王元春

(武寧縣水利局,江西 九江 332300)

0 引 言

平順拋石護(hù)岸是常見的河道整治工程措施,對于增強(qiáng)岸灘及堤防穩(wěn)定,控制河勢,保證防洪安全具有重要作用。平順拋石護(hù)岸施工方法簡單,且就地取材,施工經(jīng)驗(yàn)也較為豐富,但是坡腳處因水流淘刷而極易造成根石失穩(wěn),降低岸坡穩(wěn)定性,威脅堤防安全。為此,必須展開平順拋石護(hù)岸水毀機(jī)理、破壞形式及水毀速率研究,為其施工質(zhì)量控制及運(yùn)行維護(hù)提供保證。目前對拋石護(hù)岸水毀問題的研究主要集中在護(hù)岸破壞過程、河床沖刷位移特性、小粒徑石料與塊石鋪?zhàn)o(hù)方案的護(hù)岸效果、定點(diǎn)拋投規(guī)律等方面,對拋石護(hù)岸水毀機(jī)理的研究并不完善,對護(hù)岸水毀速率的研究也比較少見。文章在充分借鑒相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,對平順拋石護(hù)岸水毀機(jī)理及速率展開深入分析,以期為具體河道拋石護(hù)岸施工方案設(shè)計及加固質(zhì)量的提升提供借鑒參考。

1 工程概況

豫寧西護(hù)岸工程位于武寧縣縣城,拋石護(hù)岸范圍為長北0+000～長北3+300,總長度3.3km。拋石頂寬4m,岸坡陡于1∶2時,外邊坡按1∶2拋石護(hù)岸,邊坡外再拋寬4m厚的水平護(hù)腳。岸坡緩于1∶2時,按原坡拋?zhàn)o(hù),斜坡上拋石厚度按1.0m控制,拋至岸坡緩于1∶3～1∶4平緩處或河深泓,邊坡外再拋寬4m厚的水平護(hù)腳,塊石粒徑≥0.3m。為驗(yàn)證以上拋石護(hù)岸治理方案的可行性與適用性,必須展開拋石護(hù)岸水毀機(jī)理及速率影響因素的分析。

2 平順拋石護(hù)岸水毀機(jī)理

根據(jù)文獻(xiàn)[1]中拋石護(hù)岸水槽動床試驗(yàn)結(jié)果,平順拋石護(hù)岸遭遇水流沖刷后塊石滑落,塊石同時出現(xiàn)縫隙,且在水流的繼續(xù)沖刷下縫隙擴(kuò)大并形成大面積空白,進(jìn)而向坡頂持續(xù)發(fā)展[1]。根據(jù)已有分析結(jié)果,水槽試驗(yàn)中拋石護(hù)岸水毀特征、破壞方式均與實(shí)際河道基本一致,即可劃分成單個粒塊石滾動失穩(wěn)、塊石團(tuán)整體滑移及坍塌等水毀破壞模式。

1)單個粒塊石滾動失穩(wěn)。護(hù)坡表面單個塊石因相互擠撞及重力不足以抵御水流推力,很容易在坡面滑動或滾動,水流力通常小于重力分力,故塊石一般斜向岸坡下方、甚至垂直于水流方向移動,且這種滾動或滑動是間歇性的,短期內(nèi)對岸坡穩(wěn)定性影響不大。修水下游水深4～28m、拋石粒徑在10～50cm之間,可以從力學(xué)角度計算出不同粒徑塊石失穩(wěn)流速。突出拋石坡面的小粒徑塊石失穩(wěn)可能性較大,而粒徑在30cm以上的塊石失穩(wěn)流速一般≥3m/s。天然河道內(nèi)拋石級配較好的河段,不同粒徑塊石顆粒相互嵌擠,單個塊石在水流力沖擊下失穩(wěn)的情況基本不會發(fā)生。

2)塊石團(tuán)整體滑移。水流沖刷坡腳后,最外側(cè)塊石團(tuán)因失去支撐而率先滑落(第一階段),原塊石覆蓋區(qū)域出現(xiàn)空白(第二階段),空白處因失去床沙防護(hù)而被水流吸出,引發(fā)上部塊石滑落,將下部空白覆蓋,這種交替覆蓋作用最終傳遞至坡頂(第三階段)。當(dāng)?shù)撞繅K石滑落后到達(dá)深泓,上部塊石滑落過程便會停止,坡腳處沖刷達(dá)到平衡,岸坡也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)(第四階段),以上過程見圖1。值得注意的是,這種水毀破壞模式只有在塊石拋投不均勻的情況下才會出現(xiàn),只要拋投塊石粒徑選取合理、加強(qiáng)施工過程控制,塊石團(tuán)整體滑移便會得到遏制[2]。

