塊石在長江中下游護(hù)岸工程中的應(yīng)用

塊石在長江中下游護(hù)岸工程中的應(yīng)用

確保水庫安全有很多措施。塊石交通方便，保護(hù)效果好，適應(yīng)河流形狀的特點(diǎn)，成本低，適合護(hù)岸材料，但由于水深多、拋石量不足，塊石可以在岸壁移動(dòng)，導(dǎo)致定期拉伸和臨時(shí)保護(hù)，這增加了資金投資和災(zāi)害賠償?shù)目赡苄?。如何充分發(fā)揮石材的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)其缺點(diǎn)，是許多科技工作者關(guān)注的問題?，F(xiàn)在，工程中石材層的厚度通常僅通過石材粒徑的倍數(shù)或一定數(shù)量來確定。顯然，這很粗糙，但石材的數(shù)量與石頭的厚度直接相關(guān)。因此，石材厚度也直接影響到設(shè)計(jì)成本。試驗(yàn)表明，保護(hù)空區(qū)域的發(fā)展（或滅亡）過程與石材層的厚度有關(guān)。換句話說，石材層的最小厚度可以消除保護(hù)空區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)。這種厚度可以稱為石頭層的最佳厚度。這項(xiàng)工作的主要目的是通過理論研究和模型試驗(yàn)方法，在保證水庫安全的前提下研究拋石層的最佳厚度。1模型沙與主片地震資料根據(jù)天然河道的水流情況,結(jié)合試驗(yàn)場地,選定平面比尺和垂直比尺為λl=λh=25,可求得水槽內(nèi)的流速比尺為1:5;水流運(yùn)動(dòng)時(shí)間比尺為1:5.長江中下游河岸河床質(zhì)中值粒徑d50=0.025～0.05mm.采用天然碎石子模擬原體拋石塊,經(jīng)防腐處理的木屑模擬河岸及河床質(zhì).模型沙的中值粒徑d50=0.8mm,模型沙濕密度γ=1.12t/m3,模型沙與原型起動(dòng)流速相似.水槽寬2.5m,長20m,凹岸曲率半徑為9.0m,凸岸曲率半徑為6.5m,水槽由三個(gè)反彎段組成(見圖1).彎曲水槽斷面形狀為梯形,底邊保持70cm不變,兩側(cè)的坡度為1:2,1:2.5和1:3三種型式(見圖2);上游連接段、上、下游連接段及以下均為定床,中間彎曲段為試驗(yàn)段(此段槽底及凹岸一側(cè)為動(dòng)床),試驗(yàn)段的中心角為60°,將其分成5個(gè)區(qū),從上往下分別為1,2,3,4,5區(qū),相應(yīng)各區(qū)分界斷面分別為0,1,2,3,4,5號(hào)(見圖1).2分散劑岸邊坡穩(wěn)定試驗(yàn)與分析2.1岸坡面石的量測試驗(yàn)拋石塊體采用天然碎石塊,分為0.5～1.0cm,1.0～1.5cm,1.5～2.0cm,2.0～3.5cm這4個(gè)粒徑組.通過調(diào)配組合,按各組塊石重量占總重量的百分比,形成了均勻塊體和有級(jí)配塊體兩大類共7種級(jí)配(見表1).試驗(yàn)岸坡的塊石又按單層平鋪、雙層拋?zhàn)o(hù)及多層拋?zhàn)o(hù)三種型式設(shè)置,分別相當(dāng)于天然岸坡拋石量約850kg/m2,1275kg/m2和1700kg/m2;岸坡設(shè)計(jì)為1:2,1:2.5和1:3三種;近岸流速測點(diǎn)位于彎頂斷面的坡腳處,距右岸90cm,試驗(yàn)實(shí)測的近岸流速為32.36,42.81和62.69cm/s三種;水深控制在32cm左右,考慮這幾種情況的組合,共進(jìn)行了19組試驗(yàn).2.2沖坑擴(kuò)展試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)表明,當(dāng)護(hù)岸以外的河床尚未沖刷時(shí),流態(tài)與原河道流態(tài)相近.由于試驗(yàn)水槽中流速在30cm/s以上,相當(dāng)于原體流速1.5m/s,遠(yuǎn)大于床沙起動(dòng)流速.