谷芳瑩，谷芳華，羅問(wèn)桐，肖 汐，郭 喆，范魯曄

（1．河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州450000；2．武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，湖北 武漢430072）

我國(guó)河流的堤岸沖刷現(xiàn)象十分普遍，嚴(yán)重威脅堤防安全，崩岸險(xiǎn)情屢屢發(fā)生，威脅到流域土地安全和航道穩(wěn)定，對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成了惡劣影響。目前存在多種形式的拋投材料，利用其消能減沖是普遍采用的護(hù)堤形式。姚仕明等［1］研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)拋石護(hù)岸工程會(huì)因邊緣空隙位置遭沖刷而喪失穩(wěn)定性；毛佩郁等［2］總結(jié)說(shuō)明土工織物的濾層設(shè)計(jì)準(zhǔn)則不一，且面臨老化、變形等問(wèn)題；蔡瑩等［3］研究表明混凝土四面體拋投材料強(qiáng)度較低，且工序繁瑣?；诖耍O(shè)計(jì)制作了帶有角刺的空心混凝土球體，其穩(wěn)定性高，可有效避免“年年拋，年年丟”的現(xiàn)象，長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益可觀。該拋投體原料易得，制作工藝簡(jiǎn)單，成本低，精度要求低，可根據(jù)實(shí)地情況現(xiàn)場(chǎng)靈活生產(chǎn)。該拋投體不但在工程造價(jià)和經(jīng)濟(jì)效益方面有明顯優(yōu)勢(shì)，而且在環(huán)保方面也可發(fā)揮巨大作用。

1 新型拋投材料介紹

1．1 結(jié)構(gòu)及尺寸

該拋投材料由混凝土材料整體澆筑而成，主體是空心球體，球殼表面分布有多個(gè)過(guò)水孔洞，粗糙表面岔出圓臺(tái)狀角刺（見(jiàn)圖1）。

拋投體尺寸可根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況調(diào)整，為便于施工，只需將尺寸控制在一定范圍內(nèi)，不設(shè)置精確尺寸。考慮混凝土強(qiáng)度及消能效果要求，設(shè)置尺寸范圍如下：空心球體外徑30～60 cm，內(nèi)徑20～40 cm，過(guò)水孔洞直徑1～3 cm，圓臺(tái)狀角刺高3～5 cm、底面直徑3～5 cm、頂面直徑1～2 cm。

1．2 創(chuàng)新特色

該產(chǎn)品突破傳統(tǒng)拋投護(hù)岸材料多為實(shí)心的思維定式，采用圓臺(tái)狀角刺、孔洞與空心球體等基本結(jié)構(gòu)的有機(jī)組合，構(gòu)成了一種新型護(hù)岸拋投材料。

實(shí)心體的傳統(tǒng)拋投材料會(huì)發(fā)生水流繞流現(xiàn)象，加劇水流對(duì)堤腳土體的沖刷［4］。而該新型結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部空洞設(shè)計(jì)可使水流穿透表面，在內(nèi)部震蕩回旋，從而消耗大量動(dòng)能，降低水流速度。粗短角刺設(shè)計(jì)可分散水流，使水流內(nèi)部的能量消耗加大，且多個(gè)結(jié)構(gòu)體外部的角刺相互牽絆形成的空心部分起到與內(nèi)部空洞相似的作用，實(shí)現(xiàn)二次消能，從而使消能效果顯著增強(qiáng)。

傳統(tǒng)拋投材料大多單面受力或多面受力差較大，受到的動(dòng)水水壓大，易被破壞、沖走［5］。而該新型結(jié)構(gòu)體拋入后，其粗尖角刺可在河床土體生根，多個(gè)拋體同時(shí)投放時(shí)還可相互嵌合、卡扣，防止材料流失。一定厚度的混凝土外壁在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，其本身的力學(xué)性能更優(yōu)，不易造成應(yīng)力集中。另外，結(jié)構(gòu)體預(yù)留的過(guò)水孔洞使向流面和背流面受到的動(dòng)水壓強(qiáng)相位差小，自穩(wěn)能力強(qiáng)，可有效解決傳統(tǒng)拋投材料“年年拋，年年丟”的問(wèn)題。

新型結(jié)構(gòu)體由水泥砂漿整體澆筑而成，原料易得，便于運(yùn)輸，良好的自穩(wěn)性延長(zhǎng)了其工作時(shí)間。與傳統(tǒng)的實(shí)體拋投材料相比，該結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部空心以及孔洞設(shè)計(jì)在保證消能效果的同時(shí)增大架空率，節(jié)省原材料，貫徹了綠色發(fā)展的理念。