(a)第一階段 (b)第二階段

3)塊石團(tuán)整體塌陷。對于土質(zhì)不良、存在軟弱層或大比降滲流的岸坡,存在坡體后方大范圍下陷、岸坡上塊石成團(tuán)塌陷的可能,但是破壞形式主要表現(xiàn)為隨岸坡的塌陷而垂直位移塌陷。因?yàn)榕c岸坡地質(zhì)條件有關(guān),故塊石團(tuán)受力和位移程度完全取決于岸坡變形以及塊石自重、岸坡對塊石的支撐力,也是豫寧西護(hù)岸水毀的主要模式,必須引起重視。

3 平順拋石護(hù)岸水毀速率

3.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)以上對天然河道平順拋石護(hù)岸水毀機(jī)理的分析可以看出,護(hù)岸水毀岸坡土體裸露和塊石滑落是引起水毀的主要形式,究其原因,主要是由于水流沖擊岸坡坡腳處河床,形成沖坑,并導(dǎo)致坡腳處防沖備填石流失,使岸坡失去保護(hù)。此處主要從水流流速、防崩層、拋投厚度、級配及坡度等角度對平順拋石護(hù)岸水毀速率展開探討。為增強(qiáng)坡腳處防沖備填石保護(hù)作用喪失后岸坡水毀發(fā)展情況分析的針對性,以一般外延防護(hù)和剛性防護(hù)下水流沖刷坡腳處河床為試驗(yàn)工況。

對于天然河道而言,平順拋石護(hù)岸周圍泥沙主要表現(xiàn)為推移質(zhì)運(yùn)動形式,河床變形以水工構(gòu)筑物周圍床沙的局部沖刷為主。故采用幾何正態(tài)模擬方式展開水槽試驗(yàn),忽略懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動而僅模擬推移質(zhì)泥沙運(yùn)動過程,以確保水沙運(yùn)動和拋石護(hù)岸結(jié)構(gòu)模擬過程的相似性及結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。結(jié)合該河道護(hù)岸實(shí)際,采用1∶25的試驗(yàn)幾何比尺和1∶5的流速比尺;河道中下游試驗(yàn)?zāi)嗌愁w粒粒徑在0.5～2.5cm之間,根據(jù)相關(guān)水槽起動流速試驗(yàn)結(jié)果,本次試驗(yàn)主要使用防腐處理后中值粒徑0.82mm、含水密實(shí)容重1.12g/cm3的木屑模擬泥沙起動。試驗(yàn)水槽長×寬為20m×2.5m,左岸為定床,右岸及槽底為動床,中間區(qū)段除過渡段外全部為試驗(yàn)段,平面布置詳見圖2?？紤]到該河道實(shí)際,彎道凹頂沖刷最為嚴(yán)重,故此次試驗(yàn)以4號斷面為水毀破壞對比斷面。

圖2 彎道水槽平面布置(單位:m)

結(jié)合該護(hù)岸工程所在修水流域中下游天然拋石護(hù)岸塊石粒徑(10～50cm)及級配,將試驗(yàn)用拋石塊體粒徑確定為0.5～2.5cm,設(shè)計出幾種級配組合形式:

級配Ⅱ:0.5～1.0cm∶1.0～1.5cm∶1.5～2.0cm∶2.0～2.5cm=10∶30∶45∶15%;

級配Ⅲ:0.5～1.0cm∶1.0～1.5cm∶1.5～2.0cm∶2.0～2.5cm=20∶40∶30∶10%。

按照單層、雙層和多層展開試驗(yàn)岸坡塊石拋?zhàn)o(hù),根據(jù)1.5～3.0m/s的天然流速、8m水深及7.5m的坡高,將試驗(yàn)流速、水深及坡高分別設(shè)定為32～62cm/s、32cm和30cm,坡度分別設(shè)定為1∶2、1∶2.5、1∶3;試驗(yàn)岸坡長度依次為68cm、80cm、96cm,坡腳處防崩層分一般外延防護(hù)和剛性防護(hù)2種。

