馬愛興，曹民雄，王秀紅，蔡國正

(南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029)

長江中下游河岸側(cè)或河心處常存在邊灘、心灘或洲頭低灘等灘體，這些灘體常在中水時淹沒，枯水時出露，是河道內(nèi)中枯水流動的依托邊界，是航槽穩(wěn)定與暢通的基礎(chǔ).為了維持航槽的穩(wěn)定，常采用護灘建筑物對正處于演變周期中河勢條件較好、灘體較為高大完整的灘槽加以守護.

目前長江中下游常用的護灘建筑物型式為軟體排護灘——護灘帶，工程實踐中以X型系混凝土塊軟體排應用較為廣泛.在周天河段清淤應急工程、碾子灣河段、張家洲水道、界牌河段、東流河段、石首河段航道整治工程，以及武漢河段天興洲洲頭守護等工程中X型系混凝土塊軟體排均有應用［1－4］.但在實際應用中，護灘帶出現(xiàn)了不同程度和類型的損毀，影響了灘體守護效果和航槽穩(wěn)定，本文旨在分析護灘帶損毀的影響因素及其損毀機理，進而提出相應的措施供設計參考.

1 護灘帶結(jié)構(gòu)型式、護灘原理及損毀類型

長江中下游航道整治中常用的X型系混凝土塊軟體排由排墊和壓載體組成［2］:排墊采用聚丙烯土工編織布縫制而成，一般沿排體寬度方向每隔50cm設1根寬5cm的縱向加筋條，用于加固系接條和增加排墊抗拉強度;在縱向加筋條底下設有每2根1組的防老化型滌綸系接條，用于系接壓載體.排上壓載體為正方形C20混凝土塊，尺寸為45cm×45cm×8cm(長×寬×厚)，單塊質(zhì)量38.88kg，在混凝土塊內(nèi)預埋2根3cm×105cm(寬×長)的系接條，用于排墊與壓載體系接.X型系混凝土塊軟體排結(jié)構(gòu)布置見圖1.

圖1 X型系混凝土塊軟體排結(jié)構(gòu)示意圖(單位:cm)Fig.1 Sketch of the X-shape flexible mattress with concrete blocks tied(unit:cm)

護灘帶護灘原理是隔離較大流速的水流直接作用于受護灘面，使得受保護的灘面難以沖刷，進而守護灘體.護灘帶整體上護灘效果明顯［5］，但工程應用中護灘帶經(jīng)過一定的水沙作用后，出現(xiàn)了不同程度及不同類型的破壞，如排體邊緣塌陷、懸掛、排體中部鼓包或塌陷等(見圖2).文獻［2］和［6］對護灘帶的破壞類型進行了歸納，總體上可分為5個破壞類型:(1)邊緣塌陷型;(2)排體中部塌陷或鼓包;(3)邊緣形成陡坡，邊緣排體變形較大甚至懸掛;(4)邊緣排體下部河床局部淘刷，形成空洞;(5)排體基礎(chǔ)整體沖刷坍塌.

圖2 工程中護灘帶破壞情況Fig.2 The failure of beach protection band in practical project

根據(jù)文獻［7－8］中的試驗觀測，護灘帶在灘腳附近出現(xiàn)懸掛、架空、撕裂等破壞，或者灘面護灘帶出現(xiàn)塌陷或鼓包，造成護灘帶破壞(見圖3).

