新型生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)物理模型動床試驗研究*

李 健，王平義，付中敏，韓林峰，王梅力

(1.重慶交通大學(xué)，水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)，國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；3.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430000)

傳統(tǒng)護坡工程主要是在岸坡上鋪設(shè)一層硬質(zhì)混凝土，使岸坡和水流隔絕，防止岸坡發(fā)生崩岸[1-2]，確保岸坡穩(wěn)定性。生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)得到越來越廣泛的應(yīng)用，范玉潔等[3]基于長江中下游航道整治實施一系列鋼絲網(wǎng)石籠生態(tài)護坡工程對汛期前后植被和基質(zhì)調(diào)查，得出護坡范圍內(nèi)生態(tài)恢復(fù)效果良好的結(jié)論；張桂榮等[4]總結(jié)河流岸坡和生態(tài)護坡的特點及河岸生態(tài)護坡技術(shù)，通過對石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)的深入研究，對其進行優(yōu)化設(shè)計；王遠明等[5]進行水槽模型試驗，分析石籠網(wǎng)墊護坡結(jié)構(gòu)在不同水流沖刷作用下變形過程與破壞規(guī)律；劉豐陽等[6]對荊江河段不同類型的植被生態(tài)護坡進行水流試驗，分析植被根部對水流沖刷影響；趙航[7]分析不同護坡技術(shù)特點與它的適用性和局限性，總結(jié)出不同生態(tài)護坡技術(shù)的適用環(huán)境；關(guān)春曼等[8]針對中小河流生態(tài)護岸技術(shù)發(fā)展趨勢提出了生態(tài)護岸建設(shè)中需要解決的共性難題，并展望了未來主要研究方向。生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)不僅維持岸坡穩(wěn)定性、防止岸坡發(fā)生河道崩岸，還保證水河流-岸坡-生物之間能夠進行物質(zhì)、信息和能量交換，為河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定提供保障[9]。

生態(tài)護坡的應(yīng)用也存在諸多問題：1)全生態(tài)護坡的結(jié)構(gòu)強度和整體穩(wěn)定性較差；2)結(jié)構(gòu)單一，僅考慮平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、無法形成消能效果好的三維空間體；3)保土效果差，洪水期水位變動區(qū)營養(yǎng)土和植被種子被沖蝕。

筆者提出一種新型生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)，除具有傳統(tǒng)守護功能外，還兼顧對河岸生態(tài)景觀的良性作用，盡可能恢復(fù)和重建因航道開發(fā)導(dǎo)致退化的河岸帶生態(tài)系統(tǒng)。在河岸景觀、生態(tài)修復(fù)和提高沿岸帶生物多樣性等方面，都取得了一定的創(chuàng)新性成果。以長江中下游河段為研究背景，通過模擬不同河道岸坡類型，采用物理模型動床試驗分析新型護坡結(jié)構(gòu)下順直河道和彎曲河道岸坡的沖淤變化；分析不同水流入射角度對彎曲河道岸坡穩(wěn)定性影響；針對不同類型岸坡提出合理的岸坡防護優(yōu)化方案。為今后生態(tài)護坡工程建設(shè)提供合理性建議和思路。

1 物理模型試驗

1.1 試驗水槽

物理模型動床試驗分為直道水槽和彎道水槽試驗，分別模擬順直河道和彎曲河道。

直道水槽物理模型試驗在長30 m、寬2 m、高1 m的玻璃水槽內(nèi)進行，彎道水槽物理模型試驗在長30 m、高2 m、底部寬度2 m的滑坡涌浪彎道水槽內(nèi)進行試驗，均由進水口、試驗水槽和出水口組成。1)進水口布置流量控制系統(tǒng)，由流量控制進行調(diào)控，對變頻器發(fā)送指令控制抽水水泵功率，實現(xiàn)對流量的控制。2)出水口設(shè)置尾門，通過調(diào)節(jié)尾門高度改變試驗水槽水深，流量控制系統(tǒng)和尾門協(xié)同作用改變試驗水力參數(shù)。3)試驗水槽分為上、下游過渡段，試驗段。上游過渡段作用為調(diào)節(jié)進水口來流量、滿足進入試驗段的水流為充分發(fā)展水流，下游過渡段作用為調(diào)節(jié)試驗段水流、減小下游尾門對試驗段影響。上下游各12.5 m，直道水槽試驗段位于中線位置，長度5 m；彎道水槽試驗段位于彎道處中線位置處，長度5 m。見圖1。

