宋照明，劉善均，李雅琪，劉幫玉

（1.四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都610065；2.煙臺市河長制服務中心，山東煙臺264010）

0 引言

為興水利，河道中常修建不同的水利工程來控制和調配自然界的地表水和地下水。但在河道中修建閘、壩等泄水建筑物后，水流的水力特性會發(fā)生極大變化，其攜帶的能量較大且集中。類似變化將對河床、坡腳產生嚴重的沖刷破壞，因此水利工程中常修建護坦、護坡、海漫等防護建筑物。水流流經此類防護建筑物時，其破壞能力大幅減弱，但仍會對防護建筑物末端基礎造成一定的掏刷，最終導致其薄弱部位被掏空，發(fā)生失穩(wěn)破壞，威脅著大壩的安全。

水利工程中常采用抗沖樁來解決以上問題，其原理為利用流體流經樁時產生的繞流作用，使得樁對水流產生阻力作用，進而起到消能防沖的效果［1］。但目前水利工程中采用的抗沖樁多承載樁，即承受軸向力的抗沖樁。此類抗沖樁施工工藝復雜，且工程成本較高。

針對提高河床抗沖穩(wěn)定性，減少基礎淘刷破壞，同時降低工程成本，提高工程效益，本試驗提出一種新型抗沖樁，即非承載樁。非承載樁只承受水平力，不承受軸向力。其常采用嵌入河床的方式，布置在護坡、護坦、海漫等防沖建筑物下游。當其嵌入到河床中時，只有露出床面的樁頭受到來流作用力，嵌入到河床的部分基本不受沖刷，具有較好的穩(wěn)定性。同時由于此類非承載樁僅嵌入河床維持自身穩(wěn)定，相比于灌注樁等能夠極大程度降低工程造價，提高工程效益。

1 試驗設置

1.1 試驗模型

試驗用水槽為順直矩形水槽，分為上游段與下游段，位于四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室內。水槽上游部分長3 m，距離進口1 m 處設可調整開度的閘門，從而能夠保證試驗段來流穩(wěn)定且水深可控；為保證上游來流產生的沖坑充分發(fā)展，同時方便觀察及研究，水槽下游長2 m，下游底板高程較上游底板高程低20 cm，采用粒徑1 mm 細沙從底板起鋪至與上游段底板齊平，即鋪沙厚度為20 cm。下游段末端設有攔沙坎及沉沙池。水流經由水泵實現循環(huán)供給。試驗模型布置圖如圖1所示。

圖1 試驗模型布置圖Fig.1 Model layout

由于本試驗中水流寬深比過小，關于邊壁效應的影響不可忽略。為盡量降低邊壁效應帶來的影響，降低邊壁摩擦阻力，使水流流動更加均勻平順，降低誤差。首先，水槽全槽由鋼化玻璃拼接而成，用此材料也便于觀察與測量；同時根據式（1）計算出為避免邊壁效應水槽應具有的最小寬度［2］，

式中：B為水槽寬度允許的最小值；r0為圓柱半徑。

本試驗用樁為混凝土澆灌而成的細圓柱體，直徑d0=2 cm，容重rc=2.335 g/cm3，由模具統(tǒng)一制作而成。計算得到邊壁效應影響范圍B為20 cm。為更好地排除邊壁效應的影響，盡可能提高試驗精度，本試驗水槽寬度設為1 m，樁從距水槽邊壁15 cm處開始布置，樁間距離設為5 cm。

流量采用矩形薄壁堰測量，量堰在各級流量下水流平順，最大測量范圍滿足試驗最大流量要求［3］。試驗流量精度控制在±1%以內，量水堰水面波動小于±2 mm，量筒內水位波動小于±0.2 mm，測針讀數精確至±0.1 mm。流速采用LGY-Ⅱ型智能流速儀測量，測量精度為0.5 cm/s，測量范圍為1～4 m/s；抗拔力的測量方法為將樁群插入試驗用床體中，勻速垂直向上拉動單根樁體，讀取拉力數值并記錄，測十組數據，在其中去除一個最高值和一個最低值后，取剩下八組值的平均值；長度采用精度為1 mm鋼尺測量。