圖3 試驗中護灘帶破壞情況Fig.3 The failure of beach protection band in test

2 護灘帶損毀過程及影響因素

2.1 損毀過程分析

根據(jù)清水沖刷試驗過程中對護灘帶損毀過程的觀測［7－8］，清水沖刷開始階段，因水流流速較大，且又為不飽和挾沙，護灘帶守護范圍以外的灘面及上下游床面泥沙開始成層下移，床面開始進入沖刷下切階段.此時護灘帶邊緣灘面逐漸沖刷下切形成沖刷坑，因護灘帶整體具有一定延展性(適應一定河床變形的能力)而逐漸下降貼合灘面護灘，當床面下切到一定程度或發(fā)生不均勻沖刷，且沖刷下切強度超過護灘帶的變形能力時，因護灘帶塊體本身為剛性構(gòu)件，使得護灘帶邊緣部分出現(xiàn)“架空”、“懸掛”現(xiàn)象，護灘帶破壞，水流淘刷其底部泥沙，由于淘刷的不均勻性，護灘帶與灘面間出現(xiàn)空隙，水流從護灘帶下部穿過，直接作用于受護灘面，護灘帶底下泥沙發(fā)生運動，使得護灘帶某些部位發(fā)生鼓包、塌陷現(xiàn)象，當護灘帶下泥沙沖淤變形的幅度大于護灘帶變形能力時，護灘帶出現(xiàn)撕裂破壞.

隨著上下游床面及灘面沖刷下切，水深增加，并形成一定規(guī)模的沙波運動，引起床面阻力增加，流速及水面比降減緩，限制了灘面繼續(xù)沖刷下切，河床處于沖淤平衡階段.

2.2 損毀影響因素分析

護灘帶損毀機理較為復雜，影響因素較多，破壞的關(guān)鍵在于護灘帶附近局部沖刷坑的形成與發(fā)展，其損毀的主要因素包括水流條件、河床組成、護灘帶自身的結(jié)構(gòu)、平面布置以及護灘帶施工工藝等.

(1)水流條件 水流條件是造成護灘帶破壞的動力因素，也是根本原因;主要包括流速大小、水流作用時間的長短、護灘帶破壞部位的水深大小等.水流流速及作用時段的長短直接關(guān)系到護灘帶邊緣未護灘面沖刷坑的形成范圍、深度及其發(fā)展.水深大小一方面關(guān)系到水流漫灘與否，護灘帶是否受水流作用;另一方面也關(guān)系到護灘帶上動水壓力大小，是加速護灘帶出現(xiàn)“懸空”、“架空”后破壞的動力因素.

(2)河床組成 河床組成主要與泥沙粒徑有關(guān)，泥沙粒徑的大小決定了河床的可動性.河床的組成與水流條件共同作用下，形成了護灘帶邊緣的局部沖刷坑.

(3)護灘帶自身的結(jié)構(gòu) 主要與護灘帶上的混凝土塊質(zhì)量、系結(jié)方式、排體接縫的連接方式、編織布及系結(jié)條抗拉強度等有關(guān).混凝土塊質(zhì)量關(guān)系到塊體能否有效壓載排體，系結(jié)方式、排體接縫的連接方式、編織布及系結(jié)條抗拉強度關(guān)系到護灘帶抵抗破壞的能力.

(4)平面布置型式 目前護灘帶的平面布置主要有間隔守護、集中守護與間隔守護相結(jié)合、整體守護.對護灘效果而言，整體守護效果最好，但缺乏經(jīng)濟性;其次為集中守護與間隔守護相結(jié)合;最后為間隔守護.

(5)施工工藝 主要與施工質(zhì)量、排體搭接寬度、護灘帶邊緣壓載情況、排體的加筋方式等有關(guān).排體搭接寬度較小時，當沖刷坑發(fā)展至2塊以上排體受護區(qū)域時，搭接處河床易出露，使得沖刷向護灘帶內(nèi)部發(fā)展;受加工工藝限制，編織布多只采用縱向加筋，使得排體延展性不足以適應河床較大幅度的變形，排體“懸空”、“架空”后，排體上的拉力大于抗拉強度時發(fā)生撕裂.

綜上所述，流速是護灘帶破壞的動力因素，灘面泥沙粒徑與較大流速共同作用后，局部沖刷坑的形成與發(fā)展是護灘帶破壞的誘發(fā)原因，編織布、系結(jié)條及接縫部位的抗拉強度不夠是護灘帶破壞的直接原因.