圖1 水槽布置

模型試驗在重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心航道整治試驗大廳進行。物理模型試驗場地見圖2。

圖2 物理模型試驗場地

1.2 生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)塊體由長江勘察設(shè)計研究院設(shè)計，塊體底部為邊長23 cm的正方形、頂部為邊長15 cm的正方形、高度20 cm，收口式設(shè)計，目的是減少岸坡被高速水流淘刷；四周采用圓弧面連接上下底的形式，目的是保證水流平順經(jīng)過；塊體內(nèi)部為空腔設(shè)計，給魚類和岸坡水生植物提供一個良好的生存環(huán)境。見圖3。單個的生態(tài)護坡塊體在岸坡上緊密排列鋪設(shè)，達到對岸坡整體防護的目的。

圖3 新型生態(tài)護坡塊體模型

1.3 模型試驗岸坡坡度選擇

收集長江中游荊江河段典型岸坡破壞前的坡度范圍，選取岸坡破壞的典型坡度，試驗岸坡坡度選取為1:3。

1.4 模型試驗比尺選擇

選用正態(tài)物理模型試驗。根據(jù)物理試驗水槽的實際尺寸，試驗采用局部模擬的方法，僅模擬靠近河岸局部區(qū)域，采用λL=3的平面比尺和垂直比尺、λv=1.732的速度比尺進行物理模型試驗研究。

1.5 模型試驗流速、水深選擇

長江中下游河道枯水河寬約800 m、洪水河寬約2 000 m，流量5 000～50 000 m3/s，流速0.50～3.00 m/s。模擬洪水條件下岸坡的防護效果，結(jié)合實驗室情況，選取原型流速2.00 m/s作為試驗流速。

物理模型動床試驗共鋪設(shè)9層生態(tài)護坡塊體，見圖4。底部2層模擬枯水期水位能淹沒的高度范圍，頂部2層模擬洪水期水位能淹沒的高度范圍，中間5層模擬水位變動區(qū)的淹沒范圍。試驗分析最不利情況下的河床沖淤變化情況，選擇洪水水深作為物理試驗水位，試驗選取模型洪水淹沒深度22 cm。

圖4 生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)布置

1.6 試驗岸坡泥沙選擇

路鼎[10]根據(jù)相關(guān)資料收集、整理長江中下游泥沙中值粒徑范圍，見表1。

表1 長江中下游泥沙中值粒徑

根據(jù)上述資料，天然河道沙的中值粒徑定為d50=0.25 mm。通過泥沙比尺計算，物理模型試驗采用的模型沙中值粒徑為d50=0.15 mm、密度為2.7 t/m3，通過計算得出模型泥沙起動流速v=0.13 m/s。

1.7 試驗工況設(shè)計

模擬觀測不同類型岸坡在護坡結(jié)構(gòu)保護下的沖淤變化，結(jié)合實際情況提出適用于工程的合理優(yōu)化方案。綜上所述，試驗工況設(shè)計見表2。

表2 試驗工況設(shè)計

2 試驗現(xiàn)象分析

2.1 天然情況下岸坡的沖淤分析

圖5為天然狀態(tài)未沖刷試驗段，岸坡沖刷情況見圖6。通過直道水槽試驗可以看出：岸坡遭受嚴重破壞，試驗段泥沙流失嚴重，大量泥沙在洪水作用下被挾帶到下游，因此洪水情況下岸坡穩(wěn)定性遭受到嚴重威脅。

