何 源,張?jiān)霭l(fā),劉曙光,T,atiana Volkova

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092;2.鎮(zhèn)江市長江河道管理處,江蘇 鎮(zhèn)江 212001;3.莫斯科大學(xué)地理學(xué)院,莫斯科)

河道是陸地上一定流域內(nèi)地面徑流和地下徑流匯集并宣泄的水路,它由水流和河床這相互作用的兩方面構(gòu)成,水流沖刷著河床,同時河床也約束著水流,它們之間的這種作用是通過泥沙的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)水流條件較強(qiáng)而河床抗沖穩(wěn)定性較弱時,河床泥沙將被沖刷,嚴(yán)重時可能會產(chǎn)生大規(guī)模的崩岸,這不僅造成國土的流失,威脅河道兩岸的防洪安全,在通航河道還會對航運(yùn)的暢通產(chǎn)生不利影響[1-4]。崩岸的發(fā)生具有一定的普遍性,據(jù)20世紀(jì)90年代的統(tǒng)計(jì)資料,長江中下游干流河道岸線約長4000 km,其中崩岸段長度達(dá)1 500 km,占江岸長度的35.7%。因此,為了防止河道的大量沖刷甚至崩岸,維持比較穩(wěn)定、有利、生態(tài)的河床與岸坡形態(tài),人們往往在岸坡上采取工程措施,將有利河勢穩(wěn)定下來,這其中最主要的就是護(hù)岸工程。護(hù)岸工程是航道整治中一項(xiàng)最基本的工程,它在防洪、控制河勢、保護(hù)國土以及規(guī)范航道上都起著很重要的作用。

1 護(hù)岸概述

傳統(tǒng)意義上的護(hù)岸工程是采用塊石、混凝土或其它材料構(gòu)筑工程結(jié)構(gòu)或建筑物,通過穩(wěn)定水流、控制河勢,直接或間接保護(hù)河岸,并保持適當(dāng)?shù)乃畋阌谕ê降墓こ檀胧?。在國?nèi)已建的護(hù)岸工程中,大多使用塊石、混凝土等硬質(zhì)材料,但隨著近年來國內(nèi)外對生態(tài)護(hù)岸的逐漸強(qiáng)調(diào),以及新技術(shù)、新型式的不斷涌現(xiàn),人們更多的關(guān)注于使用與生物相容性較好的自然材料[5]。

在各種類型的護(hù)岸中,拋石護(hù)岸是一種古老的護(hù)岸型式,由于其材料來源豐富,施工簡單,便于維修養(yǎng)護(hù);抗沖性較強(qiáng),而且能較好適應(yīng)河床變形;同時,拋石岸面較為平順,對水流、河床的自然形態(tài)影響較小,因此至今一直得到普遍使用。而隨著人們對護(hù)岸生態(tài)性能的日益強(qiáng)調(diào),塊石作為一種天然材料,具有較強(qiáng)的環(huán)境友好性和交互性,在今后的護(hù)岸工程建設(shè)中必將仍會得到廣泛采用,或與其它生態(tài)材料相配合形成新型的生態(tài)護(hù)岸型式。因此有必要對拋石護(hù)岸結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,為今后的護(hù)岸設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

2 拋石護(hù)岸穩(wěn)定性

從穩(wěn)定的角度,為了保證護(hù)岸結(jié)構(gòu)的安全,拋石體必須滿足整體和單個塊體的穩(wěn)定性要求,可細(xì)分為3個方面進(jìn)行考慮:①護(hù)面層的整體穩(wěn)定;②單個塊體的起動穩(wěn)定;③塊體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。通常認(rèn)為,拋石結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)破壞是由起初少量塊石的失穩(wěn)而導(dǎo)致的一個鏈鎖破壞過程,可以說,單個塊體的穩(wěn)定性決定了整個拋石結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。而對于大部分平原河流來說,流速一般小于3 m/s,水流無法直接將塊石擊碎破壞,因此單個塊體的穩(wěn)定性問題,實(shí)際上就是塊石在水流等外力作用下的起動問題。經(jīng)研究,拋石護(hù)岸的破壞首先是從坡腳處開始,由于坡腳處塊石和泥沙的不斷起動流失,引起上部護(hù)面塊石的向下滑落從而整體失穩(wěn)。而且坡腳位于邊緣交界處,水流條件相對較強(qiáng),因此岸坡腳部的防沖對拋石岸坡的穩(wěn)定至關(guān)重要,可以說是拋石岸坡穩(wěn)定的決定性因素[6]。