1.2 工況設置

由于樁群阻力與水流雷諾數、水深、樁面粗糙度等有關，同時水深又會通過影響泥沙臨界起動流速，繼而影響樁群周圍河床沖淤，因此水深樁徑比是影響抗沖樁局部沖刷的一個重要因素?；炷翗队赡＞呓y(tǒng)一制作而成，樁面粗糙度及樁直徑差異不大可作為不變量。根據實際工程經驗，試驗混凝土樁長度從6 cm 到13 cm 每增加1 cm 做一組試驗，每組試驗對應5、8、11 cm 3 種閘板開度，閘后水深分別為4、5 和7.5 cm，記錄流速、水深及拉力。

1.3 預試驗

在試驗正式開始前，先進行了預實驗，即采用長度為15 cm的樁群，放置在距離尾坎不同位置處，以尋找單排樁群最適宜的嵌入位置。根據預試驗結果結合文獻查閱情況，本試驗將樁群與尾坎之間距離設置為40 cm，此40 cm 表面鋪設1 m×0.4 m灰塑板，并與上游底板高程齊平，用以模擬護坦等防沖建筑物，下游鋪設樁體，樁體略高于灰塑板頂部，以起到穩(wěn)定作用。通過試驗觀察，樁后沖坑的深度隨時間變化符合大量試驗成果驗證的對數函數增長規(guī)律，即開始時，沖坑深度隨沖刷時間增長而迅速增加，隨后深度隨時間變化趨于平緩，最終穩(wěn)定在某一深度。同時在預試驗中發(fā)現，當樁長度為15 cm 時，來流流速增加到2 m/s 時樁未見松動跡象，此流速換算到實際水利工程中較大，不具有普遍適用性，因此后續(xù)試驗樁長度從13 cm 開始變化。

2 試驗結果與分析

由于本文提出的非承載樁僅起到穩(wěn)定作用，允許混凝土樁有一定程度傾倒，只要沒有大部分倒塌的現象，即認為其依舊起作用。因此本文所有數值均在保證來流穩(wěn)定基礎上，樁群大面積倒塌時測得。

2.1 起動流速變化規(guī)律

水流能夠直接對河床質產生拖拽力，此拖拽力可通過水流速度反映出來，由此產生了起動流速這一概念，起動流速指床面泥沙顆粒從靜止狀態(tài)轉入運動狀態(tài)的臨界水流平均速度，它與塊體自身的重力有關，計算常采用伊茲巴斯公式［4］：

式中：v為截流材料的極限抗沖流速；d為截流材料當量球直徑；γs為材料的密度；γ為水的密度；g為重力加速度；k為綜合穩(wěn)定系數，同塊體體積、形狀、容重等特性相關。

表1 為0.04、0.05 和0.075 m 水深時不同長度的樁以及無樁時所對應的實測起動流速值，圖2所示為增加非承載樁后的實測起動流速值變化趨勢。

表1 實測起動流速值 m/sTab.1 Measured incipient velocity

圖2 起動流速變化趨勢Fig.2 The trend of starting velocity

分析數據發(fā)現，無樁時起動流速小，而當嵌入河床中樁長度越長，樁群大面積倒塌所需要的流速越大，穩(wěn)定性越高。原因可以由前文樁基穩(wěn)定基本分析得出，首先，隨著樁長度增長，混凝土樁重力在不斷增大；其次由式（3）看出，在樁直徑一定的情況下，樁體所受摩擦阻力與樁底端至地表的深度呈直接正相關。嵌入河床中樁長度越長，樁體重力及所受摩擦阻力均在變大，因此樁體抗沖能力將增強，反映到抗沖流速也將增大。