2 效能分析

河道中導(dǎo)致河岸坍塌的主要原因是局部水流流速過(guò)大，水流對(duì)壁面的剪切力強(qiáng)，對(duì)河岸土體產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度淘刷，造成土體流失［6］。因此，防沖護(hù)岸的最好方法就是拋投護(hù)堤材料來(lái)替代堤岸土體承受水流的沖擊作用，進(jìn)而降低沖刷區(qū)域的來(lái)流能量，減小水流速度［7］。該新型材料特殊的帶刺空心球狀結(jié)構(gòu)在增強(qiáng)材料的消能減沖作用的同時(shí)，保證了其自身及整個(gè)護(hù)堤工程的穩(wěn)定性與持久性。

2．1 消能減沖作用

該拋投材料在拋入水流流速較大的水體后，會(huì)替代河岸土體承受水流沖擊。其中心空洞可使水流在內(nèi)部激蕩回旋，大量渦流在內(nèi)部形成、運(yùn)動(dòng)、分裂和互相摩擦，造成能量損耗，形成二次消能。多孔結(jié)構(gòu)在水流穿透的同時(shí)將水流分散，避免了水流的集中作用，在削弱水流沖擊力的同時(shí)改變了水流的流速分布，造成能量損失。而尖狀粗刺和粗糙表面的結(jié)構(gòu)通過(guò)撕裂、分散、挑走水流，在保證迎流面積的同時(shí)充分改變水流結(jié)構(gòu)，使水流內(nèi)部紊動(dòng)加劇，產(chǎn)生渦流。

與傳統(tǒng)實(shí)體拋投材料相比，該材料的特殊結(jié)構(gòu)能使水流速度大幅減小，達(dá)到減沖護(hù)岸的目的。

2．2 穩(wěn)定持久作用

一方面，這種新型拋體上預(yù)留的過(guò)水孔洞使得向流面與背流面所受的動(dòng)水壓強(qiáng)相位差顯著減小，同時(shí)避免了水流完全受阻后繞流形成的外部渦流、回流等，確保拋體在河道中的穩(wěn)定性，有效提高拋體的抗移動(dòng)能力。而一定厚度的混凝土外壁則保證了其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低了拋體損耗率。

另一方面，這種帶有獨(dú)特的圓臺(tái)狀角刺設(shè)計(jì)的新型拋體在拋入水中后能夠有效嵌入河床土體，在基礎(chǔ)土體中生根。此外，各拋體之間還可以通過(guò)相互嵌合、卡扣，從而形成“拋體-河床”“拋體-拋體”的結(jié)合體，增強(qiáng)整個(gè)護(hù)堤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)拋體的長(zhǎng)期效用。

3 消能效果模型試驗(yàn)

3．1 試驗(yàn)原理

為驗(yàn)證新型拋投材料的消能效果，設(shè)計(jì)室內(nèi)模型概化試驗(yàn)。模型結(jié)構(gòu)體與原型保持幾何相似，幾何比尺取1∶10。因混凝土塊排在傳統(tǒng)護(hù)岸拋投材料中應(yīng)用較廣，故采取相同幾何比尺制作混凝土塊排模型，以設(shè)置對(duì)比試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)對(duì)照原則，設(shè)置了空白與新型結(jié)構(gòu)體、空白與塊排兩組對(duì)照，測(cè)得投后能量改變情況，即可對(duì)比混凝土塊排及新型結(jié)構(gòu)體的消能效果。

忽略動(dòng)水壓強(qiáng)部分，過(guò)水?dāng)嗝娴臄嗝姹饶転?/p>

式中：E為過(guò)水?dāng)嗝娴臄嗝姹饶?；h為過(guò)水?dāng)嗝嫔夏滁c(diǎn)的位置水頭；v為該點(diǎn)的流速；g為重力加速度。

拋投材料模型的相對(duì)消能率η為

式中：E入為入流斷面的斷面比能；E出為出口斷面的斷面比能。

因兩種模型體積大致相同，故可認(rèn)為二者造成的水深變化相等。在天然河道模型中設(shè)置對(duì)比試驗(yàn)，分別測(cè)得放置兩種模型前、后河段的入流斷面及出流斷面的流速，即可測(cè)得兩種拋投材料模型的相對(duì)消能率。相對(duì)消能率越高，表明消能效果越顯著。