2.1 穩(wěn)定粒徑公式

迄今為止,各國研究人員已經(jīng)對拋石護(hù)岸的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行過大量的理論研究和實(shí)驗(yàn),也提出了各家的穩(wěn)定性計(jì)算公式,這其中大部分公式是將單個塊體的起動穩(wěn)定性作為研究對象,并以塊石的抗沖穩(wěn)定粒徑作為指標(biāo)來表述的。研究人員大多以簡化的物理模型為依據(jù)進(jìn)行力學(xué)推導(dǎo),并通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)率定參數(shù)從而得到實(shí)用的計(jì)算公式,然而護(hù)面塊石在水流作用下的穩(wěn)定情況十分復(fù)雜,除了塊石自身的重量外,塊石間的摩擦、咬合、嵌固等阻礙力也起到了穩(wěn)定塊石的作用,而這些阻礙力或多或少都具有一定的隨機(jī)性和不可測性。因此,在理論上很難確定精確合理的物理力學(xué)模型,得出的計(jì)算公式大都屬于半理論半經(jīng)驗(yàn)范疇,有各自的使用范圍,不同公式計(jì)算出的結(jié)果通常也會出現(xiàn)較大差異。鑒于此,本文將對一些國內(nèi)外典型形式的塊石穩(wěn)定粒徑計(jì)算公式進(jìn)行分析對比,試圖找出其差異性,并通過引入安全系數(shù)來對各公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評價。現(xiàn)選取以下3個公式:

公式1:《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》 推薦公式[7-8]:

式中d為塊石穩(wěn)定粒徑(m);V為水流流速(m/s);g為重力加速度(9.81 m/s2);C為塊石運(yùn)動的穩(wěn)定系數(shù),水平底坡時取0.9,傾斜坡底取1.2;γS為塊石的重率(2.65 kN/m3);γ為水的重率(1 kN/m3)。

公式2:沙漠夫改進(jìn)公式[9]:

公式3:Shields準(zhǔn)則推導(dǎo)公式[10]:

觀察上述3個塊石穩(wěn)定粒徑的計(jì)算公式,除去γS等已知常量外,流速V是各公式中的主要變量,粒徑d與V的高次方成正比,可見流速的微小變化會對塊石穩(wěn)定粒徑產(chǎn)生較大影響,而對于其它次要因素,各式考慮的有所不同。公式1是根據(jù)斜坡上的塊石在發(fā)生滾動臨界狀態(tài)下的各力矩平衡條件建立的,穩(wěn)定粒徑的計(jì)算只與流速 V有關(guān),雖然也考慮到了岸坡傾斜的影響,但這種影響是粗略概化的,只是將岸坡各種傾斜程度劃分為水平(傾斜角θ=0)和傾斜(θ≠0)2種情況,并分別取不同的系數(shù)C來進(jìn)行處理;公式2則是以水平河床上的塊石起動平衡方程為基礎(chǔ),并考慮坡度影響系數(shù)得到的,式中除同樣以流速 V作為主要變量外,還體現(xiàn)了水深h和岸坡坡度m的影響;公式3是一種隱式的迭代格式,它由Shields起動判定準(zhǔn)則推導(dǎo)出來,考慮的更為全面,除流速V、水深h、坡度影響系數(shù)外,將水流紊動程度也作為一項(xiàng)影響系數(shù)體現(xiàn)在式中。

2.2 各公式的對比分析

為了反映各變量對穩(wěn)定粒徑計(jì)算大小的具體影響,現(xiàn)假定某一平原河段岸坡,選取塊石密度,天然休止角,可分別從以下幾個不同變量的角度對各公式進(jìn)行對比分析。

2.2.1 水深因素

令岸坡坡度m=2.5,分別作出水深h=5,10,20m時各式所計(jì)算的穩(wěn)定粒徑d隨流速V的變化曲線(見圖1),并根據(jù)斜坡上塊石安全系數(shù)的計(jì)算公式[11]繪出相應(yīng)的S～ V曲線(見圖2)

在不同水深下,各公式的計(jì)算粒徑均以流速的高次方增長,可見塊石穩(wěn)定粒徑對流速的變化非常敏感。而對3幅d～V圖進(jìn)行綜合對比,我們發(fā)現(xiàn)隨著水深的不斷增加,公式2和3的計(jì)算粒徑相應(yīng)的減小,說明相同情況下塊石被水流覆蓋越深,其所需的穩(wěn)定粒徑越小,公式1的計(jì)算曲線則沒有變化,沒有考慮水深改變的具體影響,而是采用了偏安全的系數(shù)進(jìn)行估計(jì),觀察上圖,在流速較小時,公式1的計(jì)算粒徑要大于公式2和3的計(jì)算結(jié)果,而一般平原河流流速較小,因此在實(shí)際工程中使用公式1可以得到偏大的結(jié)果。

