王遠(yuǎn)明 張桂榮 李登華

摘 要：石籠網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)在河流岸坡生態(tài)防護(hù)工程中應(yīng)用較為廣泛，網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)對其護(hù)坡效果影響較大，不同網(wǎng)墊厚度、隔板間距及網(wǎng)墊內(nèi)碎石填充情況等都會(huì)對其抗沖刷性能產(chǎn)生一定影響。通過室內(nèi)大型水槽模型試驗(yàn)，研究確定不同厚度、不同隔板距離、不同遜徑顆粒含量下石籠網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)破壞的臨界流速，揭示不同水流沖刷作用下網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)的變形過程與破壞規(guī)律。通過臨界流速定義石籠網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)抗沖刷性能，以此確定石籠網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)參數(shù)。水槽沖刷試驗(yàn)結(jié)果表明：遜徑配比對石籠網(wǎng)墊的抗沖刷性能具有顯著影響，建議網(wǎng)墊內(nèi)填石的遜徑配比不超過15%;隔板間距較小時(shí)，填石間可移動(dòng)孔隙較小，易形成整體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，故在施工工藝可行的條件下，減少隔板間距可提高填石的穩(wěn)定性和石籠網(wǎng)墊的抗沖性;為保證填石的相對穩(wěn)定，石籠網(wǎng)墊應(yīng)保證至少有2層填石，考慮填充率的因素，最優(yōu)厚度應(yīng)為網(wǎng)墊內(nèi)部填石中值粒徑的2倍。

關(guān)鍵詞：石籠網(wǎng)墊;抗沖性能;臨界流速;遜徑配比;水槽模型試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TV861 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.019

Abstract： The slope protection structure of stone cage net cushion is widely used in the engineering of river bank slope protection. The technical parameters of the net cushion structure have significant effects on bank slope protection， and different net cushion thicknesses， baffle spacing and gravel filling conditions will have a certain impact on its anti-erosion performance. Through indoor large-scale sink flush test， the critical velocity was studied for stone cage mat structure with different thicknesses， different baffle distance and different contents of inferior diameter particles. The deformation process and failure rule of mat structure were revealed under different flow scouring. The anti-scour performance was defined by the critical flow rate， so as to determine the optimal parameters. The results show that the inferior diameter ratio has a significant effect on the anti-scour performance and it is recommended that it should not exceed 15%; when the spacing of the barriers is small， the rockfill is easy to form an overall stable structure and the movable gap between the rockfills is small. In the condition of feasible construction technology， it can improve the stability of filling stone and the anti-erosion performance of stone cage net cushion by reducing the partition spacing. In order to ensure the relative stability of stone filling， two layers of stone should be filled in stone cage net cushion at least. Considering the filling rate， the optimal thickness should be two times of the median particle size of filled stone.

Key words： stone cage net cushion; anti-scour performance; critical destruction flow rate; inferior diameter ratio; flume model test

我國河道整治工程中護(hù)坡以漿砌塊石、現(xiàn)澆混凝土和預(yù)制混凝土塊等剛性結(jié)構(gòu)體為主，采用剛性護(hù)坡雖然提高了邊坡抗水流沖刷的能力，但降低了河道的生態(tài)功能，導(dǎo)致河流渠道化。相較于其他生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，石籠網(wǎng)墊護(hù)坡在抗水流沖刷方面有著很大優(yōu)勢，其多孔隙結(jié)構(gòu)防浪效果好，能抵抗最高8 m/s的水流沖刷[1]。該結(jié)構(gòu)多用于河道邊坡、河底防護(hù)和消浪防沖工程。我國在20世紀(jì)90年代開始引入該技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于水利、航道岸坡防護(hù)等領(lǐng)域，獲得了非常好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

