平順拋石護岸水毀速率試驗研究

費曉昕　張幸農

摘要：平順拋石護岸主要用于增強堤防和岸灘的穩定性，有利于沿江城鄉的防洪安全。然而，岸坡水下坡腳極易受水流淘刷，往往造成坡腳處根石失穩，坡面形成空白間隙，岸坡穩定性下降，甚至對堤防安全造成威脅。因此，研究拋石護岸的水毀現象十分必要。在原型觀測及水槽試驗的基礎上，根據坡面空白間隙的發展，對拋石護岸的水毀破壞方式及水毀速率進行了研究，得到了坡面空白間隙的發展規律，闡述了平順拋石護岸的水毀特征。

關鍵詞：拋石護岸; 水槽試驗; 坡腳沖刷; 水毀速率; 空白寬度

中圖法分類號： TV871

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.034

0引 言

平順拋石護岸工程在長江中下游應用十分廣泛，能夠控制有利河勢及保障沿江兩岸的防洪安全。但是，由于坡腳遭受水流淘刷，護岸塊石常常因失去支撐而滑落，導致護岸工程水毀。許多學者對拋石護岸的水毀進行了研究[1-5]：長江科學院對塊石在河床沖刷時的穩定及位移特性、平順拋石護岸破壞過程、拋石加固方案和施工方法等進行了研究[6-11]，如姚仕明、盧金友等研究了塊石與小顆粒石料的不同鋪護方案的護岸效果及塊石定點投拋規律;另外，毛佩郁、應強等[4，12-15]也對其水毀機理及穩定性做了相關研究，但這些研究均沒有考慮拋石護岸水毀速率的問題。因此，鑒于天然河道中平順拋石護岸較易水毀部位一般位于彎道凹頂，本文在以往平順拋石護岸水毀機理研究[16-17]的基礎上，總結拋石護岸水毀表現形式，對平順拋石護岸的水毀速率及其影響因子進行了分析，較為深入地研究了平順拋石護岸的水毀特征。

1水毀表現形式

長江中下游平順拋石護岸工程自應用以來，處于不斷破壞和維護中[18-23]。例如，荊江大堤某些岸段在投入使用前期，拋石坡度較陡，有的甚至陡達1∶0.7，后來經多次逐步加固到1∶2.5，才形成了目前較為安全的格局;長江下游黃石至馬鞍山段多處岸段坡腳也存在沖刷，坡面塊石失去支撐作用而導致坡比變陡，塊石滾落的現象，經統計，該段拋護4 a后平均拋投坡度為1∶2.9，最陡達到1∶1，坡比陡為1∶1.8的岸坡有58個，占該段平順拋石護岸工程的12.2%。由長江中下游河段平順拋石護岸水毀現象來看，拋石護岸最明顯的表現形式就是岸坡上護岸塊石的滑落和岸坡失去保護后的岸坡變形，坡體土體裸露以及坡比變陡，岸坡穩定性下降。

2模型設計及試驗方案

由上述天然河道拋石護岸水毀破壞形式可知，護岸塊石滑落、坡體土體裸露為水毀的主要表現形式。引起這種現象的原因主要是岸坡坡腳處河床遭受水流沖擊，形成沖刷坑，坡腳處防沖備填石流失，失去對岸坡的保護作用。拋石護岸的水毀機理已有不少專家學者進行了研究，在此不再贅述。本文主要從防崩層、流速、拋投厚度、坡度、級配5個影響因素研究岸坡的水毀速率，為方便研究岸坡在失去坡腳處防沖備填石保護作用后的水毀發展情況，試驗工況以一般外延守護，坡腳處河床遭受水流沖刷為基礎。

天然河道中，平順拋石護岸工程附近泥沙運動方式主要是推移質運動，河床變形主要是建筑物附近床沙的局部沖刷。因此，為保證水沙運動及拋石護岸結構模擬的相似性，采用幾何正態模擬方式進行水槽試驗，并僅模擬推移質泥沙運動，忽略懸沙運動模擬。根據水槽試驗場地及研究內容，選定試驗幾何比尺為1∶25，流速比尺為1∶5。長江中下游河道泥沙顆粒粒徑范圍為0.05～0.25 mm，中值粒徑約為0.20 mm，經多次水槽起動流速試驗，選用經防腐處理的木屑，中值粒徑0.80 mm，含水密實容重1.12 g/cm3，基本能滿足泥沙起動相似要求。水槽整體布局見圖1，寬2.5 m，長20 m，中間1～5區為試驗段，左岸為定床，右岸及槽底為動床，由于彎道凹頂一般是沖刷較為嚴重的部位，本次試驗選擇4號斷面作為水毀破壞的對比斷面。