3 護灘帶損毀機理分析

3.1 護灘帶塊體間脈動力變化

在沖刷發(fā)展過程中，護灘帶邊緣區(qū)域水流結(jié)構(gòu)復雜，紊動強度大，造成護灘帶塊體間存在一定的脈動力，當塊體間所受的脈動力為脈動強度較大的拉力時，可加劇護灘帶的損毀.試驗表明護灘帶塊體間脈動力大小的變化與護灘帶邊緣灘體沖刷變形過程有關(guān)［9］:沖刷初始階段，由于水流紊動強度大，護灘帶邊緣沖刷發(fā)展很快，護灘帶的變形嚴重，護塊與護塊之間的脈動力主要為脈動拉力，且增幅較快，沖刷至某一階段，脈動拉力達到最大值.之后，隨著沖刷時間的增長，沖刷坑逐漸達到?jīng)_刷平衡，護灘帶變形逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，護塊與護塊之間脈動力變化也變緩并漸趨穩(wěn)定.

3.2 護灘帶損毀受力分析

從護灘帶單個混凝土塊體及護灘帶受力角度對損毀機理進行分析，位于灘體斜坡上的護灘帶邊緣混凝土塊體受力情況見圖4.假設灘體沿灘寬方向坡度為α，混凝土塊尺寸c×b×h(長×寬×高)，混凝土塊主要由塊體內(nèi)的系結(jié)條與縫合在排墊、加筋條之間的系結(jié)條聯(lián)結(jié)而成.

混凝土塊在灘體上主要受有效重力W'，水流拖曳力FD，上舉力FL，動水壓力P，排墊阻礙塊體運動的拉力F1和F2，塊體間的脈動力F'1和F'2，灘面對塊體的摩擦力f1和f2，灘體對混凝土塊的支撐力FN.

拖曳力FD，上舉力FL及混凝土塊有效重力W'一般表達式為:

式中:u0為水流底速;CD為拖曳力系數(shù);CL為上舉力系數(shù);c，b，h分別為塊體長、寬、高;k1為塊體垂直水流方向的投影面積系數(shù)，θ為底流與塊體長度方向夾角，β=arctan(b/c);γs為混凝土塊重度;γ為水的重度.

圖4 護灘帶邊緣塊體受力分析示意圖Fig.4 Stress analysis on edge block of beach protection band

動水壓力P為流動水流對塊體的時均壓力和脈動壓力之和.F1和F2分別為系結(jié)條、加筋條、排墊阻礙塊體分別沿塊體長度(縱向)和寬度(橫向)方向運動的拉力，與系結(jié)條、加筋條、排墊本身抗拉強度有關(guān).當外力超過其抗拉強度時，系結(jié)條、加筋條、排墊可能出現(xiàn)緊繃或撕斷，使得排墊或灘面暴露于水面，護灘效果減弱.

根據(jù)混凝土塊體受力平衡得到F1，F(xiàn)2和FN表達式:

由式(4)～(6)可知，護灘帶塊體受力主要與塊體材料(γs)與尺寸(b，c，h)、水流特性(P，F(xiàn)'1，F(xiàn)'2，u0，θ，γ)、灘體形態(tài)(α)及灘面泥沙特性等有關(guān);對于單個塊體，護灘帶破壞與否，主要取決于支撐力FN是否大于塊體自身強度，拉力F1，F(xiàn)2是否大于系結(jié)條、加筋條、排墊抗拉強度.由于塊體本身強度較大，一般不易受水流作用而破壞，塊體附近護灘帶破壞主要因系結(jié)條、加筋條、排墊受力大于其抗拉強度，從而引起系結(jié)條斷裂、塊體脫離排墊或排墊撕毀，塊體脫離排墊后，與其他壩體撞擊后容易碎裂.

在護灘帶邊緣由于水流淘刷，逐漸形成沖刷坑，坡度逐漸變陡，此時，由于護灘帶具有一定延展性，護灘帶逐漸下降貼合受沖灘面，邊緣塊體也貼合灘面，護灘帶仍保護受沖灘面，由于α值較大，且塊體間脈動力(主要為脈動拉力)F'1和F'2較大，使得系結(jié)條、排墊受到的拉力F1和F2也較大，此時，系結(jié)條可能出現(xiàn)緊繃或撕斷，塊體移動或脫落，護灘效果減弱.實際工程中系結(jié)條斷裂、塊體脫離排墊的破壞情況見圖5.