試驗(yàn)開始后,水槽中部床沙大量起動(dòng)和揚(yáng)動(dòng),由于剛性護(hù)岸邊緣與床沙之間的邊界性質(zhì)突變,其結(jié)合部坡腳處沒有防護(hù)的床沙隨護(hù)岸以外床沙一起發(fā)生沖刷,沖刷達(dá)到一定深度后引起護(hù)岸腳部下床沙局部淘刷,形成側(cè)向內(nèi)凹,并逐步擴(kuò)大(加深、加寬、加長),沖坑呈月牙形擴(kuò)展.試驗(yàn)還表明,當(dāng)塊石邊緣床沙沖深后,塊石失去穩(wěn)定產(chǎn)生位移,沿坡面向下滑落或滾落,粒徑小的塊石首先下滑,粒徑大的塊石稍難下滑.由于下滑(或滾落)的塊石并不能阻止水流對(duì)其下部河床的側(cè)向侵蝕,同時(shí)原下滑塊石保護(hù)的床沙也因失去防護(hù)而被水流吸出,引起新的沖刷,上部塊石繼續(xù)失穩(wěn)滑落或滾落.塊石移動(dòng)有以下幾個(gè)特征:一是以下滑為主,少量滾動(dòng);二是表現(xiàn)為單顆或多顆同時(shí)出現(xiàn),而不是成片滑動(dòng);三是在時(shí)間上呈間歇性而非連續(xù)性;四是因受水流推力作用,塊石下滑方向略偏向下游.在水流長時(shí)間作用下,水中拋投塊石會(huì)重新調(diào)整,結(jié)堆的塊石向四周滑動(dòng)展平,且主要方向是沿坡面向下,最終形成基本均勻的攤鋪層.同時(shí),坡面上塊石之間縫隙逐漸減小,但兩整塊上下之間出現(xiàn)“裂縫”,形成空白區(qū).在水流的持續(xù)作用下,岸坡上塊石逐步向下滑落,覆蓋了原受沖刷的床沙,上部塊石也隨之下滑,又覆蓋下部露出的床沙.因而,空白區(qū)將不斷擴(kuò)大并逐漸上移,直至坡頂或流速較小不能再?zèng)_刷空白區(qū)的床沙為止.在塊石到達(dá)坡底(深泓)后,坡腳部位床沙受到保護(hù)已不可沖刷,上部塊石基本上不移動(dòng),因而間歇性的塊石下滑現(xiàn)象終止,岸坡逐步形成穩(wěn)定狀態(tài).由此可見,岸坡腳部的防沖對(duì)拋石岸坡的穩(wěn)定至關(guān)重要.2.3試驗(yàn)結(jié)果及分析2.3.1拋石塊石的毀破壞機(jī)制理論上,塊石失穩(wěn)有二種情況:一是水流流速很大,在水流作用下塊石發(fā)生滑動(dòng)或滾動(dòng);另一是水流對(duì)塊石周邊河床沖刷后,使原來支撐塊石穩(wěn)定的力減小或消失,而使塊石失穩(wěn).根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)資料和公式計(jì)算表明,當(dāng)塊石粒徑為0.2m時(shí),其失穩(wěn)流速已達(dá)3m/s左右.因此,第一種失穩(wěn)情況并不常見.拋石護(hù)岸工程的水毀破壞主要源自于坡腳處的沖刷.試驗(yàn)結(jié)果表明,沖刷與塊石粒徑大小有關(guān).(1)大塊石自身重量大,抗沖性強(qiáng),主要因下部床沙被沖而失穩(wěn)向下滾落;小塊石自身重量輕,受水流沖擊的影響大,因而以斜向的下滑為主;(2)大塊石體積大,引起的局部繞流也較大,下部床沙易淘刷,加之大塊石自身重量大,重力的斜向分力也大,因而易失穩(wěn).而小塊石附近繞流較小,只是在水流連續(xù)的沖擊下作間歇性的下滑.試驗(yàn)結(jié)果表明,大塊石滾落失穩(wěn)的時(shí)間較早,而小塊石則稍晚;(3)大塊石間的空隙較大,繞流易發(fā)展,床沙易被吸出.因此,就對(duì)床沙的保護(hù)而言,小塊石明顯優(yōu)于大塊石;(4)大塊石形成的空白區(qū)面積大,形狀呈散亂形,且坡面易出現(xiàn)整體性破壞(見圖3).小塊石形成的空白區(qū)面積較小,形狀表現(xiàn)為細(xì)長條形裂縫,坡面不易產(chǎn)生整體性破壞.當(dāng)拋石塊體有級(jí)配時(shí),大塊石起到了抗沖穩(wěn)定作用,小塊石起到了保護(hù)床沙的作用.并且大塊石對(duì)小塊石起到隱蔽保護(hù)作用,減小了水流對(duì)小塊石的沖擊;小塊石對(duì)大塊石起到增加摩阻作用,增強(qiáng)了大塊石的穩(wěn)定性(見圖4).2.3.2流速對(duì)于拋石護(hù)岸的影響模型試驗(yàn)表明,試驗(yàn)中的3種流速并不能直接沖動(dòng)塊石,坡面上塊石的失穩(wěn)、移動(dòng),主要是因?yàn)樗鳑_走了塊石周圍的床沙,當(dāng)沖刷發(fā)展至塊石下面的泥沙不足以支撐塊石重量時(shí),塊石就向沖刷深處滑移.