江河湖泊及海岸帶的堤防、岸灘、涉水建筑物的防護是江河治理工程的重要環節,對維持河勢穩定,保障防洪安全、航運安全至關重要,一直以來都是水利工程建設和管理的核心問題.
為實現護堤固岸、加強對沖刷的防護,各種防護技術被應用于防護沖刷之中.
目前傳統的抗沖型防護措施,會造成水流對防護層的集中沖擊,在一定條件下,會引發整個防護工程的潰敗,例如較常用的拋石防護措施就存在5種不同的失穩機制[1-5];另外,從中長期來看實體型防護措施存在著工程量大、投資大、需不斷維護補充以及生態性缺乏等不足之處.
目前,透水型防護措施以透水性和生態性等方面的優勢,越來越得到重視.四面六邊透水框架群是一種典型的透水防護體,是近年發展起來的新型的“親水”式生態護堤固岸、防護墩柱技術,能夠有效改變附近水流結構,具有明顯的減速促淤作用,使得水流能夠平穩過度,在保護岸灘堤防的同時,也為各種兩棲生物、岸灘洞穴生物、浮游生物、底棲生物等提供了生活通道、棲息場所等,盡可能地保持了局部原生態系統的連續性和完整性.
關于四面六邊透水框架防護,前人已開展了許多實驗等方面的研究,并取得了很多有價值的研究成果,并為后續進一步的研究奠定很好的基礎.但是目前關于四面六邊透水框架防護層減速促淤效果及減速促淤機理研究成果較多[6-14],而關于穩定性的研究較少[11].
防護層的優劣程度不僅體現在防護的直接效果方面,如:沖刷坑的變化,還應該體現在防護層的穩定性方面,這是防護措施能夠長久達到防護效果的保證,因此加強防護層穩定性的研究十分必要.
本文采用水槽試驗結合理論分析的方法,從四面六邊透水框架群起動過程、起動失穩臨界條件和框架群邊緣沖淤變化等方面對框架群整體穩定性及邊緣穩定性作了初步探討,以期為四面六邊透水框架群在防護沖刷方面的應用提供技術依據.
1試驗參數及布置
試驗在長16m、寬0.4m、高0.75m的變坡水槽中進行,水槽采用了自循環水系統.水槽兩側邊壁為透明玻璃,便于試驗的觀測.在水槽的進水口處設有長20cm的蜂窩狀平水格柵,用來抑制回水產生的渦流,校直水流方向,產生比較好的均勻流條件.水槽的尾部設置了旋轉尾門,能夠根據要求調整所需要的水深.水槽的底部設置有旋轉齒輪,可以調整水槽到所需要的底坡.
水流通過變頻泵進入水池的流量通過安裝在抽水管道上的超聲波流量計進行測量.試驗中的四面六邊透水框架是采用硬塑料預制而成,為了達到試驗所需的強度和密度要求,預制的過程中摻入了鐵粉,其密度約為2.50×103kg/m3.
由于桿件截面形狀為正方形的框架防護效果要優于桿件截面為圓形的框架[9],試驗中選用的框架桿件斷面為正方形,其尺寸按比尺做了相對縮小,為1.7mm×1.7mm\\(a×a\\),桿件長度為l=17mm,如圖1所示.為了消除框架表面附著污漬對試驗的影響,試驗中用肥皂泡對桿件進行了浸泡和清洗.試驗采用無黏性的均勻天然沙.
本文為機理性研究,為了盡量接近天然情況下透水框架與天然泥沙的比值,選用較細 顆粒的 泥沙,泥沙中值粒徑d50=0.40mm,不均勻系數σg=1.30,泥沙密度ρs=2.65×103kg/m3.
根據有關泥沙起動相似分析,該泥沙對應原型泥沙中值粒徑近2cm,為較粗的礫石;考慮到本文側重機理性分析,因此對泥沙粒徑不做過多要求.【1】
2起動失穩及臨界條件
任何防護措施,當水流強度超過其承受能力的時候,均會產生不同程度的破壞.
例如拋石,當水流強度超過拋石起動流速的時候,拋石會被水流沖走而造成防護失效[1-3].每年洪峰過后,拋石被水流沖走而造成防護失效的例子大量存在,需要花費大量的維護費來補充流失的石料.
四面六邊透水框架群是由單個四面體組成的群體性結構,既可以以類似于拋石一樣的散粒體形式存在,也可以數個捆綁一起組成防護層,后者比前者更耐沖,更加穩定.出于一般性及最大安全度的考慮,本文只考慮前者在不同水力條件下的穩定性.
2.1起動失穩過程
所謂起動失穩是指用于防護沖刷的防護層不足以抵抗水流流速而被帶走所引起的破壞.
當單個框架的重量不足以抵抗水流對其作用力的時候,框架群會產生滑移或者滾動而被沖走.
根據試驗觀測,床面光滑的情況下,框架主要表現為滑移的形式,而床面為泥沙的時候,則表現為滑移和滾動交替發生.