隨著護灘帶邊緣沖刷坑的發(fā)展及不均勻沖刷的發(fā)生，在沖刷坑達到一定深度時，受護灘帶整體延展性限制，邊緣排墊出現(xiàn)“懸掛”、“架空”等變形現(xiàn)象，其受力示意圖分別見圖6和7.

灘腳部位的護灘帶邊緣出現(xiàn)“懸掛”變形時，單寬“懸掛”排墊最大受力T1，位于排墊懸掛附近的灘體接觸面處(圖6)，T1可表示為:

式中:C1為與排墊延展率有關(guān)的系數(shù);L1為排墊懸掛長度;q1(x)為單寬“懸掛”護灘帶上受力(有效重力及動水壓力之和)分布.

圖5 護灘帶系結(jié)條斷裂、塊體脫離排墊的破壞情況Fig.5 Destruction of tied rope's rupture and block's sliding from cushion layer

圖6 灘腳處護灘帶邊緣“懸掛”受力示意圖Fig.6 Stress analysis on edge hanging of beach protection band

圖7 護灘帶邊緣“架空”受力示意圖Fig.7 Stress analysis on edge overheading of beach protection band

隨著沖刷坑變深直至陡峭，“懸掛”排體長度變長，沖刷坑紊動強烈，q1加大，當q1加大至一定程度或T1作用位置處塊體間脈動拉力瞬時增大時，T1大于排墊極限抗拉強度，從而該處排墊撕裂、系結(jié)條斷裂、塊體脫落，進而使得灘面暴露，并直接受水流沖刷，沖刷坑向護灘帶內(nèi)部發(fā)展，護灘帶破壞也向護灘內(nèi)部發(fā)展，圖2(b)和圖3中左圖可認為是此類破壞情況.

在灘面上的護灘帶邊緣部分“架空”變形時(如圖7)，單寬“架空”排墊最大受力T2，位于排墊架空兩側(cè)，可表示為:

式中:L2為護灘帶邊緣沖刷坑寬度;q2(x)為單寬“架空”護灘帶的受力(有效重力及動水壓力之和)分布.

沖刷坑初始形成階段，護灘帶邊緣受沖刷坑周邊支撐，排墊兩側(cè)受力相對較小.隨著沖刷坑的發(fā)展及灘面不均勻沖刷的發(fā)生，排墊逐漸“架空”于灘面之上，“架空”的排體長度逐漸變大，排體上水深增加，單寬“架空”護灘帶的有效重力及動水壓力增加，“架空”兩側(cè)排墊受力越來越大，當單寬“架空”護灘帶的有效重力及動水壓力增加到一定程度或T2作用位置處塊體間脈動拉力瞬時加大，兩側(cè)排墊受力T2大于排墊極限抗拉強度，“架空”兩側(cè)排墊出現(xiàn)撕裂、系結(jié)條斷裂、塊體脫落，撕裂處灘面失去保護，直接受水流沖刷，沖刷坑繼續(xù)向兩側(cè)發(fā)展，直至護灘帶邊緣部分完全破壞，圖2(a)可認為是此類破壞情況.

對于護灘帶內(nèi)部出現(xiàn)塌陷破壞也可按照護灘帶邊緣“架空”的受力進行分析，破壞機理類似，不同之處是邊緣“架空”時排墊受灘體的三面支撐，而護灘帶內(nèi)部塌陷時，排墊四面均受灘體支撐，圖2(d)和圖3中右側(cè)圖可認為是這類破壞情況.

3.3 護灘帶損毀機理

從上述護灘帶破壞受力分析來看，護灘帶破壞的主要機理為:水流沖刷未護灘面后，護灘帶邊緣沖刷坑形成，水流紊動加劇，護塊間的脈動力迅速增加，因護灘帶具有一定延展性，排體下降貼合受沖灘面繼續(xù)護灘，當沖刷坑坡度較陡時，系結(jié)條可能出現(xiàn)緊繃或撕斷，塊體移動或脫落，護灘效果減弱;隨著沖刷坑的繼續(xù)發(fā)展，受護灘帶整體延展性限制，邊緣排墊出現(xiàn)“懸掛”、“架空”等變形，使得原受護灘面直接受水流淘刷，當沖刷坑發(fā)展到一定階段，變形的護灘帶上受力(有效重力及動水壓力之和)達到一定值，或塊體間脈動拉力瞬時加大時，護灘帶變形一側(cè)或兩側(cè)的排墊受力大于其極限抗拉強度，排墊撕裂，系結(jié)條斷裂、塊體脫落，護灘帶破壞，撕裂處灘面失去保護，直接受水流沖刷，沖刷坑向護灘帶內(nèi)部發(fā)展.