圖5 試驗前天然狀態(tài)下岸坡

圖6 沖刷后的試驗段

2.2 新型生態(tài)護坡物理模型動床試驗分析

通過天然情況岸坡直道水槽物理模型試驗，觀察得出岸坡泥沙沖刷現(xiàn)象明顯。因此，結(jié)合實際工程中常用技術(shù)手段，在鋪設(shè)新型生態(tài)護坡塊體時，首先采用散拋石進行岸坡坡腳及護坡兩側(cè)防沖及護坡加固。

拋石抗沖粒徑的選擇，可按下式確定：

D=0.017 3v2.78h-0.39

(1)

式中：D為塊石粒徑(m)；v為垂線平均流速(m/s)；h為垂線水深(m)。

根據(jù)長江中下游平順拋石護岸工程的實踐經(jīng)驗，塊石粒徑的范圍，中游一般取0.15 ～ 0.45 m、下游取0.10 ～ 0.40 m。本文結(jié)合計算值和經(jīng)驗值，從偏安全的角度選取拋石粒徑約為0.1 m，對應(yīng)拋石模型粒徑為2 ～ 3 cm。由于護坡端頭和底部位置破壞較為嚴重，從安全角度出發(fā)，防止沙床裸漏，散拋石的鋪設(shè)厚度在3～5 cm、鋪設(shè)2～3層。鋪設(shè)完成情況見圖7。

2.2.1不同試驗條件下新型生態(tài)護坡效果分析

根據(jù)生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)試驗觀察得出：直道水槽護坡結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯形變，見圖8；從岸坡泥沙沖淤效果觀測得出：直道水槽護坡結(jié)構(gòu)對沙床保護效果明顯，且單獨的護坡結(jié)構(gòu)塊體內(nèi)部沙床輸移變化相似，見圖9。

圖8 直道水槽試驗后護坡結(jié)構(gòu)效果

圖9 直道水槽試驗后岸坡沖淤效果

觀測護坡結(jié)構(gòu)不同鋪設(shè)位置(前部、中部和尾部)沖刷坑深度，分析不同位置處水流對護坡塊體內(nèi)部泥沙沖淤的影響。護坡塊體布置是25(列)×9(排)，選擇前部第3列、中部第13列和尾部第23列(3～7排)進行分析。分析得出：不同位置處沖刷規(guī)律相似、沖刷深度也相似，不同位置處在中部沖刷深度最小，大致呈拋物線分布，見圖10。

圖10 直道水槽不同水深位置新型生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)內(nèi)部泥沙沖淤

選擇不同水深位置塊體內(nèi)部泥沙沖淤進行對比分析，以位于中間位置第13列(3～7排)塊體為研究對象。相比原始地形，沖刷后的地形呈現(xiàn)前淤后沖的現(xiàn)象，且不同位置護坡結(jié)構(gòu)內(nèi)部沖淤效果相似。沖刷深度最大為1 cm，淤積高度1.5 cm。見圖11。

圖11 直道水槽新型生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)內(nèi)部泥沙沖淤

彎道水槽護坡穩(wěn)定性發(fā)生明顯變化，護坡端頭位置發(fā)生明顯沉降、滑移，塊體沉降范圍延伸至護坡中部，岸坡沖刷嚴重，端頭和中部沙床遭到破壞，見圖12、13。

圖12 彎道水槽試驗后護坡結(jié)構(gòu)效果

圖13 彎道水槽試驗后岸坡沖淤效果

觀察試驗過程，得到彎道水槽護坡失穩(wěn)機理為：水流在彎道處的頂沖效應(yīng)和水流進入護坡塊體空腔內(nèi)后渦流紊動共同作用，導(dǎo)致水流挾帶大量護坡內(nèi)部泥沙流向下游，造成護坡塊體失穩(wěn)沉降。標識處表示在試驗過程中生態(tài)護坡塊體內(nèi)部泥沙正在被淘刷，見圖14。