流速對(duì)拋石護(hù)岸的影響是在1:2的坡度下進(jìn)行的,分別進(jìn)行了級(jí)配1和級(jí)配2且每種級(jí)配各2種近岸流速(42.81,62.69cm/s)的試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明,流速較大時(shí),堤腳未防護(hù)區(qū)的泥沙沖刷較快,從而使防護(hù)空白區(qū)的出現(xiàn)更早且發(fā)展更快(見圖5).2.3.3不同拋石層厚度試驗(yàn)當(dāng)水流沖刷坡腳或空白區(qū)床沙,塊石下滑(滾落)后,上部的塊石隨之下滑(滾落),若拋石厚度(或拋石量)較大,下滑的塊石可覆蓋空白區(qū),使其范圍減小,而又不至于使上部塊石出現(xiàn)新的空白區(qū).長江中下游眾多實(shí)際拋石護(hù)岸工程中,拋石的厚度一般為0.4～0.6m,充分說明拋石必須有一定的厚度,單層拋?zhàn)o(hù)顯然是不安全的.不同拋石層厚度試驗(yàn)分為單層鋪?zhàn)o(hù)、雙層鋪?zhàn)o(hù)和多層鋪?zhàn)o(hù).試驗(yàn)坡度為1:2,拋石為級(jí)配2.比較3種不同拋石厚度的照片可以發(fā)現(xiàn),單層塊石護(hù)坡由于坡面只有一層塊石,在坡面出現(xiàn)防護(hù)空白區(qū)后,防護(hù)空白區(qū)一般不會(huì)消失.雙層(或3層)塊石護(hù)坡在坡面出現(xiàn)的防護(hù)空白區(qū)向坡頂運(yùn)動(dòng)的過程中,會(huì)逐漸變小甚至消失.2.3.4坡腳試驗(yàn)結(jié)果岸坡坡度也是影響拋石穩(wěn)定性的重要因素,坡度越緩,則穩(wěn)定性越好.針對(duì)3種級(jí)配的試驗(yàn)塊石分別進(jìn)行1:2,1:2.5,1:3坡度下的對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)表明,坡度越陡的岸坡,越應(yīng)重視對(duì)坡腳的防護(hù),坡腳的沖刷會(huì)導(dǎo)致塊石的失穩(wěn)和滑落;坡度較緩的岸坡,塊石失穩(wěn)和滑落的速度較慢(見圖6).可見,岸坡的坡度對(duì)拋石的穩(wěn)定性影響很大,坡度緩于1:2,可明顯增加拋石塊體的穩(wěn)定性.目前,我國長江中下游拋石岸坡坡度基本上緩于1:2,在有條件的情況下,應(yīng)盡量減緩坡度.2.3.5坡腳防護(hù)試驗(yàn)結(jié)果腳防護(hù)試驗(yàn)還比較了1:2和1:2.5邊坡下堤腳可沖和不可沖兩種情況,試驗(yàn)流速為62cm/s,水深為31cm.試驗(yàn)結(jié)果表明,在拋石岸坡坡腳外床面得到防護(hù)的情況下,拋石岸坡是穩(wěn)定的.坡腳防護(hù)極為重要,可以說是拋石岸坡穩(wěn)定的決定性因素.長江實(shí)際拋石護(hù)岸工程也證明,拋石應(yīng)至深泓或堤腳不可沖位置.3影響空白區(qū)運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定性的主要因素(1)當(dāng)坡腳塊石外床面受沖刷后,塊石將失穩(wěn),其形式以下滑為主,少量滾動(dòng);表現(xiàn)為單顆或多顆同時(shí)出現(xiàn),而不是成片滑動(dòng);在時(shí)間上呈間歇性;下滑方向略偏向下游.在水流的沖擊下,上下塊石之間會(huì)出現(xiàn)防護(hù)空白區(qū),空白區(qū)會(huì)從坡腳沿坡面向水面移動(dòng),影響空白區(qū)大小和運(yùn)動(dòng)速度的主要因素為岸坡坡度、防護(hù)層厚度和水流流速;(2)拋石塊體的尺度并非越大越好,在塊石能滿足自身抗沖穩(wěn)定的條件下,選用小塊石對(duì)岸坡的保護(hù)作用和效果將更好.而具有級(jí)配的塊石護(hù)岸作用和效果明顯優(yōu)于均勻塊石,且小塊石的含量越大,護(hù)岸效果更好;(3)在床沙上進(jìn)行拋石護(hù)岸,應(yīng)進(jìn)行雙層拋?zhàn)o(hù)甚至多層拋?zhàn)o(hù)