4 護灘帶損毀應對措施

從護灘帶損毀的原因及機理來看，護灘帶破壞主要是排體邊緣沖刷坑的形成并向排體內(nèi)部發(fā)展，造成排體變形過大，超出排體自身抗拉強度，因而，抑制護灘帶邊緣沖刷坑的形成與發(fā)展，同時增大排體自身強度是應對護灘帶損毀的重要措施:(1)在護灘帶邊緣拋四面六邊透水框架，文獻［7－8，10－11］對四面六邊透水框架(以下簡稱“框架”)的護灘效果進行了試驗研究，結(jié)果表明框架護灘效果良好，特別是水流頂沖部位，適應河床變形能力強.四面六邊透水框架護灘原理與護灘帶不同，框架主要通過增大灘面阻力，減小灘面流速，使得灘面流速小于泥沙起動流速而保護灘體，同時，因框架本身為散拋體，能適應灘面的較大變形.因此，在護灘帶邊緣特別是受水流頂沖的邊緣部位拋一定的四面六邊透水框架，可防止護灘帶邊緣沖刷坑的發(fā)展，從而起到護灘帶邊緣防護作用.在周天河段等航道整治工程中曾采用四面六邊透水框架群對軟體排邊緣進行處理，工程效果較好.(2)增大排體自身抗拉強度，如將接縫處改縫接為搭接處理，可大大增加接縫處抗拉強度，目前D型排采用的接縫處理方式即為搭接處理.此外，選擇合理的平面布置型式對護灘帶的穩(wěn)定也起到重要作用.

5 結(jié)語

通過對護灘帶損毀過程的試驗觀測、損毀影響因素分析、護灘帶塊體間脈動力及塊體、排體受力分析，研究了護灘帶損毀機理，主要結(jié)論如下:(1)護灘帶主要發(fā)生邊緣塌陷、懸掛，排體中部鼓包、塌陷等破壞類型.(2)流速是護灘帶破壞的動力因素，局部沖刷坑的形成與發(fā)展是護灘帶破壞的誘發(fā)原因，編織布、系結(jié)條及接縫部位的抗拉強度不足是護灘帶破壞的直接原因.(3)護灘帶破壞的主要機理為:護灘帶邊緣沖刷坑形成，排體下降貼合受沖灘面繼續(xù)護灘，當沖刷坑較陡時，護塊間系結(jié)條可能出現(xiàn)緊繃或撕斷，塊體移動或脫落，護灘效果減弱;隨著沖刷坑的發(fā)展，邊緣排墊出現(xiàn)“懸掛”、“架空”等變形，原受護灘面受水流淘刷，至沖刷坑發(fā)展到一定階段，護灘帶變形側(cè)的排體受力大于其抗拉強度，排布撕裂，系結(jié)條斷裂，塊體脫落，護灘帶破壞，撕裂處灘面失去保護，直接受水流沖刷，沖刷坑向護灘帶內(nèi)部發(fā)展.(4)應對護灘帶損毀的重要措施:在護灘帶邊緣特別是受水流頂沖的邊緣部位拋一定的四面六邊透水框架，增大排體自身的抗拉強度，選擇合理的平面布置型式等.

