李 晶，喻 濤，王平義

（1.長江宜賓航道局 ，四川宜賓644000；2.重慶交通大學河海學院，重慶400074）

四面六邊透水框架構(gòu)筑心灘防護工程清水沖刷試驗研究

李 晶1，喻 濤2，王平義2

（1.長江宜賓航道局 ，四川宜賓644000；2.重慶交通大學河海學院，重慶400074）

四面六邊體透水框架作為一種航道整治建筑物廣泛應(yīng)用于長江中下游航道整治過程中并取得了較好的效果，但也存在大面積損毀現(xiàn)象。為此，通過水槽概化模型試驗，對四面六邊體透水框架群守護心灘時灘體及透水框架群變形特點進行了分析，結(jié)果表明：相同流量下，并非心灘淹沒程度越低，灘體沖刷破壞越嚴重；在框架群的下邊緣和兩側(cè)透水框架易發(fā)生位移；透水框架群應(yīng)用于淺灘整治工程時，框架桿件長度及總體布置方案應(yīng)進行優(yōu)化和論證。

四面六邊體透水框；心灘，水槽試驗；河床變形

四面六邊透水框架系原水利部西北水利科學研究所在20世紀90年代初研制成功的一種新型護岸工程技術(shù)［1］。近年來大量運用到長江中下游航道整治工程當中，其具有施工便利、促淤效果好等特點，能夠較好防止河床、灘面沖刷［2－5］。廣大科研工作者對此進行了大量的研究，周根娣等［6］測量了水槽中四面六邊透水框架和四面六邊實體塊尾流場的流速垂線分布和紊動量垂線分布，對比研究了兩者的水流結(jié)構(gòu)和防護機理；李若華等［7］通過理論分析、水槽試驗研究了低淹沒流動下穿越框架群水流的阻力特性；房世龍等［8］通過模型試驗，研究了在橋墩周圍拋投四面體透水框架進行防護的效果；劉倩穎等［9］通過水槽模型試驗研究了采用四面六邊透水框架守護心灘前后其附近的水流結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明四面六邊體透水框架具有較好的護灘效果；鄭英等［10］通過水槽試驗研究，表明四面六邊透水框架能有效地避免實體護岸工程基礎(chǔ)被淘刷而影響自身穩(wěn)定問題，且適應(yīng)河床地形變化能力強。

由此不難發(fā)現(xiàn)四面六邊透水框架是一種固沙保灘較好的航道整治建筑物，但實際過程中其也會發(fā)生大面積水毀（框架群散落、桿件對接處脫落及桿件斷裂等）的現(xiàn)象，現(xiàn)有研究多著眼于四面六邊透水框架周圍水力特性的研究，忽視其與床面之間相互作用的關(guān)系，因此，本文通過概化水槽模型試驗，研究了透水框架周圍的河床變形及其自身的穩(wěn)定性問題，對于工程設(shè)計及施工具有參考價值。

1 試驗設(shè)計及方案

1.1 試驗水槽及透水框架布置

由于三峽水庫蓄水運行之后，受水庫攔沙作用，水庫下游含沙量較蓄水前減小很多，且本文研究對象處于長江中游，因此試驗中上游來沙情況不予考慮 ，試驗設(shè)計為動床清水沖刷［11－12］。

試驗在長×寬×高＝25m×3m×0.6m的矩形玻璃水槽中進行。水槽底部平鋪長25 m、厚20 cm的動床段，水槽中部用模型沙塑造心灘形態(tài)，最長處為4m，最寬處為1.2m，長寬比為3.33∶1，心灘高度為10 cm，長度方向的坡率為1∶9，寬度方向的坡率為1∶5，模型沙級配由所在河段河床實測級配確定（圖1）。四面六邊透水框架群的布置區(qū)域為5＃斷面～8＃斷面，呈單層條狀間隔分布。四個透水框架角角相連為一組，框架緊密相連布置在灘面上，在總結(jié)分析已有研究成果基礎(chǔ)上，確定透水框架群寬度及間隔距離均為20 cm［13］，見圖2。

1.2 四面六邊體透水框架的模擬

原型混凝土四面六邊透水框架是一種預制的鋼筋混凝土構(gòu)件，由六根長度相等的桿件相互連接構(gòu)成，呈正三棱椎體［14］。四面六邊透水框架桿件橫斷面尺寸為10mm×10mm，長度一般有為1m、0.8 m和0.6m三種，混凝土采用C20強度。