圖14 彎道水槽試驗端頭水流特性

2.2.2不同水流入射角度對彎曲河道護坡結(jié)構(gòu)防護效果分析

通過新型生態(tài)護坡物理模型試驗得出，彎曲河道岸坡護坡結(jié)構(gòu)效果較差、端頭及中部位置岸坡泥沙淘刷嚴重。因此分析彎曲河道不同水流入射角度對護坡結(jié)構(gòu)防護的影響，對比5°、10°和15°不同水流入射角度時彎道水槽岸坡的沖淤變化。

觀察彎道水槽試驗，護坡塊體的失穩(wěn)沉降范圍和水流入射角呈正相關(guān)性。如圖15所示，方框區(qū)域代表護坡結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降、滑移等不規(guī)則形變的區(qū)域，隨著水流入射角度的增大，護坡結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)范圍也在增大。

圖15 不同水流入射試驗后護坡結(jié)構(gòu)

岸坡在15°的水流入射角度下，泥沙流失最嚴重，測量得到岸坡泥沙流失長度范圍約1.5 m，約占護坡總長度的2/3。在水流入射角度10°和5°的工況下，岸坡沖刷長度分別約為1.0 m和0.5 m。標識處表示沉降范圍，見圖16。說明岸坡泥沙沖刷長度和水流入射角度正相關(guān)，彎道河段沖刷位置主要在護坡端頭位置處，護坡結(jié)構(gòu)形變位置發(fā)生在端頭。

圖16 不同水流入射試驗后岸坡沖刷效果

2.2.3岸坡沖刷機理分析

岸坡沖刷機理：水流入射角度越大，水流在彎道處對凹岸的頂沖作用效果越明顯、水流進入護坡結(jié)構(gòu)塊體空腔的幾率越大、對岸坡泥沙的沖刷效果越明顯。

2.2.4彎曲河段新型生態(tài)護坡優(yōu)化效果分析

彎曲河道岸坡失穩(wěn)的主要原因是護坡塊體空腔內(nèi)部泥沙淘刷。針對彎曲河道提出彎曲河道護坡優(yōu)化方案，即在原有的護坡基礎(chǔ)上，底部鋪設(shè)土工織布，目的是隔絕岸坡和水流的直接接觸。見圖17。

圖17 優(yōu)化方案布置

彎道水槽按照優(yōu)化方案進行試驗后，護坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到明顯改善，岸坡泥沙也得到有效保護，岸坡無明顯沖刷痕跡，見圖18。說明土工織布隔絕岸坡和水流接觸效果明顯。

圖18 優(yōu)化方案試驗后

2.2.5不同因素對生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)防護效果的影響

通過物理模型試驗，分析不同因素生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)對岸坡穩(wěn)定性防護效果。對于順直河道，生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)防護效果較為明顯，護坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)內(nèi)部泥沙沖淤效果相似；對于彎曲河道，由于彎道向心力和橫向壓力的共同作用，水流條件復(fù)雜，形成渦流，在相同的來流條件下防護效果較順直河道差，護坡結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)程度與岸坡泥沙沖刷長度范圍和水流入射角度正相關(guān)。

3 結(jié)論

1)新型生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)應(yīng)用于順直河道岸坡，防護效果明顯，護坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2)在彎曲河道，生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)程度和水流入射角度正相關(guān)，岸坡泥沙沖刷長度范圍和水流入射角度正相關(guān)。沖刷位置主要位于護坡結(jié)構(gòu)端頭位置，并向下游逐漸延伸。

3)同等水流條件，彎曲河道生態(tài)護坡防護效果比順直河道差。因為水流進入彎曲河道時，存在對凹岸的頂沖作用，同時渦流的形成導(dǎo)致護坡附近水力特性更加復(fù)雜，岸坡的沖刷效果更加明顯。

4)優(yōu)化方案保證彎曲河道岸坡得到有效防護，護坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，均未出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。