目前，國內(nèi)外關(guān)于石籠網(wǎng)墊護(hù)坡設(shè)計(jì)參數(shù)的研究較少，大多數(shù)工程設(shè)計(jì)采用前期工程經(jīng)驗(yàn)或國外標(biāo)準(zhǔn)。馬克菲爾公司于20世紀(jì)80年代在美國科羅拉多大學(xué)進(jìn)行了大量模型試驗(yàn)，結(jié)合對已建工程的反分析研究得到了流速和網(wǎng)墊厚度的關(guān)系 [2];Maccaferri總部、荷蘭Delft水力實(shí)驗(yàn)室及巖土工程研究所對波浪作用下石籠網(wǎng)墊的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了研究[3];國內(nèi)石籠網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)多借鑒《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286—2013），其參數(shù)設(shè)計(jì)和施工以工程經(jīng)驗(yàn)為主，缺乏理論支撐。為了深入研究石籠網(wǎng)墊在水流作用下的沖刷變形過程，筆者通過縮尺水槽模型沖刷試驗(yàn)，以天然沙起動(dòng)為背景，結(jié)合泥沙起動(dòng)計(jì)算公式[4-9]，重點(diǎn)研究了遜徑比、隔板間距以及石籠網(wǎng)墊厚度對石籠網(wǎng)墊護(hù)坡抗沖刷性能和破壞臨界流速的影響，以期為石籠網(wǎng)墊護(hù)坡工程的設(shè)計(jì)、施工提供理論支撐。

1 水槽試驗(yàn)設(shè)計(jì)

開展室內(nèi)水槽沖刷試驗(yàn)，控制縱坡比和不同流速、水深，研究石籠網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)在水流沖刷作用下的變形過程和破壞形式。設(shè)置對比試驗(yàn)，確定不同厚度、不同隔板間距、不同遜徑顆粒含量下，石籠網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)的臨界流速和極限流速;通過臨界流速定義石籠網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)抗沖刷性能，以此確實(shí)石籠網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

1.1 相似條件

考慮到研究涉及護(hù)岸結(jié)構(gòu)及其附近三維水流和河床沖淤變形，同時(shí)兼顧模型中石籠網(wǎng)墊尺度的可操作性，采用正態(tài)模型試驗(yàn)的研究方法。為使模型與原型達(dá)到水流和泥沙運(yùn)動(dòng)相似[10-11]，須滿足以下相似條件。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

概化模型試驗(yàn)在內(nèi)長15 m、寬3 m的水槽中進(jìn)行，見圖1、圖2。制作坡比為1∶3的模型岸坡，重點(diǎn)觀測岸坡段長5.0 m、高0.5 m、寬2.0 m，坡前水深25～35 cm。按擬定比尺1∶20，相當(dāng)于模擬天然長100 m、高10 m、寬40 m的岸坡，坡前水深5.0～7.0 m。制作的試驗(yàn)水槽見圖3。

采用南京水利科學(xué)研究院研制的光電式旋槳流速儀測量水下流速，其測速原理為將旋槳的轉(zhuǎn)速通過信號(hào)放大器傳至計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換為水流流速，測量范圍為1～200 cm/s。采用智能跟蹤式水位儀及水位測針進(jìn)行水位（水深）測量。此外，水槽邊壁上床面以上刻有以cm為單位的刻度，通過調(diào)節(jié)尾門觀察水面與水位刻度的對應(yīng)關(guān)系來觀察水槽水位。采用高清拍攝設(shè)備記錄石籠網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)破壞情況（塊石移動(dòng)情況）。

1.3 試驗(yàn)用沙及模型比尺

試驗(yàn)用沙取自某河流治理工程河岸泥沙，基本為均勻細(xì)沙，泥沙中值粒徑約為0.30 mm。試驗(yàn)采用的正態(tài)模型幾何比尺為1∶20，相應(yīng)的流速比尺λV為4.47，原型流速為3.00～6.00 m/s，對應(yīng)模型水槽流速為0.67～1.34 m/s。由多個(gè)泥沙起動(dòng)流速公式[4-9]可計(jì)算出原型泥沙（粒徑0.30 mm）在3～7 m水深下的起動(dòng)流速為0.45～0.60 m/s，見表1。要滿足泥沙的起動(dòng)條件，則模型沙在0.15～0.35 m水深下的起動(dòng)流速為0.10～0.13 m/s。根據(jù)以往泥沙起動(dòng)水槽試驗(yàn)研究成果，容重1.80 g/cm3左右的石英砂粒徑為0.07～0.08 mm時(shí)，起動(dòng)流速一般為0.11～0.14 m/s，可基本達(dá)到起動(dòng)相似，即泥沙起動(dòng)流速比尺符合要求。