本次試驗模擬桿件長度為1m的框架。正式試驗前經(jīng)過反復研究，透水框架桿件最終確定采用直徑φ＝1.8mm的鋁條進行模擬。透水框架制成后隨機選擇20個進行稱重，計算可知每個框架質(zhì)量約為0.693 g，與按模型比尺設(shè)計的框架質(zhì)量（0.669 g）相對誤差不大于5.0%；單根框架桿件的橫斷面面積為2.54mm2，與按模型比尺設(shè)計的橫斷面面積相對誤差約為8% ，符合重力相似要求［15］。制作完成后的單個模型透水框架及透水框架群如圖3所示。

圖1 模型沙級配圖

圖2 四面六邊透水框架拋投方式及斷面布置

圖3 模型透水框架實物圖

1.3 試驗方案設(shè)計

清水沖刷試驗設(shè)計主要以心灘淹沒時的灘頂流速為主要控制條件，同時要考慮對比不同流量及水深時心灘周圍在透水框架群守護后的沖淤變形特點，具體試驗工況見表1。動床清水沖刷時間以床面達到?jīng)_淤平衡為準則，一般約為8 h。

表1 清水沖刷試驗工況表

2 試驗分析

2.1 透水框架周圍河床變形分析

經(jīng)過清水沖刷試驗后整個河床地形及透水框架破壞情況見圖4，研究沖刷后河床形態(tài)及試驗中灘體及框架群沖刷及破壞特點，可知透水框架群守護后心灘周圍河床變形特征表現(xiàn)為：

圖4 各種工況下透水框架守護時沖刷后照片

（1）從沖刷后的整個河床形態(tài)看，四面六邊透水框架群守護心灘后，灘體兩側(cè)及灘頂表面流速降低幅度較大，心灘抗沖刷能力顯著增大，水毀程度及范圍明顯較小，說明達到了預期的守護效果。灘體沖刷由灘面沖刷和灘體兩側(cè)沖刷并相互影響而完成，透水框架群守護后沖刷作用會明顯降低。由于透水框架群守護形式呈間隔帶狀，漫灘和兩汊水流的沖刷作用削弱明顯，8＃斷面上游的灘體部分受透水框架群直接防護，沖刷破壞較小，灘體高程基本不變，框架群及間隔出現(xiàn)細顆粒泥沙落淤；8＃斷面下游的灘體部分，由于未受透水框架群直接守護，破壞及沖刷現(xiàn)象較為明顯。同時，左右兩汊也分別出現(xiàn)受水流沖刷后形成的深槽，沖刷最深部位均出現(xiàn)在8＃斷面上游。透水框架群也發(fā)現(xiàn)存在局部水毀現(xiàn)象，表現(xiàn)為透水框架在頂沖水流流速較大時會發(fā)生不同程度的位移，灘面上框架群出現(xiàn)散落；部分位于灘體兩側(cè)的透水框架滾落至灘體坡腳處，甚至有部分處于河床交界處與灘體兩側(cè)的透水框架在沖刷過程中不斷下沉被床面泥沙覆蓋。

（2）從沖刷發(fā)展過程看，透水框架群守護心灘后，透水框架拋投區(qū)域下游某一位置，首先出現(xiàn)細小沙紋，此后這種細小沙紋逐漸發(fā)展至下游灘面，最終整個灘面被細小沙紋覆蓋；同時，未被守護的灘體側(cè)面部分也出現(xiàn)大小不一的沙紋；此時，框架群間隔帶及其所在區(qū)域出現(xiàn)不同程度的泥沙淤積。隨著沖刷時間的延長，心灘頂部的細小沙紋逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨灤┱麄€灘頂?shù)拇笊巢?，并與灘體側(cè)面沙波連成一片，形成心灘的沖刷和破壞。左右兩汊被水流沖刷而成的河槽最深處均出現(xiàn)在8＃斷面上游，這是由于心灘被守護區(qū)域沖刷量很小，灘體形狀改變較小，但8＃斷面下游部分由于未被守護致使其沖刷破壞較嚴重，灘體在橫向上變窄，使得支汊河道變寬，故在框架群守護區(qū)域下游對應(yīng)的汊道以下河段，容易形成漸變放寬段，因此，位于放寬段上游河寬變化大不的區(qū)域，在水流長時間的沖刷作用下，河床容易下切并形成深槽。