根據長江中下游天然拋石護岸塊石粒徑大小（10～70 cm）與級配組成，確定試驗拋石塊體粒徑范圍為0.5～2.5 cm，考慮了均勻級配和有級配的幾種組合（見表1）。試驗岸坡塊石按單、雙及多層拋護，試驗流速為32～62 cm/s（天然1.5～3 m/s），水深為32 cm（天然8 m），3種坡度為1∶2，1∶2.5及1∶3，坡高30 cm（天然7.5 m），相對應的試驗岸坡長度分別為68，80 cm及96 cm，坡腳防崩層有剛性守護和一般外延守護2種。

3水毀速率分析

彎道水槽試驗主要以大流速為主，試驗現象和規律較好。坡腳遭受水流沖刷后，坡面塊石失去支撐，產生滑落現象，坡面部分沙體裸露，產生空白，空白形態主要有3種：① 分散多出的零星空白，主要產生于水毀不嚴重的工況及試驗初始階段;② 條帶狀空白，主要產生于水毀稍嚴重或水毀沖刷的后半階段;③ 大面積空白，主要產生于水毀較嚴重的工況。空白發展的速率及寬度大小代表著護岸水毀發展的速率及程度。通過對彎道4號斷面的空白大小、位置進行統計和分析，研究平順拋石護岸在各試驗工況下的水毀速率問題。

空白產生和發展的過程一般為：當試驗流速大于坡腳床沙起動流速時，床沙大量起動和揚動，使得護腳處床沙局部淘刷，慢慢形成沖坑，沖坑又逐漸側向內凹，并逐步加深、加寬、加長。塊石邊緣床沙沖深后，塊石失去床沙的支撐，向外側滾落。塊石滑動過程中，先是最外側塊石失去支撐滾落或滑落，而滾落的塊石原處就會出現空白，該空白處失去防護的床沙便會被水流吸出，導致上部的塊石繼續滑落和滾落，覆蓋下部露出的空白，這樣由下至上空白一層一層往坡頂方向傳遞。若坡腳處沖刷達到平衡，則沖刷停止，岸坡就逐漸形成穩定的狀態。

試驗條件不同，空白發展速率也不同。有級配的情況下，流速較大及單層護坡工況坡面塊石水毀較嚴重，水毀現象主要表現為坡面上條帶狀空白發展迅速且空白寬度較大，一般試驗60 min便產生條帶狀空白，隨后空白逐漸向坡頂發展且寬度增大，最大空白寬度達20 cm，此時，岸坡橫斷面拋石覆蓋率已不足70%，護岸效果明顯不足。坡度緩和及拋護多層的試驗工況水毀破壞較為緩和，產生的空白為不連續或零星狀，且通過坡面拋石自身調整空白逐漸消失。單層拋護的粗粒徑均勻工況經水流連續沖刷后也產生空白，在流速僅為32 cm/s時，產生分散多處、面積較大（空白寬7 cm）的空白，相當于橫斷面拋石覆蓋的10%。較細顆粒工況產生的空白則表現為細長的裂縫，寬約4 cm。總的來說，影響岸坡水毀速率的因子主要有防崩層、流速、拋投厚度、坡度及級配，具體空白發展規律分析如下。本文中，坡腳守護除剛性守護外，其余組次全部為坡腳外延守護10 cm。

3.1防崩層影響

坡腳部位防護情況對坡面拋石空白的發展具有至關重要的影響。坡腳僅做外延防護或剛性守護時，試驗效果不同。僅做外延防護，近岸水流淘刷坡腳床沙快，如圖2（a）所示，試驗開始后10 min，坡腳床面開始變形，引起坡腳處的塊石下滑滾落，30 min后坡面便出現空白，隨著沖刷時間的增加，床面沖刷加劇，塊石下滑量也逐漸增加，試驗區域空白區增大，并且位置不斷上移，8 h后，空白區上移至坡頂，坡頂床沙出露（見圖2（b））。坡腳有剛性防護時，護岸塊石不會產生位移和坍塌，直至試驗結束，未產生空白區（見圖2（c）），因此，剛性防護下，岸坡是穩定的。