同時分析測量數據發(fā)現，在同一樁長度下，水深越大，樁群大面積倒塌所需要的流速越大，穩(wěn)定性越高。分析原因主要與流速隨深度變化規(guī)律有關，某水深y處流速隨水深變化公式［5］：

式中：Um為液面流速；y為距床面高度；H為水深。

由上式可知，在樁長度以及露出河床長度相同的前提下，樁倒時樁頭出露部分所受力將不會相差太大，則此處位置流速也將不會相差太大，反應在距離河床位置y處流速相同。當水深增大時，若要保證y處流速基本相同，則Um必隨之增大，斷面平均流速也將隨之增大。

從起動流速的變化可知，樁長度越長，起動流速越大，即樁的穩(wěn)定性越好，因此在工程效益的允許的前提下，較好的樁長度為13 cm。

2.2 伊茲巴斯公式計算起動流速

起動流速同塊體重力相關，伊茲巴斯公式中已考慮到不同材料容重影響，關于當量球直徑d′可由下式求得：

表2 為求得的混凝土樁對應的當量直徑，以及將此當量直徑帶入伊茲巴赫公式求得的起動流速值與試驗實測流速值。

表2 計算與實測起動流速值對比Tab.2 Comparison of calculated and measured incipient velocity

分析表格中數據可以得出，試驗實測流速是計算所得流速的4～6.5 倍。原因是由于上述計算公式中采用的綜合穩(wěn)定系數適用于孤立體河床質，而本文提出的非承載樁則是嵌入河床中，只有出露的樁頭部分受到水流作用，大部分樁體則埋入河床中，埋入河床中樁體相比于孤立體將會額外受到四周砂卵石給予的摩擦力，相比孤立體更加穩(wěn)定。通過上述對比分析，可以認為由于嵌入河床中，本試驗提出的混凝土樁相比于河道中的混凝土塊體抗沖能力有顯著的增強，穩(wěn)定性明顯提高。

2.3 混凝土樁綜合穩(wěn)定系數kc

根據上述分析易知，關于河床混凝土塊體的穩(wěn)定系數已不適用于本文提出的新型非承載抗沖樁，因此本文通過以下分析對伊茲巴斯公式中的綜合穩(wěn)定系數做出補充與完善，得到適用于本文混凝土樁的綜合穩(wěn)定系數kc。

通過混凝土樁的伊茲巴赫公式：

得混凝土樁綜合穩(wěn)定系數：

式中：kc為混凝土樁綜合穩(wěn)定系數［無量綱］；v為試驗實測流速；γc為混凝土樁容重；d′為當量球直徑。

不同工況下利用式求得d′帶入式（7）求得kc如表3所示，kc的變化趨勢如圖3。

表3 混凝土樁綜合穩(wěn)定系數Tab.3 Comprehensive stability coefficient

圖3 kc變化趨勢Fig.3 The trend of kc

分析上表可知，當試驗中，混凝土樁長度在0.06～0.13 m 范圍內變化，水深在0.04～0.075 m范圍內變化時，混凝土樁綜合穩(wěn)定系數kc在1.29～2.02范圍內變化。且隨著混凝土樁變長，其綜合穩(wěn)定系數在不斷變大；隨著水深的增大，混凝土樁綜合穩(wěn)定系數也在不斷提高。

3 結論

本文提出一種新型抗沖樁，采用嵌入的方法保持自身穩(wěn)定。通過試驗分析，得出以下結論：

（1）在樁周砂土性質相差不大的前提下，本文提出適用于新型非承載樁的摩擦力系數a=15 000，綜合穩(wěn)定系數kc在1.454 6～2.015 5范圍內變化。

（2）試驗測量所得抗沖流速是利用伊茲巴斯公式計算所得流速的4～6.5 倍，說明本文提出的新型抗沖樁能夠極大程度地提高抗沖能力，保護工程，減少沖刷破壞。□