（3）流量相同時，灘體破壞程度與心灘被淹沒程度沒有直接關(guān)系，即水位較低時灘體破壞程度不一定大。對比分析工況2和工況3時灘體沖刷變形情況，可以發(fā)現(xiàn)工況2下心灘剛好淹沒，此時水深與灘頂齊平，而工況3灘頂以上水深有4 cm，透水框架沒有守護心灘，工況3時心灘沖刷程度較工況2為輕，在透水框架守護心灘后，工況3時心灘沖刷程度較工況2為重，這是由于透水框架守護心灘后，沖刷過程中，下游未守護的灘體受上游守護灘體的保護作用，使得左右兩汊水流對灘體兩側(cè)沖刷下切作用達到一定程度后逐漸衰弱；工況2時由于水流沒有漫灘，只是心灘兩個側(cè)面遭受水流沖刷，在灘體頭部透水框架的守護下，沖刷達到一定程度后兩側(cè)沖刷開始減弱并逐漸趨于穩(wěn)定；而工況3時水流漫灘，心灘兩個側(cè)面遭受水流沖刷外，灘頂處也要遭受沖刷，透水框架群雖然能夠起到減速促淤的作用，但當其阻力達到一定程度后，水流越過透水框架群頂部會形成跌水，對下游灘面形成較強的沖刷。

（4）水深相同時，流量越大灘體沖刷變形越嚴重，這是由于水深相同時，流量越大流速越大，水流對灘面及灘體兩側(cè)的沖刷能力越強，使得灘體沖刷變形越嚴重。

2.2 透水框架自身穩(wěn)定性分析

透水框架結(jié)構(gòu)的桿件之間是通過預埋在混凝土內(nèi)部的預留鋼筋焊接的［16］，其自身強度較高，且在實際工程應(yīng)用中，少量透水框架自身結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象是由于在水中浸泡銹蝕或重量較大的漂浮物撞擊造成的。試驗中的水流與天然河道水流不同，因此試驗中透水框架的穩(wěn)定性分析主要考慮透水框架在水流及泥沙運動作用下發(fā)生的位移。透水框架之所以能夠起到減速促淤的作用，是由于它的存在使水流所受阻力增大，從而減小水流流速，起到護岸保灘的作用。力的作用總是相互的，透水框架在阻擋水流行近的同時，水流也對其產(chǎn)生一定的拖曳力和上舉力，當流速足夠大時，透水框架必然會在水流作用下發(fā)生運動。

通過動床清水沖刷試驗，觀測了透水框架群遭受沖刷時的變形特點，具體有以下兩種情形：（1）在框架群的周邊區(qū)域，框架與水流和泥沙直接作用，沒有受到其他框架的保護作用，此處流速也較大，致使這部分透水框架較其他部位更容易移動，特別是心灘兩側(cè)的透水框架，由于兩側(cè)灘體為斜坡體，透水框架更易發(fā)生位移，但總體上框架移動的數(shù)量及范圍均較?。唬?）灘面上的透水框架會增加心灘灘面糙率，使得水流會在橫向上作出調(diào)整，水流向左右兩側(cè)汊道分流，隨著沖刷時間的延長，灘體邊緣未守護區(qū)域不斷遭受沖刷，并最終形成沖刷坑，使得框架在水流及自身重力作用下滑落入沖刷坑內(nèi)。

根據(jù)5種工況的最終沖刷效果來看，透水框架具有很好的減速及促淤功能，從圖5中可以發(fā)現(xiàn)框架群內(nèi)泥沙淤積量很大。工況5時來流流速最大，屬最不利情況，通過圖5中的沖刷過程圖，可以看出雖然少量的透水框架被水流沖散，但就框架群整體性來說仍然比較完整，依然可以發(fā)揮其應(yīng)有的守護功能。

2.3 透水框架的缺點及穩(wěn)定性增強措施

目前已有研究成果及本文試驗的分析可知四面六邊透水框架有諸多優(yōu)點，此處不加贅述，通過原型觀測及試驗發(fā)現(xiàn)其也有一定缺點，主要表現(xiàn)在：透水框架群為散拋在心灘上的結(jié)構(gòu)物，當來流流速較大時對框架形成頂沖，使散拋在灘面上的部分框架發(fā)生位移，在自身重力作用下灘體兩側(cè)框架會滑落至兩側(cè)支汊內(nèi)，降低了透水框架群拋投密度。此外，透水框架群本身具有一定高度，若其隨水流運動至主航道中，勢必會對船舶安全航行產(chǎn)生一定的影響。因此，在進行航道整治設(shè)計時應(yīng)結(jié)合整治河段河床演變特征及水沙動力條件，對透水框架桿件尺寸及總體布置方案應(yīng)進行優(yōu)化和論證，以選擇合適的整治方案及措施。

為增加四面六邊透水框架的穩(wěn)定性，施工時宜將框架連接起來形成框架群分層拋投；當框架群用于灘體邊緣防護時，灘體坡度不宜過大，有時需要適宜削坡防止其滑落；為了更好的守護心灘，可以采取透水框架和護灘軟體排相結(jié)合的形式，在軟體排容易水毀的部位拋投透水框架增強護灘建筑物的穩(wěn)定性，從而達到更好的整治效果。