3.2流速影響

水流流速增大，無疑會對坡面空白發展產生較大影響。以圖3兩工況為例（坡比1∶2，級配Ⅱ，單層拋護）：試驗開始前60 min，大流速空白發展速率比小流速工況快15 cm，隨后空白發展速率逐漸減慢，以距坡頂30 cm為中部位置（坡比1∶2，坡長68 cm），坡面中部以上發展速率明顯降低，大、小流速工況在坡面中部時刻至510 min時刻的發展速率分別為2.80 cm/h及2.85 cm/h，相對于坡腳至坡面中部時水毀速率（分別為38.00 cm/h及7.60 cm/h）慢得多，300～510 min時，水毀發展速度已經很緩慢。空白位置及寬度隨時間變化規律為：前60 min，大流速工況空白處于距坡頂30 cm，坡面中部略靠上的位置，空白寬度為15 cm;小流速工況空白距坡頂45 cm，坡面中部以下近坡腳的位置，空白寬度為5 cm;至510 min時，兩組空白分別處于距坡頂9 cm及20 cm的位置，空白寬度為20 cm及8 cm。

試驗數據說明，彎道拋石護岸水毀試驗中，其他試驗條件相同時，較小流速工況空白區比較狹窄，位置處于岸坡中部，較大流速工況拋石護岸水毀現象更為明顯，空白區產生的速率更快，寬度也越寬，且空白區位置位于岸坡坡頂處。總的來說，大流速工況水毀速率大于小流速工況，而空白位置至坡頂時，小流速工況空白發展速率反而稍大于大流速工況。這是因為大流速工況試驗開始時坡腳處淘刷作用強、速度快，空白發展迅速，隨后淘刷作用隨著沖深的增加和坍塌塊石對沖刷坑的守護作用減弱，空白發展速率也隨之減弱，到近坡頂處，淘刷作用進一步減弱直至不再淘刷坡腳，空白發展也隨之停止;小流速工況空白發展速率在整個時間軸上變化相對較小（除前60 min），緩慢發展。另外，坡面中部以上空白發展速率變緩，越到近坡頂處，水毀速率越慢。

3.3拋投厚度影響

拋投厚度不同時，水毀速率和空白寬度隨時間的變化規律見圖4，圖中工況試驗條件為坡比1∶2，級配Ⅱ，流速62.69 cm/s。由圖4可知：多層拋投時，試驗開始產生很狹窄的條帶狀空白，一段時間后，發展成隱約散在多處的空白，水毀破壞不明顯;而單層及雙層拋投工況，空白發展速率及寬度均在前60 min內發展迅速，單層拋護水毀速率大于雙層拋護工況，當距坡頂距離小于20 cm時，兩工況水毀速率均明顯下降。此外，空白寬度在60 min后呈現緩慢增長，增長速率單層大于雙層，雙層略大于多層，510 min時，單層、雙層組次的空白停留位置及寬度分別為距坡頂9，17 cm，空白寬度20，7 cm，多層工況水毀現象不明顯，散落的空白寬度在2 cm左右。

試驗數據表明：在水流條件相同，沖刷量一定的情況下，雙層、單層工況穩定時空白位置分別距坡頂17，9 cm，說明后者在距坡頂17 cm時，沖刷坑仍需塊石填補，空白才會不停上移。多層拋護由于備填石數量多，并未形成明顯的條帶狀空白，通過岸坡上塊石的自身調整可使空白逐漸減小。因此單層拋石護坡是不安全的，容易形成空白區，使床面出露，進而產生水毀破壞，而多層拋石具有足夠的塊石量來填補沖刷坑引起的塊石流失，可有效保護岸坡。因此，天然河道中，對坡面進行雙層或多層防護十分必要，也證明天然拋石厚度達到0.7 m左右是必要的。

