟泥沙起动。试验水槽长×宽为20m×2.5m,左岸为定床,右岸及槽底为动床,中间区段除过渡段外全部为试验段,平面布置详见图2。考虑到该河道实际,弯道凹顶冲刷最为严重,故此次试验以4号断面为水毁破坏对比断面。

图2 弯道水槽平面布置(单位:m)

结合该护岸工程所在修水流域中下游天然抛石护岸块石粒径(10～50cm)及级配,将试验用抛石块体粒径确定为0.5～2.5cm,设计出几种级配组合形式:

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

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

按照单层、双层和多层展开试验岸坡块石抛护,根据1.5～3.0m/s的天然流速、8m水深及7.5m的坡高,将试验流速、水深及坡高分别设定为32～62cm/s、32cm和30cm,坡度分别设定为1∶2、1∶2.5、1∶3;试验岸坡长度依次为68cm、80cm、96cm,坡脚处防崩层分一般外延防护和刚性防护2种。

3.2 水毁速率试验结果

水槽试验主要为大流速,水流冲刷坡脚后,坡面块石因失去支撑而滑落,坡面沙体也部分裸露而出现空白,空白形态可归纳为以下3种:①试验初始阶段水毁不严重情况下出现的分散形零星空白;②试验后半阶段冲刷及水毁较为严重情况下出现的条带状空白;③水毁较严重工况下出现的大面积空白。从某种程度上看,空白发展的速率及面积变化是护岸水毁速率及严重程度的直接体现,故通过观察和分析弯道水槽模型4号断面空白的发展趋势及位置,进而对不同工况下平顺抛石护岸水毁速率展开研究[4]。

空白发展速率随试验条件的不同而变化。在有级配时,单层护坡坡面块石及水流流速较大时水毁严重,坡面上条带状空白在试验开始后1h时产生并向坡顶发展,面积迅速扩大,最大宽度可达20cm。这种情况下,岸坡横断面抛石覆盖率已低至70%以下,无法正常发挥护岸作用。相反,在多层抛护或坡度较为缓和的情况下,空白主要呈零星状,并随着坡面抛石过程的进行自行调整后逐渐消失。从粒径角度来看,单层粗粒径抛石在32cm/s流速下产生7cm宽、分散空白;而单层粗粒径抛石在相同试验流速下主要产生4cm宽的细长裂缝状空白。综合以上分析,平顺抛石护岸水毁影响因素主要有水流流速、防崩层、抛投层数、块石级配、岸坡坡度等方面。

1)水流流速。在坡比1∶2、级配Ⅱ及单层抛护工况下,试验开始后60min内流速62.69cm/s时空白发展速率比流速42.81cm/s时快,此后空白发展速率减缓;试验坡长为68cm,故以距离坡顶34cm为中部位置,坡面中部以上发展速率降低明显,流速62.69cm/s和42.81cm/s在坡面中部时刻～510min时刻空白发展速率依次为2.81cm/h和2.86cm/h,而相应流速下坡脚至坡面中部水毁速率分别为38.03cm/h和7.71cm/h。在试验开始60min内,流速62.69cm/s时空白位于距离坡顶30cm的坡面中部靠上位置,空白宽15cm;流速42.81cm/s时空白位于距离坡顶45cm的坡面中部以下靠近坡脚的位置,空白宽5cm;到试验开始后510min时,两种流速下空白与坡顶的距离分别为9cm和20cm,空白宽20cm和8cm。以上情况见图3。

图3 水流流速与坡面空白至坡顶距离的关系

根据以上结果,流速较大工况下水毁速率快,而空白位置接近坡顶时流速较小工况下空白发展速率反而增大。原因在于,流速较大会在试验初期对坡脚产生强烈、快速淘刷,空白发展快速;此后随着冲坑深度的增大以及坍塌块石对冲坑的防护,淘刷影响持续减弱,空白发展速率也相应减弱,直至接近坡顶处淘刷作用基本消失,空白不在发展。流速较小工况下,试验开始60min以后空白发展速率便趋于缓慢。

2)防崩层。坡面抛石空白的发展还与坡脚防护有关。如果坡脚只进行外延防护,则近岸水流快速淘刷坡脚床沙,试验开始后10min内坡脚床面便表现出明显的变形迹象,坡脚处块石持续滚落;30min后坡面空白出现,且空白面积及增大速率随冲刷时间的增大而增大,位置也持续向坡顶移动;480min后,空白区完全上移至坡顶。而坡脚进行刚性防护时,整个试验过程中护岸块石均不会出现位移、坍塌,无空白区出现。故应选择刚性防护,保证岸坡稳定。

3)抛石级配。在62.69cm/s流速、1∶2.5坡比及双层抛护工况下展开试验,试验结果见图4。有图可知,试验开始180min内三种级配水毁速率较为接近,级配Ⅰ和Ⅲ水毁速率略小于级配Ⅱ;而试验开始180min后水毁速率进一步减缓。三种级配下空白宽度在1～3cm之间,级配Ⅲ条带状空白在坡面中部以上逐渐消失,护岸效果略好。根据试验结果,采用双层及多层抛石护岸时,上部块石会填补坡面空白区,粒径越小的块石下滑速度越快,填充时间也越短。

图4 级配与坡面空白发展的关系

4)护岸坡度。在试验流速62.69cm/s时按级配Ⅲ双层抛投。根据结果,在1∶3.0坡比下试验初期坡面存在零星空白且发展缓慢;试验进行至60min时,空白区基本固定在坡脚底部,并在水流冲刷及上下层块石间歇调整下逐渐减小消失。试验开始60min内1∶2.0及1∶2.5坡比空白发展速率分别为30cm/h和31cm/h,宽度为4cm和2.6cm,且均位于坡面中部以下;当试验进行至510min时,空白与坡顶的距离均为20cm左右,且空白向坡顶的发展过程基本停滞。坡比1∶2.0时的空白宽度最大,为7cm,其次为坡比1∶2.5,坡比1∶3.0时因上下层块石的自动调整,空白逐渐消失。

5)抛投层数。在试验流速62.69cm/s、坡比1∶2时按级配Ⅲ抛投,由图5试验结果可知,多层抛投时,试验初期条带状空白狭窄,试验进行一段时间后则成为零星状,且无明显扩大趋势;而单层和双层抛投时,试验开始60min内空白扩展速率及宽度迅速增大,单层比双层抛投更为明显,且在与坡顶相距20cm内两者水毁速率均下降。抛石空白在试验开始60min后缓慢增大,单层抛投下增速最快,多层抛投下最慢;在试验开始后510min时,单层和双层抛投下空白宽度分别为9.17cm和20.7cm,而多层抛投下,空白宽度仅为2.0cm,水毁并不明显。

图5 抛投层数与坡面空白发展的关系

4 结 论

综上所述,单个块石滚动失稳、块石团整体滑移及塌陷是豫宁西护岸主要的水毁破坏模式,对于天然河道而言,单个块石失稳滑动对护岸稳定性影响不大,而在岸坡地质条件的作用下,块石团整体塌陷模式发生的可能性也较小,故块石团整体滑移是该河岸最主要的失稳破坏模式。在2020年初豫宁西河岸治理过程中采取了文章所提出的方案,即在坡脚设置不被冲蚀的刚性防护,并采用文章级配Ⅲ所对应的天然块石级配比例,多层抛投以使岸坡抛护厚度达到相应标准。经过2年的运行,2022年初对该河岸岸坡稳定性展开检测,河岸单个块石、块石团整体均无明显的冲蚀和塌陷迹象,更不存在岸坡失稳破坏,抛石护岸加固效果良好。