試驗(yàn)還應(yīng)滿足模型沙與原型沙水下休止角基本一致，根據(jù)水槽試驗(yàn)結(jié)果，石英砂的水下休止角一般為30°～34°，與天然沙的水下休止角基本一致，能夠滿足試驗(yàn)水下休止角基本一致的要求，因此，將石英砂作為岸坡模型沙。岸坡模型沙級配見圖4，模型水平比尺、垂直比尺、流速比尺、泥沙啟動(dòng)流速比尺分別為20、20、4.47、4.47。

1.4 模型布置和制作

石籠網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)由單元石籠網(wǎng)箱及箱內(nèi)填充卵石構(gòu)成，見圖5，單元網(wǎng)箱由機(jī)器編制的六邊形雙絞合鋼絲網(wǎng)墊（網(wǎng)面鋼絲直徑2.7 mm）組成，長6 m、寬3 m、高23 cm，石籠網(wǎng)墊尺寸為6 cm×8 cm，其表面涂有高爾凡（5%鋁鋅合金+稀土元素）或鍍鋅等防腐物質(zhì);箱內(nèi)填充碎石粒徑為7～15 cm，遜徑顆粒含量為5%～15%。

根據(jù)模型幾何比尺1∶20，模型試驗(yàn)中網(wǎng)墊厚度為1.15 cm，網(wǎng)孔大小為3～4 mm，填充碎石粒徑為3.5～7.5 mm，碎石中值粒徑d50按6 mm來配制。配置遜徑時(shí)，按設(shè)置比例配置粒徑小于網(wǎng)孔（3～4 mm）的小碎石，粒徑一般為1～2 mm。經(jīng)市場調(diào)研，試驗(yàn)在保證網(wǎng)孔大小滿足幾何相似要求下（網(wǎng)孔大小為3～4 mm），采用鋁線網(wǎng)（網(wǎng)絲直徑約為0.3 mm）模擬石籠網(wǎng)墊網(wǎng)面，見圖6。

1.5 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)主要通過控制不同遜徑配比、不同隔板間距、不同網(wǎng)墊厚度等研究石籠網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)的抗沖刷性能。

不同遜徑配比下的模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)石籠網(wǎng)墊厚度為23 cm，隔板間距為1 m，岸坡坡比為1∶3。首先，設(shè)計(jì)遜徑配比為5%，不斷增大水流速度，觀測石籠網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)中塊石的移動(dòng)情況，測量對應(yīng)的臨界流速;然后，通過改變遜徑顆粒配比，進(jìn)行下一組次臨界流速試驗(yàn)，共針對6組不同遜徑配比（5%、10%、15%、20%、25%、30%）進(jìn)行相應(yīng)的水槽沖刷試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，分析遜徑配比對石籠網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)抗沖刷性能（臨界流速）的影響。

不同隔板間距下的模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)填石遜徑配比為5%，石籠網(wǎng)墊厚度為23 cm，岸坡坡比為1∶3。針對3組不同的隔板間距（1、2、3 m）進(jìn)行相應(yīng)水槽試驗(yàn)，觀測石籠網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)中塊石的移動(dòng)情況，測量對應(yīng)的臨界流速。

不同石籠網(wǎng)墊厚度下的模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)填石平均粒徑為120 mm，遜徑配比為5%，岸坡坡比為1∶3，針對4組不同的石籠網(wǎng)墊厚度（15、20、23、30 cm）進(jìn)行相應(yīng)水槽試驗(yàn)，觀測石籠網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)中塊石的移動(dòng)情況，測量對應(yīng)的臨界流速。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在鋪設(shè)石籠網(wǎng)墊的岸坡上，水流直接沖刷網(wǎng)墊，在長期水流沖刷下，石籠網(wǎng)墊的一種破壞形式就是隨著遜徑顆粒的不斷流出，原本填充密實(shí)的網(wǎng)箱內(nèi)出現(xiàn)較大空間，大粒徑填充塊石在水流作用下開始運(yùn)動(dòng)并不斷撞擊網(wǎng)墊，使網(wǎng)墊發(fā)生變形破壞。這里定義遜徑顆粒開始起動(dòng)時(shí)的流速為石籠網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)的臨界流速。

