熊 威，胡松濤，王萱子，徐青蔚

（江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029）

0 引言

四面六邊透水框架群以其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、減速促淤和造價(jià)經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于我省長江永安堤、益公堤、赤心堤，贛江贛東大堤、南新聯(lián)圩，撫河撫東大堤、撫西堤等二十余處河道護(hù)岸工程，護(hù)岸效果顯著，已逐漸成為主要護(hù)岸技術(shù)之一。四面六邊透水框架群最早是水利部西北水利科研所韓瀛觀教授提出，并于20世紀(jì)80年代開展相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)與工程應(yīng)用[1]。從1995年開始至今，江西省水利科學(xué)研究所結(jié)合長江江堤整治工程不斷地推廣該技術(shù)在護(hù)岸固腳工程中的應(yīng)用，室內(nèi)試驗(yàn)研究與工程實(shí)驗(yàn)并重，先后在江西長江堤岸、贛江、撫河等河堤堤岸開展工程實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用，得到了四面六邊體內(nèi)部水流變化規(guī)律及其減速機(jī)理等一大批研究成果，為后續(xù)進(jìn)一步開展相關(guān)研究奠定了良好基礎(chǔ)[2，3]。河海大學(xué)通過渾水沖淤試驗(yàn)、床面糙率試驗(yàn)以及框架群水槽試驗(yàn)等獲取了四面六邊框架群附近泥沙淤積規(guī)律、桿件長寬比取值范圍、減速率與架空率之間的關(guān)系及護(hù)岸工程的實(shí)體抗沖方案。徐錫榮[4]、劉剛[5]等人在前人對(duì)四面六邊透水框架護(hù)岸型式的研究基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)的水槽試驗(yàn)定量研究了迎水面和組合形式的變化對(duì)四面六邊透水框架后水流結(jié)構(gòu)的影響，從理論上分析了四面六邊透水框架群的水流特性和減速機(jī)理。以上研究成果系統(tǒng)地闡述了四面六邊體的護(hù)岸機(jī)理和水流特性，可為使用四面六邊體進(jìn)行護(hù)岸提供參考，但目前仍缺乏可操作使用的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及具體的設(shè)計(jì)要點(diǎn)供查閱。本文在查閱相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，通過總結(jié)已有研究成果，提出四面六邊透水框架群護(hù)岸技術(shù)地方標(biāo)準(zhǔn)的體系架構(gòu)和四面六邊透水框架主要設(shè)計(jì)參數(shù)的建議值，可為工程設(shè)計(jì)采用四面六邊透水框架群進(jìn)行護(hù)岸提供依據(jù)。

1 四面六邊透水框架群護(hù)岸機(jī)理

圖1 單個(gè)四面六邊透水框架結(jié)構(gòu)

四面六邊透水框架群（單個(gè)見圖1）護(hù)岸與其它護(hù)岸技術(shù)相比具有較強(qiáng)的抗沖刷能力和自身穩(wěn)定性，并且不需經(jīng)常性維護(hù)和加固，可適應(yīng)不同工程地質(zhì)條件下的護(hù)岸要求。四面六邊透水框架群護(hù)岸機(jī)理主要是通過改變床面流速分布和輸沙能力進(jìn)而對(duì)河床形態(tài)產(chǎn)生影響，水流通過四面六邊透水框架群時(shí)，受框架阻力影響產(chǎn)生能量損失，水體底部流速降低，在框架群附近減速促淤，從而保護(hù)岸坡不受水流沖刷。

根據(jù)水力學(xué)相關(guān)理論，一般采用周界阻力系數(shù)描述河道水流阻力，而阻力系數(shù)常采用謝才系數(shù)C和曼寧系數(shù)n表示。

謝才公式：

式中，v為斷面平均流速，m/s；R 為水力半徑，m；J為水力坡度；g為重力加速度，m/s2；C為謝才系數(shù)。

曼寧公式：

式中，n為曼寧系數(shù)（糙率），其余符號(hào)意義同前。

摩阻流速：

2 四面六邊透水框架群護(hù)岸技術(shù)地方標(biāo)準(zhǔn)的體系架構(gòu)

