護岸工程拋石粒徑選擇與崩滾層設計探討

趙榮華

（山西省晉中市水利建筑工程總公司，山西 晉中 030600）

1 工程概況

汾河介休市義棠段河道治理工程施工03標護岸加固工程長769 m。該治理河段水下拋石工程量為6 978 m3，拋石過程主要受到水位、流速、流向等的影響較大，為保證施工質量和進度，主要采用挖機投石及振動碾壓機壓實，20 t 振動碾壓機分層壓實。

2 試驗設計

2.1 試驗模型

依據汾河介休市義棠段河道治理工程施工03標天然河道水流情況，選用幾何比尺1∶25的正態水槽模型。所在河道河床基本為細沙質，粒徑范圍在0.05～0.25 mm，取中值粒徑d50=0.20 mm。根據數次水槽起動流速試驗結果，選用防腐處理的中值粒徑0.80 mm、含水密實度1.12 t/m3的木屑模擬所在河道泥沙起動過程。結合該治理河段實際，設計出的試驗水槽結構形式詳見圖1，水槽長20 m、寬2.50 m，左岸為定床，右岸和槽底為動床，中間1～5區屬于試驗段。

圖1 水槽模型圖

試驗流速按照32～60 cm/s確定，相當于原型河道1.50～3 m/s的流速，通過粒徑0.50～2.50 cm的天然碎石料模擬原型河道塊石拋投。坡度按照1∶1.50、1∶2、1∶2.50、1∶3 三種設計，坡面塊石分成均勻塊石和級配塊石兩類。

2.2 塊石受力分析

原型河道護岸塊石在岸坡上受到塊石自重、水流推力及托舉力的共同作用，據此可以將泥沙顆粒滾動力矩平衡方程列示如下：

式中：FD—水流推力；FL—水流托舉力；L1、L2、L3、L4—對應的力臂；W—塊石重力；φ—泥沙顆粒運動向和下滑力向的夾角；λ—水流作用線和水平線的夾角；D—塊石粒徑；θ—坡度。

將汾河介休市義棠段河道治理工程施工03標所在河道岸坡相關參數代入式（1）并假設泥沙顆粒為等容粒徑球體，所得到的塊石粒徑起動流速情況見圖2。根據圖中結果看出，坡比為1∶1.50 時粒徑塊石實際起動流速位于約2.50 m/s，其余坡比下塊石起動流速均大于3 m/s；所以，在河岸坡度小于1∶2，流速均值不超出3 m/s時，粒徑在0.20～0.50 m的護岸塊石的穩定性不會受到水流作用的影響，也就是說近岸岸坡處的流速并非是造成護岸塊石失穩的主要原因，拋石粒徑才是影響護岸塊石穩定的關鍵因素。

圖2 不同坡比下塊石起動流速與粒徑的關系圖

3 試驗過程及結果

3.1 拋石粒徑選擇

拋石護岸工程中塊石粒徑的選擇直接關系到工程施工質量，且根據大量工程實踐，并非塊石粒徑越大護岸工程越穩定，拋石粒徑要能滿足抵御水下最大流速沖擊的要求；級配適宜的拋石還會使覆蓋層次增加、拋填體空隙率下降，增強護岸效果。一般根據各種粗泥沙起動經驗公式計算拋石粒徑下限，泥沙起動理論也主要考慮的是泥沙拖曳力作用，所以經驗公式只在斜坡傾角小、流向與砂礫所在斜坡水平線交角十分接近0°或180°的情況下較為適用。汾河介休市義棠段河道治理工程施工03 標護岸工程興建在崩塌較為嚴重的彎道凹岸，坡度陡且水流湍急，拋石穩定受到下滑力的影響較大；此外，彎道凹岸因存在橫向環流，河床斷面上垂線流速與泥沙起動理論中流速分布存在較大差異。故完全依照粗泥沙起動經驗公式進行拋石粒徑下限計算并不合理，必須分析斜坡上單個拋石塊在極限平衡狀態下的實際受力狀況。

通過分析拋石塊上的拖曳力、重力和摩阻力看出，塊石粒徑是拋投塊石上所作用的流速與岸坡傾角的函數，還可以得出不同流速、坡度下塊石粒徑下限取值，具體見表1。在該河道治理工程拋石護岸設計過程中，按照表中數據進行拋投塊石粒徑下限值的確定科學合理。對岸坡實施單層拋石護岸并不安全，很容易形成漏拋空白區，引發水毀，為此，必須對坡面實施雙層或多層拋投。考慮到拋石過程中塊石無法均勻河道近岸區域，為保證全面覆蓋，盡可能降低拋石體空隙，避免拋填區域下層泥沙被水流淘蝕，應至少覆蓋三層塊石。所以，塊石粒徑最大值應控制在拋投區設計厚度的1/3以內。

表1 拋投塊石粒徑下限值表 單位：cm

3.2 崩滾層設計

根據室內水工模型試驗，拋石護岸工程施工完成后并非一勞永逸，岸坡護腳塊石會率先向深槽處滑動，此后便間歇、挨次從下向上發展。類似工程拋石護岸旁氏聲吶探測結果也驗證了這一過程，破壞一般從坡腳處開始，故護腳質量及穩固性是確保護岸工程穩定的根本。所以，必須在該河道治理工程拋石區下部增設崩滾層，以便在坡腳遭受沖蝕后從原拋投區下滑出的塊石能有效遮護遭到沖刷的坡腳，保證護岸工程安全穩定。

結合水工模型試驗結果，岸坡護腳塊石大部分均向下游滑動，且滑移偏角均不超出10°，僅少數塊石向上游滑動；滑移后的塊石所在位置基本仍為原橫斷面。崩滾層斷面石方量為拋投區滑出的斷面石方量和原位滯留的斷面石方量之和。在崩滾層寬度為L0，厚度為D0，岸坡坡比為1∶m，拋投區外側坡面遭受沖蝕后坡比為1：m1，最大沖深ΔH，沖刷坡面被滑移出拋投區的塊石覆蓋的寬度為L1，厚度為D1，仍然覆蓋原斷面的塊石厚度為D′的情況下有：

根據變量之間的函數關系，可以得出：

將上式代入式（2）可以得出：

為保證拋石護岸安全穩定，工程效益充分發揮，必須滿足：

結合以上對該河道治理工程拋石粒徑的分析以及工程所在地石料供應情況，拋投塊石粒徑一般為25 cm，將相關參數代入式（4）和式（6）可以得出，該河道治理工程崩滾層寬度為36 m，厚度至少為1.50 m。

除采取以上處理措施外，該河道治理工程還應將坡腳防護措施調整為剛性防護，因為在這種防護形式下塊石不會發生坍塌滑落，故護坡結構基本穩定，直到水工試驗結束，護岸塊石相對位置也基本不變，這也意味著拋石至深泓或坡腳處不可沖位置對于拋石護岸結構的穩定性十分必要。

4 結論

綜上所述，河道治理工程岸坡立堵截流拋石粒徑是影響岸坡拋投結構穩定性的關鍵性因素，且坡腳處泥沙更容易受到水流侵蝕和裹挾，坡腳淘蝕往往最為嚴重，且坡腳淘蝕后坡面塊石會間歇性下滑并滾落至沖刷坑內。通過采取文中所提出的控制拋石粒徑、設置崩滾層、采用剛性防護等措施，塊石料滑移后出現空白區的可能性大大減小；即使出現空白區，從原拋投區下滑出的塊石也能有效遮護受沖刷的坡腳，保證護岸工程安全穩定，使汾河介休市義棠段河道治理工程取得了較好的護岸治理效果。