3.2 水毀速率試驗(yàn)結(jié)果

水槽試驗(yàn)主要為大流速,水流沖刷坡腳后,坡面塊石因失去支撐而滑落,坡面沙體也部分裸露而出現(xiàn)空白,空白形態(tài)可歸納為以下3種:①試驗(yàn)初始階段水毀不嚴(yán)重情況下出現(xiàn)的分散形零星空白;②試驗(yàn)后半階段沖刷及水毀較為嚴(yán)重情況下出現(xiàn)的條帶狀空白;③水毀較嚴(yán)重工況下出現(xiàn)的大面積空白。從某種程度上看,空白發(fā)展的速率及面積變化是護(hù)岸水毀速率及嚴(yán)重程度的直接體現(xiàn),故通過觀察和分析彎道水槽模型4號斷面空白的發(fā)展趨勢及位置,進(jìn)而對不同工況下平順拋石護(hù)岸水毀速率展開研究[4]。

空白發(fā)展速率隨試驗(yàn)條件的不同而變化。在有級配時,單層護(hù)坡坡面塊石及水流流速較大時水毀嚴(yán)重,坡面上條帶狀空白在試驗(yàn)開始后1h時產(chǎn)生并向坡頂發(fā)展,面積迅速擴(kuò)大,最大寬度可達(dá)20cm。這種情況下,岸坡橫斷面拋石覆蓋率已低至70%以下,無法正常發(fā)揮護(hù)岸作用。相反,在多層拋?zhàn)o(hù)或坡度較為緩和的情況下,空白主要呈零星狀,并隨著坡面拋石過程的進(jìn)行自行調(diào)整后逐漸消失。從粒徑角度來看,單層粗粒徑拋石在32cm/s流速下產(chǎn)生7cm寬、分散空白;而單層粗粒徑拋石在相同試驗(yàn)流速下主要產(chǎn)生4cm寬的細(xì)長裂縫狀空白。綜合以上分析,平順拋石護(hù)岸水毀影響因素主要有水流流速、防崩層、拋投層數(shù)、塊石級配、岸坡坡度等方面。

1)水流流速。在坡比1∶2、級配Ⅱ及單層拋?zhàn)o(hù)工況下,試驗(yàn)開始后60min內(nèi)流速62.69cm/s時空白發(fā)展速率比流速42.81cm/s時快,此后空白發(fā)展速率減緩;試驗(yàn)坡長為68cm,故以距離坡頂34cm為中部位置,坡面中部以上發(fā)展速率降低明顯,流速62.69cm/s和42.81cm/s在坡面中部時刻～510min時刻空白發(fā)展速率依次為2.81cm/h和2.86cm/h,而相應(yīng)流速下坡腳至坡面中部水毀速率分別為38.03cm/h和7.71cm/h。在試驗(yàn)開始60min內(nèi),流速62.69cm/s時空白位于距離坡頂30cm的坡面中部靠上位置,空白寬15cm;流速42.81cm/s時空白位于距離坡頂45cm的坡面中部以下靠近坡腳的位置,空白寬5cm;到試驗(yàn)開始后510min時,兩種流速下空白與坡頂?shù)木嚯x分別為9cm和20cm,空白寬20cm和8cm。以上情況見圖3。

圖3 水流流速與坡面空白至坡頂距離的關(guān)系

根據(jù)以上結(jié)果,流速較大工況下水毀速率快,而空白位置接近坡頂時流速較小工況下空白發(fā)展速率反而增大。原因在于,流速較大會在試驗(yàn)初期對坡腳產(chǎn)生強(qiáng)烈、快速淘刷,空白發(fā)展快速;此后隨著沖坑深度的增大以及坍塌塊石對沖坑的防護(hù),淘刷影響持續(xù)減弱,空白發(fā)展速率也相應(yīng)減弱,直至接近坡頂處淘刷作用基本消失,空白不在發(fā)展。流速較小工況下,試驗(yàn)開始60min以后空白發(fā)展速率便趨于緩慢。