主要是在光滑床面上,框架與床面的滑動摩擦系數較小而容易滑動;而在粗糙床面對應的摩擦系數大大增大,同時由于框架會有一定程度的嵌入泥沙,而造成滑動不易,因此表現為滑移和滾動交替發生.
試驗觀測表明,不管其滑移還是滾動,框架群的整體起動破壞過程均可以分成:初始狀態、單翼破壞、雙翼破壞及整體破壞4個階段,見圖2.
初始狀態對應著框架群沒有任何破壞的情況,能夠最大程度保證防護的效果.
當水流增大到一定程度后,由于框架群上游端受到水流的直接沖擊,框架會個別滑移、調整,使群體更緊湊.由于框架是隨機拋投,造成其上游左右翼承受水流能力并不相同,會在承受能力較弱的一翼開始形成破壞,一些框架開始剝離,單翼破壞形成.
隨著流速繼續增大,承受水流能力相對較強的一翼中的框架也開始被水流剝離,雙翼破壞形成.當剝離發展到一定程度后,會形成橢圓形或者錐形的迎流面.如果水流不繼續增加,那么透水框架群會維持較好的穩定性,因此,框架群上游端布置成橢圓形或者錐形比方形更加合理.繼續增大水流強度,框架群會呈現大片剝離的狀態,此時標志著框架群整體破壞的形成.2.2整體破壞臨界條件。。
框架群整體破壞的形成,標志著其失去了防護能力,其對應的水力條件非常重要,這里稱之為框架群整體破壞的臨界條件.
針對不同水深、流速及框架群布置厚度和密度進行了一系列粗糙床面\\(d50=0.4mm\\)的防護層破壞試驗.對每組工況,試驗中先布置好框架群,然后慢慢調整至所需的流量,待水流穩定后,慢慢增大尾門,調節水槽坡度,來增大流速.為了保證試驗的精度及水流的均勻性,調節尾門時,每次轉動固定圈數來調節坡度,以達到均勻流;在每次調節結束后,停留0.5h.來觀測框架群的起動,直到發生整體破壞.試驗中記錄的水力條件為恰好達到整體破壞時對應的水力參數.
如圖3所示為框架群整體破壞階段對應的臨界條件,圖中h、u*分別為來流水深和摩阻流速,摩阻流速的計算方法為:根據框架群上游2m處水槽中部垂線上y<0.2h的流速值,利用流速對數率公式并假定Karman常數為0.4推算;η、hf為框架群布置密度\\(框架桿件體積與框架群整體所占空間體積之比\\)和厚度.
試驗中參數范圍h為5.2~23.9cm,u*為1.66~4.04cm/s,hf為1.65~2.50cm,η為0.02~0.08.摩阻流速u*意味著床面水流的剪切應力,圖3中的摩阻流速u*越大,表明框架群起動所需的床面水流的剪切應力越大,框架群越穩定.在框架群起動失穩臨界條件下,當相對來流水深h/hf≤4的時候,摩阻流速u*隨h/hf增大而增大,然而當h/hf>4的時候,摩阻流速u*開始圍繞該某值上下波動,表明此時u*開始趨向一定值,此時框架群破壞的摩阻流速u*已經與相對水深h/hf無關.
該趨勢表明,當h/hf比較小\\(h/hf≤4\\)的時候,框架群所占水流斷面面積比率比較大,阻水面積相對較大,對水流干擾加大,框架群穩定性較差;當h/hf比較大\\(h/hf>4\\)的時候,框架群所占水流斷面面積比率比較小,阻水面積相對較小,對水流干擾加小,框架群穩定性趨向恒值并達到最大.
從框架群自身的穩定性考慮,防護時框架拋投厚度的控制參數h/hf宜大于4.圖3的指示箭頭標明了布置密度η增大的方向,可以看出框架群布置密度η越大,達到整體破壞所需的摩阻流速u*就越大,框架群就越穩定.
試驗觀測到布置密度比較大的時候,框架群之間會相互嵌套,起動的時候往往都是數個一起被沖走,因此增加了對水流沖刷的抵抗力,導致了破壞所需相對流速的增大.
3邊緣穩定性
研究表明[1],常用的拋石防護層,沖刷常首先發生在防護層與床沙交界處.
這是由于拋石阻水擾流,紊動局部加劇,流速脈動加強所導致的;盡管流速較低,拋石不會被水流沖走,但其附近的床沙卻受到水流侵蝕,拋石滾入淘刷產生的坑內,導致受拋石防護的床沙暴露出來.紊流分析表明[11],由于自身的透水功能,框架群在起到所需防護效果的同時,對水流邊緣處擾動比較小.
盡管如此,框架防護層交界處沖刷情況如何,還需進一步試驗研究.試驗中采用框架群橫向鋪滿床面的布置形式,水流方向布置長度為1m.試驗水深h=8cm,以形成二維水流.為控制泥沙與框架群的相對尺度,試驗選用的泥沙粒徑d50=0.4mm,同時為保證沖刷的要求,泥沙鋪設厚度為10cm.試驗過程中流速均小于泥沙起動流速,以保證泥沙的起動不是由于水流的直接作用所導致.每組工況運行時間均大于23h,沖淤平衡后,對水槽中軸線的沖淤情況進行測量.如圖4所示為框架群沿程沖淤示意圖及變量說明.