3．2 試驗(yàn)布置

河槽模型設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2，簡(jiǎn)化天然河道自然地理?xiàng)l件，模擬自然岸坡邊界，將天然河道大致簡(jiǎn)化為入彎段、出彎段、直線段。采用LS-508A型直讀式流速儀測(cè)量流速。

進(jìn)行試驗(yàn)前，在槽底鋪沙，以模擬天然河道岸坡條件，見(jiàn)圖3。打開(kāi)水泵，調(diào)節(jié)閘門(mén)開(kāi)度，改變流速大小至合適值，并調(diào)節(jié)流速儀參數(shù)。待水流及岸坡穩(wěn)定后，測(cè)定3個(gè)典型河段出段處測(cè)點(diǎn)的流速（每個(gè)點(diǎn)測(cè)量6次）作為空白對(duì)照；放入新型拋體模型，測(cè)得流速數(shù)據(jù)，取出后回測(cè)流速，以檢驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中邊界條件有無(wú)明顯變化。清空流道余水，恢復(fù)岸坡，拋入混凝土塊排模型進(jìn)行下一組試驗(yàn)（共進(jìn)行6組試驗(yàn)）。

3．3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

將兩種拋投材料模型放入河道模型后，測(cè)量河道內(nèi)水深變化，二者大致相同，故可忽略位置水頭對(duì)斷面能量的影響。在放置拋體模型前、后均進(jìn)行定點(diǎn)流速測(cè)量，取流速未發(fā)生明顯改變的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，以消除拋料模型對(duì)岸坡條件的影響。在3個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量流速6次，取平均值以減小誤差。測(cè)得的流量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2。

表1 新型拋體模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 混凝土塊排模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在新型拋體拋入河道模型后，可以明顯觀察到水流在拋體內(nèi)部回旋激蕩，圓臺(tái)狀角刺對(duì)較強(qiáng)的來(lái)流產(chǎn)生分散、疏導(dǎo)作用，下游水流呈扇形向后的輻射狀，見(jiàn)圖4；而實(shí)心的混凝土塊排則會(huì)加劇繞流，對(duì)岸坡造成較強(qiáng)的局部沖刷，存在局部流速變大的情況，見(jiàn)圖5。

二者在3個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)消能率比較見(jiàn)圖6～圖8。由此可知，無(wú)論在何種河段內(nèi)，新型拋體模型的消能效果均顯著高于混凝土塊排模型的。

當(dāng)把帶有圓臺(tái)狀角刺的空心混凝土球體護(hù)岸拋投材料置入原型河道時(shí)，拋體相對(duì)體積較小，上游的水位壅高可以忽略不計(jì)，但是新型拋體群會(huì)消耗很大一部分水流能量，緩解水流對(duì)岸坡的沖刷，從而更好地實(shí)現(xiàn)防沖護(hù)岸的目的。

4 結(jié) 論

（1）理論分析表明，無(wú)論是在消能效果方面還是穩(wěn)定性能方面，帶有圓臺(tái)狀角刺的空心混凝土球體護(hù)岸拋投材料均比傳統(tǒng)拋料更具優(yōu)越性。它獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以分散、疏導(dǎo)水流，并且使水流在內(nèi)部回旋激蕩，大大消耗來(lái)流能量，從而發(fā)揮防沖護(hù)岸的作用；同時(shí)，拋體相互之間通過(guò)圓臺(tái)狀角刺以及球體孔洞嵌合卡扣，圓臺(tái)狀角刺不易折斷，且可以嵌進(jìn)土體，大大增強(qiáng)了整體穩(wěn)定性。

（2）模擬天然河道試驗(yàn)表明，帶有角刺的空心混凝土球體消能率高，可有效防止土體流失，大大降低崩岸風(fēng)險(xiǎn)。同理，將其運(yùn)用到堤防河段，可減輕水流對(duì)堤腳的沖刷，起到良好的護(hù)堤效果。此外，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下適當(dāng)增大該拋投材料的孔洞比例，可在多沙河段中避免堵塞，有效發(fā)揮消能減沖作用。

（3）此種新型拋投材料憑借其獨(dú)特的外觀設(shè)計(jì)和完備的科學(xué)依據(jù)，經(jīng)推廣后還可用于原理相似的多個(gè)領(lǐng)域，如護(hù)壩截流、抗洪搶險(xiǎn)等?？招那蝮w的設(shè)計(jì)可增大拋體的架空率，節(jié)約制作用料，且混凝土原料方便易得，大批量生產(chǎn)時(shí)具有較高的經(jīng)濟(jì)性，值得大力推廣。