3.4坡度影響

坡度不同時，拋石護岸水毀速率和空白寬度隨時間的變化如圖5所示。圖中工況試驗條件為流速62 cm/s，級配Ⅱ，雙層拋護。由圖5可知，坡比為1∶3時，試驗初始坡面有些許空白，發展緩慢，試驗60 min時，空白區基本位于坡腳底部，隨水流沖刷作用，上下層塊石做間歇性的相互調整，空白區并未發展壯大，而是逐漸變小消失，直到試驗結束。其他兩工況空白發展速率相當，前60 min時，坡比1∶2.0及1∶2.5的空白發展速度分別為30 cm/h及31 cm/h，位置均處于坡面中部以下，空白寬度為4 cm及2 cm;試驗510 min時，兩者距坡頂距離20 cm左右，空白不再向坡頂發展。空白寬度方面，坡比1∶2.0工況寬度最大，為7 cm，其次為坡比1∶2.5，坡比1∶3.0工況通過自身調整，空白逐漸消失。總之，岸坡坡度越陡會加快坡面空白發展速率，反之則延緩。產生如此現象的主要原因是坡度小，塊石自身重力中垂直向下的分力小，加上塊石之間的阻礙作用，使得塊石不易滑落。

3.5級配影響

拋石級配不同時，護岸水毀速率和空白寬度隨時間的變化如圖6所示，圖中工況試驗條件為流速61.57 cm/s，坡比1∶2.5，雙層拋護。由圖6可知：3種工況在試驗前180 min水毀速率相差不大，級配Ⅲ和級配Ⅰ水毀速率慢于級配Ⅱ工況，180 min后，水毀發展緩慢。從空白寬度來看，3種工況空白寬度在1～3 cm之間，級配Ⅲ中條帶狀空白逐漸在坡面中部向上發展的過程中消失，護岸效果稍好。試驗數據分析說明，雙層和多層拋護時，坡面上出現的空白區會被上部塊石填補，尤其是較小的塊石下滑較快，備填石足夠時，填補空白區的塊石下滑越快越多，填充的時間就越短，空白區尺度就越小。因此，護岸效果最好的為級配Ⅲ、其次為級配Ⅰ、級配Ⅱ。

4結 論

長江中下游護岸工程以平順拋石護岸為主，現有的拋石護岸工程在投入使用不長的時間內便發生水毀破壞現象，為了解拋石護岸的水毀破壞特征，本文進行了平順拋石護岸彎道水槽試驗，對拋石護岸的水毀速率進行了較為深入的探究，得出以下主要結論。

（1） 若坡腳部位不被沖蝕完全（剛性防護），發揮守護坡腳的作用，則岸坡上塊石基本處于穩定的狀態，不會產生水毀現象（空白區）。

（2） 若坡腳部位防崩層不足以填補沖刷坑，則岸坡護岸塊石會發生水毀現象。水毀速率與各影響因子相關：首先，大流速工況水毀速度快、水毀程度強，空白位置更靠近坡頂，小流速工況水毀速率稍慢，且空白寬度不如大流速工況;其次，單層拋護時水毀速率大于雙層及多層拋護;再者，坡度越陡，水毀速率越快;最后，有級配塊石工況空白大小較不均勻工況小，不均勻工況拋石護岸有發生整體水毀的傾向。

（3） 水毀速率于坡腳至坡面中部較快，中部以上緩慢，越到近坡頂處，水毀速率越慢。

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（編輯：謝玲嫻）

Abstract：Smooth riprap revetment of embankment can increase the flood control capacity of embankment and beaches，which is conductive to the flood safety of plains and major cities along the Changjiang River.However，the underwater slope foot of the bank slope is easy to be scoured by water flow，which often results in the instability of the root rock at the foot of slope，forming a blank gap on the slope surface，and the stability of the bank slope decreases，even the safety of the embankment is threatened.Therefore，it is necessary to study the water damage phenomenon of riprap revetment.On the basis of prototype observation and flume experiment，we studied the water damage mode and water damage rate of the riprap revetment based on the development of the blank gaps on the slope，obtaining the development law of the bank gap on the slope surface and the water damage characteristics of the riprap revetment.

Key words：riprap revetment;flume experiment;slope foot scouring;water damage rate;blank gap