［1］李志江，段婓，李偉林.X型排在長江中下游護灘工程中的應用［J］.水運工程，2007(4):88-89.(LI Zhi-jiang，DUAN Fei，LI Wei-lin.Application of X-shape mattress in beach protection project on the middle＆ lower reaches of the Yangtze River［J］.Port＆ Waterway Engineering，2007(4):88-89.(in Chinese))

［2］譚倫武，崔承章.長江中游航道整治護灘帶穩(wěn)定性關(guān)鍵技術(shù)研究［R］.武漢:長江航道規(guī)劃設計研究院，武漢大學，2006.(TAN Lun-wu，CUI Chen-zhang.Study on key technology of beach protection band's stability of channel regulation in middle reach of Yangtze River［R］.Wuhan:Changjiang Waterway Planning Design and Research Institute，Wuhan University，2006.(in Chinese))

［3］劉懷漢，付中敏，陳婧，等.長江中游航道整治建筑物護灘帶穩(wěn)定性研究［C］∥中國水利學會青年科技工作委員會.中國水利學會第三屆青年科技論壇論文集.鄭州:黃河水利出版社，2007:290-294.(LIU Huai-han，F(xiàn)U Zhong-min，CHENG Jin，et al.Study on beach protection band's stability of channel regulation structure in middle reach of Yangtze River［C］∥Youth Science＆ Technology Work Committees of Chinese Hydraulic Engineering Society.Proceedings of the Third Youth Forum on Science and Technology of Chinese Hydraulic Engineering Society.Zhenzhou:Yellow River Hydraulic Press，2007:290-294.(in Chinese))

［4］谷利華，岳紅艷，張杰.長江石首段航道整治工程行洪影響研究［J］.人民長江，2010，41(8):5-8.(GU Li-hua，YUE Hong-yan，ZHANG Jie.Study on influence of channel regulation project on flood discharge in Shishou Reach of Yangtze River［J］.Yangtze River，2010，41(8):5-8.(in Chinese))

［5］張秀芳，王平義，王偉峰，等.軟體排護灘帶的護灘效果研究［J］.水運工程，2010(12):98-103.(ZHANG Xiu-fang，WANG Ping-yi，WANG Wei-feng，et al.Beach protection with flexible mattress beach protection belt［J］.Port ＆ Waterway Engineering，2010(12):98-103.(in Chinese))

［6］王平義，楊成渝，劉曉菲.長江航道整治護灘建筑物模擬技術(shù)的研究［R］.重慶:重慶交通大學，2008.(WANG Ping-yi，YANG Cheng-yu，LIU Xiao-fei.Study on simulation technique about the beach building of the Yangtze River［R］.Chongqing:Chongqing Jiaotong University，2008.(in Chinese))

［7］曹民雄，蔡國正，王秀紅，等.邊灘水沙運動特點及護灘建筑物破壞機理研究［R］.南京:南京水利科學研究院，2008.(CAO Min-xiong，CAI Guo-zheng，WANG Xiu-hong，et al.Study on the characteristics of bar's flow ＆ sediment movement and beach protection band's failure mechanism［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2008.(in Chinese))

［8］曹民雄，馬愛興，王秀紅，等.心灘水力特性及沖刷變形研究［R］.南京:南京水利科學研究院，2010.(CAO Min-xiong，MA Ai-xing，WANG Xiu-hong，et al.Study on the hydraulic characteristics and scouring deformation of central bar［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2010.(in Chinese))

［9］劉曉菲，王平義，楊成渝.X型系混凝土塊軟體排模擬技術(shù)［J］.水運工程，2011(2):102-107.(LIU Xiao-fei，WANG Ping-yi，YANG Cheng-yu.Simulation technique about X － type flexible mattress［J］.Port＆ Waterway Engineering，2011(2):102-107.(in Chinese))

［10］劉倩穎，王平義，喻濤，等.四面六邊透水框架群的護灘效果研究［J］.水運工程，2009(12):44-48.(LIU Qian-ying，WANG Ping-yi，YU Tao，et al.Study on beach protection with triangular taper penetrating frame groups［J］.Port＆ Waterway Engineering，2009(12):44-48.(in Chinese))

［11］陳飛，付中敏，劉懷漢.四面六邊框架結(jié)構(gòu)在航道整治工程中的應用［J］.水運工程，2010(11):98-102.(CHEN Fei，F(xiàn)U Zhong-min，LIU Huai-han.Application of tetrahedron-like penetrating frame groups in channel regulation［J］.Port ＆Waterway Engineering，2010(11):98-102.(in Chinese))