3 結(jié) 論

（1）流量相同時，灘體破壞程度與心灘被淹沒程度沒有直接關(guān)系，即水位較低時灘體破壞程度不一定大。

（2）在框架群的下邊緣和兩側(cè)透水框架易發(fā)生位移；隨著沖刷時間的延長，灘體邊緣未守護區(qū)域不斷遭受沖刷，并最終形成沖刷坑，使得框架在水流及自身重力作用下滑落入沖刷坑內(nèi)。

（3）透水框架群應(yīng)用于航道整治尤其是淺灘整治工程時，應(yīng)結(jié)合具體河段地形及水力幾何條件進行框架桿件長度及總體布置方案的優(yōu)化和論證。

［1］ 周生利，劉常全，張 俊.混凝土四面六邊透水框架結(jié)構(gòu)在長江航道整治中的應(yīng)用［J］.水運工程，2012，（10）：102－106，114.

［2］ 汪奇峰.四面六邊形混凝土透水框架帶在長江航道整治工程護灘中的運用［J］.中國水運，2013，13（7）：165－166.

［3］ 劉莉莉，劉洪言.一種新型護岸構(gòu)件——透水框架在長江干堤護岸的應(yīng)用［J］.湖南水利水電，2000，（6）：32.

［4］ 羅 麟.四面六邊透水框架群在長江北尾河段護岸工程中的應(yīng)用［J］.湖南水利水電，2007，（2）：13－14.

［5］ 劉 剛.透水框架體水流特性及護岸應(yīng)用試驗研究［D］.南京：河海大學，2006.

［6］ 周根娣，顧正華 ，高 柱，等 .四面六邊透水框架尾流場水力特性［J］.長江科學院院報，2005，22（3）：9－12.

［7］ 李若華，王少東 ，曾 甄 .穿越四面六邊透水框架群的水流阻力特性試驗研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2005，（10）：64－66.

［8］ 房世龍，唐洪武 ，周宜林，等 .橋墩附近四面體透水框架拋投防沖效果試驗研究［J］.水科學進展，2006，17（3）：354－358.

［9］ 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.

［10］ 鄭 英，吳 伶，趙德玉，等.四面六邊透水框架護灘結(jié)構(gòu)效果水槽試驗研究［J］.水運工程，2012，（11）：127－132.

［11］ 王偉峰.心灘守護前后泥沙運動規(guī)律及沖刷變形特性研究［D］.重慶：重慶交通大學，2009.

［12］ 梁 碧.護心灘建筑物穩(wěn)定性研究［D］.重慶：重慶交通大學，2009.

［13］ 喻 濤.心灘守護前后水力特性研究［D］.重慶：重慶交通大學，2009.

［14］ 徐國賓，張耀哲.混凝土四面六邊透水框架群技術(shù)在河道整治、護岸及搶險中的應(yīng)用［J］.天津大學學報，2006，39（12）：1465－1469.

［15］ 王平義，喻 濤 .護心灘建筑物類型及穩(wěn)定性研究［D］.重慶：重慶交通大學，2009.

［16］ 王南海，張文捷，王 玢.新型護岸技術(shù)——四面六邊透水框架群在長江護岸工程中的應(yīng)用［J］.長江科學院院報，1999，16（2）：11－16.

Scouring Experiment Research on Diara Protective Constructions——Permeable Six－sided Tetrahedron Frame Groups

LIJing1，YU Tao2，WANG Ping－yi2
（1.Changjiang YibinWaterway Bureau，Yibin，Sichuan 644000，China；2.School of River and Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

As a regulating structure in waterway，permeable six－sided tetrahedron frame groups are widely used in the process of themiddle and lower reachesof Yangtze Riverwaterway regulationwith good results，but there are damages in large areas.Therefore，through a flume generalized model test，diara body and the deformation characteristics of the frame groupswere analyzed.The results indicate thatunder the same flow rate，the diara inundated degree is not in direct proportion with the scouring damage of the beach body ；the bottom edges and both sides of the permeable frame groups are prone to displacement；when the frame groups are applied in shoal regulations，the length of the frame bars and the overall layout scheme should be optimized and verified.

permeable six－sided tetrahedron frame；diara；flume experiment；riverbed deformation

TV131.61；TV332.13

A

1672—1144（2014）04—0050—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.009

2014－02－24

2014－03－21

西部交通建設(shè)科技項目（200732800006；2009328814012）

李 晶（1969—），男 ，四川瀘州人 ，高級工程師 ，主要從事航道整治工程科研與管理工作。