谷芳瑩，谷芳華，羅問桐，肖 汐，郭 喆，范魯曄

（1．河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州450000；2．武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，湖北 武漢430072）

我國河流的堤岸沖刷現(xiàn)象十分普遍，嚴重威脅堤防安全，崩岸險情屢屢發(fā)生，威脅到流域土地安全和航道穩(wěn)定，對人們的生產(chǎn)生活造成了惡劣影響。目前存在多種形式的拋投材料，利用其消能減沖是普遍采用的護堤形式。姚仕明等［1］研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)拋石護岸工程會因邊緣空隙位置遭沖刷而喪失穩(wěn)定性；毛佩郁等［2］總結(jié)說明土工織物的濾層設(shè)計準則不一，且面臨老化、變形等問題；蔡瑩等［3］研究表明混凝土四面體拋投材料強度較低，且工序繁瑣?；诖?，設(shè)計制作了帶有角刺的空心混凝土球體，其穩(wěn)定性高，可有效避免“年年拋，年年丟”的現(xiàn)象，長期經(jīng)濟效益可觀。該拋投體原料易得，制作工藝簡單，成本低，精度要求低，可根據(jù)實地情況現(xiàn)場靈活生產(chǎn)。該拋投體不但在工程造價和經(jīng)濟效益方面有明顯優(yōu)勢，而且在環(huán)保方面也可發(fā)揮巨大作用。

1 新型拋投材料介紹

1．1 結(jié)構(gòu)及尺寸

該拋投材料由混凝土材料整體澆筑而成，主體是空心球體，球殼表面分布有多個過水孔洞，粗糙表面岔出圓臺狀角刺（見圖1）。

拋投體尺寸可根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況調(diào)整，為便于施工，只需將尺寸控制在一定范圍內(nèi)，不設(shè)置精確尺寸?？紤]混凝土強度及消能效果要求，設(shè)置尺寸范圍如下：空心球體外徑30～60 cm，內(nèi)徑20～40 cm，過水孔洞直徑1～3 cm，圓臺狀角刺高3～5 cm、底面直徑3～5 cm、頂面直徑1～2 cm。

1．2 創(chuàng)新特色

該產(chǎn)品突破傳統(tǒng)拋投護岸材料多為實心的思維定式，采用圓臺狀角刺、孔洞與空心球體等基本結(jié)構(gòu)的有機組合，構(gòu)成了一種新型護岸拋投材料。

實心體的傳統(tǒng)拋投材料會發(fā)生水流繞流現(xiàn)象，加劇水流對堤腳土體的沖刷［4］。而該新型結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部空洞設(shè)計可使水流穿透表面，在內(nèi)部震蕩回旋，從而消耗大量動能，降低水流速度。粗短角刺設(shè)計可分散水流，使水流內(nèi)部的能量消耗加大，且多個結(jié)構(gòu)體外部的角刺相互牽絆形成的空心部分起到與內(nèi)部空洞相似的作用，實現(xiàn)二次消能，從而使消能效果顯著增強。

傳統(tǒng)拋投材料大多單面受力或多面受力差較大，受到的動水水壓大，易被破壞、沖走［5］。而該新型結(jié)構(gòu)體拋入后，其粗尖角刺可在河床土體生根，多個拋體同時投放時還可相互嵌合、卡扣，防止材料流失。一定厚度的混凝土外壁在保證結(jié)構(gòu)強度的同時，其本身的力學(xué)性能更優(yōu)，不易造成應(yīng)力集中。另外，結(jié)構(gòu)體預(yù)留的過水孔洞使向流面和背流面受到的動水壓強相位差小，自穩(wěn)能力強，可有效解決傳統(tǒng)拋投材料“年年拋，年年丟”的問題。

新型結(jié)構(gòu)體由水泥砂漿整體澆筑而成，原料易得，便于運輸，良好的自穩(wěn)性延長了其工作時間。與傳統(tǒng)的實體拋投材料相比，該結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部空心以及孔洞設(shè)計在保證消能效果的同時增大架空率，節(jié)省原材料，貫徹了綠色發(fā)展的理念。

2 效能分析

河道中導(dǎo)致河岸坍塌的主要原因是局部水流流速過大，水流對壁面的剪切力強，對河岸土體產(chǎn)生長時間高強度淘刷，造成土體流失［6］。因此，防沖護岸的最好方法就是拋投護堤材料來替代堤岸土體承受水流的沖擊作用，進而降低沖刷區(qū)域的來流能量，減小水流速度［7］。該新型材料特殊的帶刺空心球狀結(jié)構(gòu)在增強材料的消能減沖作用的同時，保證了其自身及整個護堤工程的穩(wěn)定性與持久性。

2．1 消能減沖作用

該拋投材料在拋入水流流速較大的水體后，會替代河岸土體承受水流沖擊。其中心空洞可使水流在內(nèi)部激蕩回旋，大量渦流在內(nèi)部形成、運動、分裂和互相摩擦，造成能量損耗，形成二次消能。多孔結(jié)構(gòu)在水流穿透的同時將水流分散，避免了水流的集中作用，在削弱水流沖擊力的同時改變了水流的流速分布，造成能量損失。而尖狀粗刺和粗糙表面的結(jié)構(gòu)通過撕裂、分散、挑走水流，在保證迎流面積的同時充分改變水流結(jié)構(gòu)，使水流內(nèi)部紊動加劇，產(chǎn)生渦流。

與傳統(tǒng)實體拋投材料相比，該材料的特殊結(jié)構(gòu)能使水流速度大幅減小，達到減沖護岸的目的。

2．2 穩(wěn)定持久作用

一方面，這種新型拋體上預(yù)留的過水孔洞使得向流面與背流面所受的動水壓強相位差顯著減小，同時避免了水流完全受阻后繞流形成的外部渦流、回流等，確保拋體在河道中的穩(wěn)定性，有效提高拋體的抗移動能力。而一定厚度的混凝土外壁則保證了其結(jié)構(gòu)強度，降低了拋體損耗率。