從規(guī)范四面六邊透水框架群護(hù)岸設(shè)計(jì)和施工的角度出發(fā)，四面六邊透水框架群護(hù)岸技術(shù)地方標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包含總則、規(guī)范性引用文件、術(shù)語和定義、四面六邊透水框架設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)、混凝土框架制作施工質(zhì)量控制要點(diǎn)、混凝土框架群拋投施工要求及附錄等7部分內(nèi)容。體系架構(gòu)見圖2。

圖2 四面六邊透水框架群護(hù)岸技術(shù)地方標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)圖

3 四面六邊透水框架群主要設(shè)計(jì)參數(shù)的建議值

框架群設(shè)計(jì)要求是四面六邊透水框架群護(hù)岸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的重要組成部分，本文在查閱相關(guān)文獻(xiàn)[6～10]基礎(chǔ)上，分析歸納其研究成果，提出桿件、鋼筋、混凝土、框架群流速控制臨界值、框架群斷面設(shè)計(jì)、框架群平面布置形式及框架群觀測等7大類主要設(shè)計(jì)參數(shù)的建議值。

3.1 桿件

桿件常用截面形式為圓形、正方形、三角形，其中正方形減速效果最優(yōu)，考慮制作方便、拋投可靠，減速效果好，建議采用正方形截面桿件。

桿件長寬比（l/b）和架空率（ε）是影響框架群減速率的主要因素。當(dāng)架空率不變時(shí)，框架減速率隨著桿件長寬比的增大而增大，但當(dāng)桿件長寬比超過16時(shí)減速率則隨著桿件長寬比的增大而減小。因此，框架群減速率與桿件長寬比相關(guān)，在工程實(shí)踐中要根據(jù)工程投資、施工條件和桿件自身的材料強(qiáng)度等合理選擇桿件的長度，以達(dá)到優(yōu)化的目的。根據(jù)據(jù)材料試驗(yàn)研究結(jié)果及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，桿件長寬比建議取值范圍為10～15為宜，桿件截面最小尺寸不小于0.06m。

當(dāng)桿件長寬比不變時(shí)，框架減速率隨著框架群架空率的增大而增大，但當(dāng)框架群架空率超過5.3時(shí)減速率則隨著框架群架空率增大而減小，架空率ε建議取值范圍 4.7～5.3。桿件長寬比（l/b）、架空率（ε）與減速率（η）關(guān)系見圖3。

圖3 桿件長寬比與減速率關(guān)系

3.2 鋼筋

每根桿件需布設(shè)1根Ф10鋼筋作為立筋，立筋兩端長出桿件15cm供焊接使用，焊接長度大于或等于8cm，6根桿件端部的鋼筋3根1組焊接組成一個(gè)三角椎體。鋼筋外露部分按相關(guān)規(guī)范要求做好防銹處理。

3.3 混凝土

混凝土標(biāo)號(hào)采用C15以上，混凝土粗骨料宜選用碎石，最大粒徑應(yīng)小于20mm。

混凝土原材料，水泥、骨料、摻合料、外加劑、水等應(yīng)符合SL677-2014《水工混凝土施工規(guī)范》的要求。單根桿件應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%以上才能進(jìn)行下一步焊接組裝。

3.4 框架群流速控制臨界值要求

從保護(hù)岸坡不受水流沖刷出現(xiàn)破壞失穩(wěn)的角度出發(fā)，框架群的流速控制臨界值應(yīng)滿足：

V臨

式中，V臨為框架群拋投后的流速控制臨界值，m/s；V起動(dòng)為岸坡泥沙起動(dòng)流速，m/s。

從促進(jìn)泥沙淤積保護(hù)岸坡的角度出發(fā)，框架群的流速控制臨界值應(yīng)滿足：

V臨

式中，V沉降為泥沙的沉降流速，m/s。

3.5 框架群橫斷面設(shè)計(jì)要求

框架群拋投以后單個(gè)個(gè)體穩(wěn)定性較好，如若加上框架之間相互的嵌入、套疊等作用，在水中可形成很陡的穩(wěn)定坡度，但是考慮到其淤積之后的穩(wěn)定性，建議框架群坡比應(yīng)不大于1:1。