圖1 不同水深下穩(wěn)定粒徑與流速關(guān)系(d～V)曲線

圖2 不同水深下安全系數(shù)與流速關(guān)系 (S～V)曲線

而從安全系數(shù)的角度分析,水深較小時,在流速較大區(qū),公式3算出的穩(wěn)定粒徑很大,然而相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)卻較小,甚至小于公式1和2計(jì)算出的較小粒徑的安全系數(shù),這說明在斜坡上的塊石,粒徑大小并不是其明確的穩(wěn)定指標(biāo),這是因?yàn)閴K石自重沿斜坡面的分量也是誘使塊石失穩(wěn)運(yùn)動的因素之一。因此在對岸坡進(jìn)行塊石護(hù)岸時,在滿足穩(wěn)定性要求時,塊石可盡量選取較小的粒徑。

2.2.2 坡度因素

再令水深h=10 m,分別作出岸坡坡度m=1.5、2.0、3.0時各式所計(jì)算的穩(wěn)定粒徑d隨流速V的變化曲線 (見圖3),并繪出相應(yīng)的 S～V曲線 (見圖4)。

圖3 不同坡度上穩(wěn)定粒徑與流速關(guān)系(d～V)曲線

圖4 不同坡度下安全系數(shù)與流速關(guān)系 (S～V)曲線

同水深因素影響類似,塊石所處的岸坡越緩,其越容易穩(wěn)定。在規(guī)范推薦的坡度1∶1.5～1∶3.5的范圍內(nèi),m=1.5是其中較陡的情況,此時公式2和3的計(jì)算結(jié)果在流速較大時S＜1,塊石不穩(wěn)定,而公式1計(jì)算粒徑相應(yīng)的安全系數(shù)雖也有所降低,但仍能滿足S＞1的穩(wěn)定條件。隨著m的增大,坡度逐漸變緩,各公式的計(jì)算粒徑有減小的趨勢,而安全系數(shù)卻不斷增加。

3 結(jié) 語

經(jīng)過上述分析,可以看出,《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》 推薦使用的公式1可適用于各種水深、坡度以及流速的情況,其計(jì)算結(jié)果均能保證一定的安全系數(shù),而且與其它2個公式相比較,公式1計(jì)算粒徑的安全系數(shù)比較穩(wěn)定,變化幅度較小,尤其在條件偏危險時 (水深小、坡度陡)仍能按一定的安全系數(shù)保證護(hù)岸塊石的穩(wěn)定性要求。而在水深、坡度等條件偏安全時,公式1的計(jì)算結(jié)果偏大,反而降低了護(hù)岸的安全系數(shù),因此筆者建議,在水深較大、坡度較緩等條件下進(jìn)行護(hù)岸設(shè)計(jì),在使用公式1確定塊石穩(wěn)定粒徑時,應(yīng)參考公式2和3的計(jì)算結(jié)果,乘以1個粒徑折減系數(shù),從而得到一個更為合理的結(jié)果。

[1]岳紅艷,余文疇.長江河道崩岸機(jī)理[J].人民長江,2002(8):20-22.

[2]徐永年,梁志勇,王向東,等.長江九江河段河床演變與崩岸問題研究 [J].泥沙研究,2001(4):41-46.

[3]王俊.安徽省長江護(hù)岸工程[J].人民長江,2002,33(8):18-19.

[4]亨普希爾.河渠護(hù)岸工程 (方案選擇及設(shè)計(jì)導(dǎo)則)[M].北京:中國水利水電出版社,2001.

[5]鐘春欣,張瑋.傳統(tǒng)型護(hù)岸與生態(tài)型護(hù)岸[J].紅水河,2006,25(4):136-139.

[6]應(yīng)強(qiáng),張幸農(nóng),張思和,等.不同粒徑塊石及其組合的護(hù)岸效果 [J].水利水運(yùn)工程學(xué)報,2009(2):44-49.

[7]中華人民共和國交通部.堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].北京:中國計(jì)劃出版社,1998.

[8]余文疇.拋石護(hù)岸穩(wěn)定坡度與粒徑的關(guān)系 [J].泥沙研究,1984(3):69-74.

[9]趙搏天,胡應(yīng)娜.拋石護(hù)岸設(shè)計(jì)方法簡析 [J].黑龍江水利科技,2009,37(4):301-302.

[10]張明光.拋石護(hù)岸工程設(shè)計(jì)中塊石粒徑的確定[J].人民長江,2003,34(2):24-25.

[11]邁克爾·A.史蒂文斯,達(dá)利爾·B.西蒙斯,加里·L.劉易斯,等.拋石護(hù)坡的安全系數(shù) [J].廣西水利水電,1979(2):56-71.