2.1 不同遜徑配比、不同隔板間距、不同石籠網(wǎng)墊厚度下臨界流速

（1）不同遜徑配比。試驗(yàn)過程中以旋槳流速儀記錄水槽的實(shí)時(shí)流速，測得不同遜徑配比條件下的臨界流速，遜徑配比為5%、10%、15%、20%、25%、30%時(shí)的臨界流速分別為4.2、4.1、3.9、3.6、3.2、2.6 m/s，見圖7。當(dāng)遜徑顆粒配比為5%～15%時(shí)，臨界流速變化很小;當(dāng)遜徑顆粒含量超過15%后，隨著遜徑顆粒含量的增加，臨界破壞流速顯著減小;相同條件下，遜徑配比為30%的石籠網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)的臨界流速比遜徑配比為5%的臨界流速減小了1.6 m/s，因此嚴(yán)格控制石籠網(wǎng)內(nèi)填石遜徑配比尤為關(guān)鍵。由此可以看出，遜徑配比對石籠網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)的抗沖刷性能具有顯著影響，石籠網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)的遜徑配比不宜超過15%。

（2）不同隔板間距。試驗(yàn)得出隔板間距為1、2、3 m時(shí)，石籠網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的臨界流速分別為4.2、4.0、3.5 m/s，隔板間距與臨界流速關(guān)系曲線見圖8。隨著隔板間距的增大，臨界流速減小;其他條件相同的情況下，隔板間距為1 m的石籠網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)的臨界流速比隔板間距為3 m的臨界流速增大了0.7 m/s。其原因是，隔板間距較小時(shí)，填石更容易形成整體穩(wěn)定，可移動(dòng)的空間相對較小;隨著隔板間距的增大，填石的移動(dòng)空間相對增大，填石起動(dòng)所需要的流速變小，網(wǎng)墊更容易發(fā)生破壞。

（3）不同石籠網(wǎng)墊厚度。石籠網(wǎng)墊厚度為15、20、23、30 cm時(shí)，護(hù)坡結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的臨界流速分別為3.5、4.0、4.2、4.5 m/s，見圖9。隨著網(wǎng)墊厚度的增大，護(hù)坡結(jié)構(gòu)破壞的臨界流速逐漸增大;厚度為30 cm的石籠網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)的臨界流速比厚度為15 cm的臨界流速提高了1 m/s。主要原因是，石籠網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)厚度較小（小于填石中值粒徑的2倍）時(shí)，塊石填充過程中會(huì)出現(xiàn)單層現(xiàn)象，填石之間的相互咬合作用較弱，填石容易出現(xiàn)移動(dòng);隨著網(wǎng)墊厚度的增大，上下層填石之間相互咬合，產(chǎn)生相應(yīng)位移所需要的流速增大。

2.2 石籠網(wǎng)墊參數(shù)與塊石填充率、填石損失率的關(guān)系

石籠網(wǎng)墊在水流持續(xù)沖刷作用下的主要破壞方式是遜徑顆粒的流失導(dǎo)致大顆粒填石在網(wǎng)墊內(nèi)移動(dòng)，撞擊網(wǎng)墊從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的破壞。針對模型試驗(yàn)，對塊石填充率和沖刷2 h后網(wǎng)墊內(nèi)填石損失率進(jìn)行了測定。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，影響填石損失率的主要參數(shù)是石籠網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)內(nèi)填石遜徑配比，因此針對不同遜徑配比下石籠網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)內(nèi)部填石損失率進(jìn)行研究。