2)防崩層。坡面拋石空白的發(fā)展還與坡腳防護(hù)有關(guān)。如果坡腳只進(jìn)行外延防護(hù),則近岸水流快速淘刷坡腳床沙,試驗(yàn)開始后10min內(nèi)坡腳床面便表現(xiàn)出明顯的變形跡象,坡腳處塊石持續(xù)滾落;30min后坡面空白出現(xiàn),且空白面積及增大速率隨沖刷時間的增大而增大,位置也持續(xù)向坡頂移動;480min后,空白區(qū)完全上移至坡頂。而坡腳進(jìn)行剛性防護(hù)時,整個試驗(yàn)過程中護(hù)岸塊石均不會出現(xiàn)位移、坍塌,無空白區(qū)出現(xiàn)。故應(yīng)選擇剛性防護(hù),保證岸坡穩(wěn)定。

3)拋石級配。在62.69cm/s流速、1∶2.5坡比及雙層拋?zhàn)o(hù)工況下展開試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見圖4。有圖可知,試驗(yàn)開始180min內(nèi)三種級配水毀速率較為接近,級配Ⅰ和Ⅲ水毀速率略小于級配Ⅱ;而試驗(yàn)開始180min后水毀速率進(jìn)一步減緩。三種級配下空白寬度在1～3cm之間,級配Ⅲ條帶狀空白在坡面中部以上逐漸消失,護(hù)岸效果略好。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,采用雙層及多層拋石護(hù)岸時,上部塊石會填補(bǔ)坡面空白區(qū),粒徑越小的塊石下滑速度越快,填充時間也越短。

圖4 級配與坡面空白發(fā)展的關(guān)系

4)護(hù)岸坡度。在試驗(yàn)流速62.69cm/s時按級配Ⅲ雙層拋投。根據(jù)結(jié)果,在1∶3.0坡比下試驗(yàn)初期坡面存在零星空白且發(fā)展緩慢;試驗(yàn)進(jìn)行至60min時,空白區(qū)基本固定在坡腳底部,并在水流沖刷及上下層塊石間歇調(diào)整下逐漸減小消失。試驗(yàn)開始60min內(nèi)1∶2.0及1∶2.5坡比空白發(fā)展速率分別為30cm/h和31cm/h,寬度為4cm和2.6cm,且均位于坡面中部以下;當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至510min時,空白與坡頂?shù)木嚯x均為20cm左右,且空白向坡頂?shù)陌l(fā)展過程基本停滯。坡比1∶2.0時的空白寬度最大,為7cm,其次為坡比1∶2.5,坡比1∶3.0時因上下層塊石的自動調(diào)整,空白逐漸消失。

5)拋投層數(shù)。在試驗(yàn)流速62.69cm/s、坡比1∶2時按級配Ⅲ拋投,由圖5試驗(yàn)結(jié)果可知,多層拋投時,試驗(yàn)初期條帶狀空白狹窄,試驗(yàn)進(jìn)行一段時間后則成為零星狀,且無明顯擴(kuò)大趨勢;而單層和雙層拋投時,試驗(yàn)開始60min內(nèi)空白擴(kuò)展速率及寬度迅速增大,單層比雙層拋投更為明顯,且在與坡頂相距20cm內(nèi)兩者水毀速率均下降。拋石空白在試驗(yàn)開始60min后緩慢增大,單層拋投下增速最快,多層拋投下最慢;在試驗(yàn)開始后510min時,單層和雙層拋投下空白寬度分別為9.17cm和20.7cm,而多層拋投下,空白寬度僅為2.0cm,水毀并不明顯。

圖5 拋投層數(shù)與坡面空白發(fā)展的關(guān)系

4 結(jié) 論

綜上所述,單個塊石滾動失穩(wěn)、塊石團(tuán)整體滑移及塌陷是豫寧西護(hù)岸主要的水毀破壞模式,對于天然河道而言,單個塊石失穩(wěn)滑動對護(hù)岸穩(wěn)定性影響不大,而在岸坡地質(zhì)條件的作用下,塊石團(tuán)整體塌陷模式發(fā)生的可能性也較小,故塊石團(tuán)整體滑移是該河岸最主要的失穩(wěn)破壞模式。在2020年初豫寧西河岸治理過程中采取了文章所提出的方案,即在坡腳設(shè)置不被沖蝕的剛性防護(hù),并采用文章級配Ⅲ所對應(yīng)的天然塊石級配比例,多層拋投以使岸坡拋?zhàn)o(hù)厚度達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過2年的運(yùn)行,2022年初對該河岸岸坡穩(wěn)定性展開檢測,河岸單個塊石、塊石團(tuán)整體均無明顯的沖蝕和塌陷跡象,更不存在岸坡失穩(wěn)破壞,拋石護(hù)岸加固效果良好。