岸坡上部框架群拋?zhàn)o(hù)厚度應(yīng)大于或等于兩層拋投框架達(dá)到的最小厚度，岸坡底部拋?zhàn)o(hù)厚度應(yīng)大于或等于三層拋投框架達(dá)到的最小厚度。

框架群拋?zhàn)o(hù)寬度應(yīng)根據(jù)河岸具體水流特征和岸坡崩岸現(xiàn)狀綜合確定。對(duì)于河岸頂沖段，或者河床局部存在沖刷坑且深泓距岸在100米范圍內(nèi)時(shí)，建議拋至深泓；對(duì)于非河岸頂沖段，可根據(jù)河岸坡度情況，拋至岸坡坡度1:3～1：4處。固腳型工程橫向拋?zhàn)o(hù)寬度一般為6～20m，寬度選取以保護(hù)坡腳免于沖刷為原則。

3.6 框架群平面布置形式

常見框架群的平面布置形式主要有平順連續(xù)布置、平順間隔布置和梳式布置等3種，布置形式的選取應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況合理選擇。

平順連續(xù)布置形式（見圖4）是在順?biāo)鞣较蜓匕镀逻B續(xù)不間斷地拋投框架群。連續(xù)布置形式常用于流態(tài)、地形較復(fù)雜的堤岸段，如丁壩上下游和磯頭的前后腮，其拋投施工較簡單，施工質(zhì)量易控制。

平順間隔布置形式（見圖5）的框架群在平面上呈不連續(xù)分段布置，間隔布置其間斷尺寸為ΔL，連續(xù)拋投長度為L。根據(jù)已有試驗(yàn)成果可知，ΔL大于10m時(shí)減速效果下降，即ΔL≤10m，L大于20m后，減速率變化僅1～2個(gè)百分點(diǎn)，連續(xù)拋投長度L取20m為宜。間隔布置型式適用于岸線較順直的堤岸段。

圖4 平順連續(xù)布置

圖5 平順間隔布置

圖6 梳式布置

梳式布置形式（見圖6）的框架群在平面上呈連續(xù)梳齒狀，可將其看做由梳齒和梳背組成。梳齒間隔尺度ΔL在10～15m范圍內(nèi)選擇，梳齒、梳背寬度L取2～3m。梳式布置與前兩種布置形式相比其減速效果更優(yōu)，適用于施工方便的枯水露床的河道。

四面六邊體背流布置減速效果優(yōu)于迎流布置，工程中可根據(jù)施工條件，采取3～4個(gè)一聯(lián)拋投方式，拋投層數(shù)不少于兩層，可得到較優(yōu)的架空率，其相應(yīng)的減速率較高。

3.7 框架群定期觀測

四面六邊體透水框架群竣工后，每隔1～3年進(jìn)行一次地形觀測，與竣工時(shí)地形對(duì)比，并進(jìn)行安全穩(wěn)定分析，以便及時(shí)提出維修方案。

4 結(jié)語

本文在查閱相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)之上，分析歸納其研究成果，搭建了四面六邊透水框架群護(hù)岸技術(shù)地方標(biāo)準(zhǔn)的體系架構(gòu)，并結(jié)合四面六邊體框架護(hù)岸機(jī)理提出了四面六邊透水框架群主要設(shè)計(jì)參數(shù)的建議值，研究成果可為工程設(shè)計(jì)使用四面六邊透水框架群提供依據(jù)，并為洲灘治理、橋墩防護(hù)和航道整治等相近工程領(lǐng)域提供參考。