另一方面，這種帶有獨特的圓臺狀角刺設(shè)計的新型拋體在拋入水中后能夠有效嵌入河床土體，在基礎(chǔ)土體中生根。此外，各拋體之間還可以通過相互嵌合、卡扣，從而形成“拋體-河床”“拋體-拋體”的結(jié)合體，增強整個護堤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)拋體的長期效用。

3 消能效果模型試驗

3．1 試驗原理

為驗證新型拋投材料的消能效果，設(shè)計室內(nèi)模型概化試驗。模型結(jié)構(gòu)體與原型保持幾何相似，幾何比尺取1∶10。因混凝土塊排在傳統(tǒng)護岸拋投材料中應(yīng)用較廣，故采取相同幾何比尺制作混凝土塊排模型，以設(shè)置對比試驗。根據(jù)試驗對照原則，設(shè)置了空白與新型結(jié)構(gòu)體、空白與塊排兩組對照，測得投后能量改變情況，即可對比混凝土塊排及新型結(jié)構(gòu)體的消能效果。

忽略動水壓強部分，過水斷面的斷面比能為

式中：E為過水斷面的斷面比能；h為過水斷面上某點的位置水頭；v為該點的流速；g為重力加速度。

拋投材料模型的相對消能率η為

式中：E入為入流斷面的斷面比能；E出為出口斷面的斷面比能。

因兩種模型體積大致相同，故可認為二者造成的水深變化相等。在天然河道模型中設(shè)置對比試驗，分別測得放置兩種模型前、后河段的入流斷面及出流斷面的流速，即可測得兩種拋投材料模型的相對消能率。相對消能率越高，表明消能效果越顯著。

3．2 試驗布置

河槽模型設(shè)計見圖2，簡化天然河道自然地理條件，模擬自然岸坡邊界，將天然河道大致簡化為入彎段、出彎段、直線段。采用LS-508A型直讀式流速儀測量流速。

進行試驗前，在槽底鋪沙，以模擬天然河道岸坡條件，見圖3。打開水泵，調(diào)節(jié)閘門開度，改變流速大小至合適值，并調(diào)節(jié)流速儀參數(shù)。待水流及岸坡穩(wěn)定后，測定3個典型河段出段處測點的流速（每個點測量6次）作為空白對照；放入新型拋體模型，測得流速數(shù)據(jù)，取出后回測流速，以檢驗測量過程中邊界條件有無明顯變化。清空流道余水，恢復(fù)岸坡，拋入混凝土塊排模型進行下一組試驗（共進行6組試驗）。

3．3 試驗結(jié)果及分析

將兩種拋投材料模型放入河道模型后，測量河道內(nèi)水深變化，二者大致相同，故可忽略位置水頭對斷面能量的影響。在放置拋體模型前、后均進行定點流速測量，取流速未發(fā)生明顯改變的測量數(shù)據(jù)進行記錄，以消除拋料模型對岸坡條件的影響。在3個測點進行測量，每個測點測量流速6次，取平均值以減小誤差。測得的流量數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 新型拋體模型試驗數(shù)據(jù)

表2 混凝土塊排模型試驗數(shù)據(jù)

在新型拋體拋入河道模型后，可以明顯觀察到水流在拋體內(nèi)部回旋激蕩，圓臺狀角刺對較強的來流產(chǎn)生分散、疏導(dǎo)作用，下游水流呈扇形向后的輻射狀，見圖4；而實心的混凝土塊排則會加劇繞流，對岸坡造成較強的局部沖刷，存在局部流速變大的情況，見圖5。

二者在3個測點的相對消能率比較見圖6～圖8。由此可知，無論在何種河段內(nèi)，新型拋體模型的消能效果均顯著高于混凝土塊排模型的。

當把帶有圓臺狀角刺的空心混凝土球體護岸拋投材料置入原型河道時，拋體相對體積較小，上游的水位壅高可以忽略不計，但是新型拋體群會消耗很大一部分水流能量，緩解水流對岸坡的沖刷，從而更好地實現(xiàn)防沖護岸的目的。

4 結(jié) 論

（1）理論分析表明，無論是在消能效果方面還是穩(wěn)定性能方面，帶有圓臺狀角刺的空心混凝土球體護岸拋投材料均比傳統(tǒng)拋料更具優(yōu)越性。它獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以分散、疏導(dǎo)水流，并且使水流在內(nèi)部回旋激蕩，大大消耗來流能量，從而發(fā)揮防沖護岸的作用；同時，拋體相互之間通過圓臺狀角刺以及球體孔洞嵌合卡扣，圓臺狀角刺不易折斷，且可以嵌進土體，大大增強了整體穩(wěn)定性。

（2）模擬天然河道試驗表明，帶有角刺的空心混凝土球體消能率高，可有效防止土體流失，大大降低崩岸風(fēng)險。同理，將其運用到堤防河段，可減輕水流對堤腳的沖刷，起到良好的護堤效果。此外，在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下適當增大該拋投材料的孔洞比例，可在多沙河段中避免堵塞，有效發(fā)揮消能減沖作用。

（3）此種新型拋投材料憑借其獨特的外觀設(shè)計和完備的科學(xué)依據(jù)，經(jīng)推廣后還可用于原理相似的多個領(lǐng)域，如護壩截流、抗洪搶險等。空心球體的設(shè)計可增大拋體的架空率，節(jié)約制作用料，且混凝土原料方便易得，大批量生產(chǎn)時具有較高的經(jīng)濟性，值得大力推廣。