由圖10可知，網(wǎng)墊厚度對塊石填充率有明顯影響，23 cm厚度的網(wǎng)墊填充率相較15、30 cm的有明顯優(yōu)勢，并且受填石遜徑配比的影響較小。其中15 cm厚度的網(wǎng)墊填充率較低，試驗(yàn)過程中粒徑較大的填石僅能填充一層，填石之間的咬合力極差，極易產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，這也驗(yàn)證了在沖刷過程中厚度為15 cm的石籠網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)抗沖刷流速最小，網(wǎng)墊內(nèi)填石在水流沖刷后位移最大。對于同一厚度的網(wǎng)墊，其填充率隨遜徑配比的增大而增大，但從遜徑顆粒損失率來看（見圖11），水槽流速達(dá)到相應(yīng)臨界流速時(shí)，遜徑顆粒損失率隨遜徑配比的增大而增大，導(dǎo)致網(wǎng)墊產(chǎn)生更大的空間使得大粒徑填石間的咬合力變差，網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)抗沖流速降低，這種現(xiàn)象在水槽沖刷過程中也得到了驗(yàn)證。

2.3 討 論

受模型試驗(yàn)條件限制，模擬的原型坡前水深一般為5.0～7.0 m，從泥沙起動(dòng)與水深的關(guān)系（見表1）可以看出，隨著水深的減小，起動(dòng)流速有所減小，減小的幅度為10%～25%，即在同樣流速下，水深較小時(shí)泥沙更易于起動(dòng)，護(hù)坡破壞臨界流速亦會(huì)減小。本研究采用的是直水槽，水流結(jié)構(gòu)不存在明顯環(huán)流特征，因此在環(huán)流較弱的河道是適用的，但對于復(fù)雜水流結(jié)構(gòu)作用下的護(hù)岸破壞特征還有待進(jìn)一步研究。此外，水槽試驗(yàn)不可避免存在縮尺效應(yīng)，本研究采用正態(tài)模型，比尺為1∶20，以盡量減小對水動(dòng)力泥沙運(yùn)動(dòng)方面的影響，因此泥沙起動(dòng)臨界破壞流速方面的結(jié)果是較為準(zhǔn)確的，但對于石籠網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)自身的力學(xué)性能的準(zhǔn)確模擬而言，仍存在較大難度，有待進(jìn)一步深入探討。

3 結(jié) 論

采用正態(tài)幾何比尺1∶20建立水槽試驗(yàn)縮尺模型，模型觀測岸坡段長5.0 m、高0.5 m、寬2.0 m。通過3組13種類型的水槽沖刷試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，找出影響石籠網(wǎng)墊護(hù)坡破壞的主要因素，得出了以下結(jié)論：

（1）在水流長期沖刷作用下，石籠網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)內(nèi)部細(xì)小顆粒會(huì)不斷流失，原本相對密實(shí)的網(wǎng)墊內(nèi)局部出現(xiàn)程度不一的孔隙，大顆粒填石的流動(dòng)撞擊石籠網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)，這是石籠網(wǎng)墊在水流作用下的主要破壞形式。

（2）臨界破壞流速與遜徑配比、隔板間距、網(wǎng)墊厚度具有直接關(guān)系，遜徑配比為5%～30%時(shí)，臨界破壞流速由4.2 m/s減小至2.6 m/s;隔板間距從1 m增大至3 m時(shí)，臨界破壞流速由4.2 m/s減小至3.5 m/s;石籠網(wǎng)墊厚度由15 cm增大至30 cm時(shí)，臨界破壞流速由3.5 m/s增大至4.5 m/s。石籠網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)內(nèi)部填石的遜徑配比是影響臨界流速大小和網(wǎng)墊破壞形式的關(guān)鍵因素。

（3）采用水槽沖刷試驗(yàn)得出石籠網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)：石籠網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)內(nèi)部填石的遜徑配比不宜超過15%;在施工工藝可行的條件下，隔板間距采取1 m較為合適;石籠網(wǎng)墊的厚度應(yīng)滿足內(nèi)部填石至少達(dá)到2層，考慮填充率的影響，最優(yōu)厚度應(yīng)為網(wǎng)墊內(nèi)部填石中值粒徑的2倍。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】