如表1所示為不同水流條件下框架群邊緣處的沖淤特征參數,其中U/Uc為來流流速與床沙起動流速的比值,t為試驗時間,dse2和dae分別為框架群首部最大沖刷深度和最大淤積厚度,L1、Lse1和dse1分別為尾流區未沖刷長度、最大沖刷深度位置距框架群邊緣距離和尾流區最大刷深度.
如圖5所示則是對應于表1的框架群附近沖淤特征參數隨流速的變化關系.在框架群首部與泥沙交界處,由于透水作用,框架群對水流阻水作用很小,交界處基本沒有沖刷產生.水流進入框架群后,由于桿件擾流作用,盡管近床面流速有所降低,但是水流紊動加劇,在此綜合作用之下,在框架群首部邊緣的下游產生了一定的沖刷,最大沖刷深度dse2隨著相對流速U/Uc的增大而增大.
淘刷產生的部分泥沙淤積在下游,這顯然是流速降低到一定程度,而且水流紊動有所減弱所導致的.該淤積區域最大淤積厚度dae與相對流速U/Uc關系不大,顯然此時框架群區域已經形成了較好的低速區.水流流出框架群后,在尾流區沒有立刻引起沖刷.
試驗觀測到在框架群尾部邊緣下游形成了一段未沖刷區域L1.盡管框架群下游沖刷坑的坡度很小,該區域尺度的測量較為困難,依然可以從圖5看出,L1與相對流速U/Uc呈現較強的正相關.
根據紊流研究成果[10-12],呈現這種關系的原因是框架群的減速作用.穿過框架群的水流在近床面處流速很低,在框架群后部會形成低速區,該低速區的流速并不足以使泥沙產生沖刷.框架群上方通過的水流在尾流區有下潛沖擊床面的過程,由于框架群高度是一定的,下潛過程中水平流速越快,在水平方向通過的距離就越長,低速區就相對越長.
數據分析表明,沖刷坑最大深度dse1及最大深度位置距防護層后邊緣長度Lse1均與相對流速U/Uc呈現較強的正比關系.增加框架群布置密度\\(η=0.08\\),相對于η=0.04而言,首部最大沖刷深度和最大淤積厚度變化不大;而尾流區最大沖刷深度及其距離防護層下邊緣距離增大,這是由于框架較高較密所導致.無論是框架群上游,還是下游的“沖刷后移”現象發生的原因還是在于其自身的透水特性,使水流能穿越過去,而不至于直接在框架群邊緣處形成集中的擾流現象.“沖刷后移”現象對邊緣處的穩定相當有利,因為沖刷坑并不是發生在邊緣交界處,避免形成邊緣淘刷而使框架失去支撐,進而避免了框架的走失.
在框架群內部的淤積現象增加了框架群自身的穩定性.
4結論
根據對四面六邊透水框架群起動失穩方式、過程和整體破壞臨界條件以及首尾邊緣處的穩定性的水槽試驗研究和分析,可以得出如下結論:
\\(1\\)框架在床面的移動可以分為滾動和滑動2種方式.在床面光滑時,框架移動主要表現為滑移,在床面粗糙時,則表現為滑移和滾動交替發生.框架群的起動破壞過程分成:初始狀態、單翼破壞、雙翼破壞及整體破壞4個階段.
\\(2\\)框架群的穩定性與其布置形式和參數有關.防護層迎流面布置成流線型有利于框架群的穩定.在起動失穩臨界條件下,當相對來流水深h/hf≤4的時候,摩阻流速u*隨h/hf增大而增大,當h/hf>4的時候,u*與相對水深h/hf無關.因此從穩定性考慮,實際應用中,框架群拋投厚度的控制參數h/hf宜大于4.框架群布置密度η越大,達到整體破壞所需的摩阻流速u*就越大,框架群越穩定.
\\(3\\)框架群邊緣處沒有發生明顯的淘刷,沖刷發生在首部邊緣下游和尾部邊緣下游,表現出一定的“沖刷后移”現象,上游是由于框架群透水作用導致,而下游則是由于尾流區形成了低速區.“沖刷后移”現象對框架群邊緣處的穩定相當有利,避免形成邊緣淘刷使框架失去支撐而造成流失;四面體框架內部的淤積現象增加了框架群的穩定性,實際運用中應當使防護對象位于該淤積區域,以達到較好的防護效果.
以上水槽試驗的研究成果是對透水型防護沖刷措施—四面六邊透水框架群的整體穩定性及邊緣穩定特性的初步探索,其為進一步深入研究四面六邊透水框架群乃至透水型防護措施的穩定性奠定了較好的基礎,同時也為透水防護措施在江河治理中的推廣提供了初步的技術依據.
