江河湖泊及海岸带的堤防、岸滩、涉水建筑物的防护是江河治理工程的重要环节,对维持河势稳定,保障防洪安全、航运安全至关重要,一直以来都是水利工程建设和管理的核心问题.
为实现护堤固岸、加强对冲刷的防护,各种防护技术被应用于防护冲刷之中.
目前传统的抗冲型防护措施,会造成水流对防护层的集中冲击,在一定条件下,会引发整个防护工程的溃败,例如较常用的抛石防护措施就存在5种不同的失稳机制[1-5];另外,从中长期来看实体型防护措施存在着工程量大、投资大、需不断维护补充以及生态性缺乏等不足之处.
目前,透水型防护措施以透水性和生态性等方面的优势,越来越得到重视.四面六边透水框架群是一种典型的透水防护体,是近年发展起来的新型的“亲水”式生态护堤固岸、防护墩柱技术,能够有效改变附近水流结构,具有明显的减速促淤作用,使得水流能够平稳过度,在保护岸滩堤防的同时,也为各种两栖生物、岸滩洞穴生物、浮游生物、底栖生物等提供了生活通道、栖息场所等,尽可能地保持了局部原生态系统的连续性和完整性.
关于四面六边透水框架防护,前人已开展了许多实验等方面的研究,并取得了很多有价值的研究成果,并为后续进一步的研究奠定很好的基础.但是目前关于四面六边透水框架防护层减速促淤效果及减速促淤机理研究成果较多[6-14],而关于稳定性的研究较少[11].
防护层的优劣程度不仅体现在防护的直接效果方面,如:冲刷坑的变化,还应该体现在防护层的稳定性方面,这是防护措施能够长久达到防护效果的保证,因此加强防护层稳定性的研究十分必要.
本文采用水槽试验结合理论分析的方法,从四面六边透水框架群起动过程、起动失稳临界条件和框架群边缘冲淤变化等方面对框架群整体稳定性及边缘稳定性作了初步探讨,以期为四面六边透水框架群在防护冲刷方面的应用提供技术依据.
1试验参数及布置
试验在长16m、宽0.4m、高0.75m的变坡水槽中进行,水槽采用了自循环水系统.水槽两侧边壁为透明玻璃,便于试验的观测.在水槽的进水口处设有长20cm的蜂窝状平水格栅,用来抑制回水产生的涡流,校直水流方向,产生比较好的均匀流条件.水槽的尾部设置了旋转尾门,能够根据要求调整所需要的水深.水槽的底部设置有旋转齿轮,可以调整水槽到所需要的底坡.
水流通过变频泵进入水池的流量通过安装在抽水管道上的超声波流量计进行测量.试验中的四面六边透水框架是采用硬塑料预制而成,为了达到试验所需的强度和密度要求,预制的过程中掺入了铁粉,其密度约为2.50×103kg/m3.
由于杆件截面形状为正方形的框架防护效果要优于杆件截面为圆形的框架[9],试验中选用的框架杆件断面为正方形,其尺寸按比尺做了相对缩小,为1.7mm×1.7mm(a×a),杆件长度为l=17mm,如图1所示.为了消除框架表面附着污渍对试验的影响,试验中用肥皂泡对杆件进行了浸泡和清洗.试验采用无黏性的均匀天然沙.
本文为机理性研究,为了尽量接近天然情况下透水框架与天然泥沙的比值,选用较细 颗粒的 泥沙,泥沙中值粒径d50=0.40mm,不均匀系数σg=1.30,泥沙密度ρs=2.65×103kg/m3.
根据有关泥沙起动相似分析,该泥沙对应原型泥沙中值粒径近2cm,为较粗的砾石;考虑到本文侧重机理性分析,因此对泥沙粒径不做过多要求.【1】
2起动失稳及临界条件
任何防护措施,当水流强度超过其承受能力的时候,均会产生不同程度的破坏.
例如抛石,当水流强度超过抛石起动流速的时候,抛石会被水流冲走而造成防护失效[1-3].每年洪峰过后,抛石被水流冲走而造成防护失效的例子大量存在,需要花费大量的维护费来补充流失的石料.
四面六边透水框架群是由单个四面体组成的群体性结构,既可以以类似于抛石一样的散粒体形式存在,也可以数个捆绑一起组成防护层,后者比前者更耐冲,更加稳定.出于一般性及最大安全度的考虑,本文只考虑前者在不同水力条件下的稳定性.
2.1起动失稳过程
所谓起动失稳是指用于防护冲刷的防护层不足以抵抗水流流速而被带走所引起的破坏.
当单个框架的重量不足以抵抗水流对其作用力的时候,框架群会产生滑移或者滚动而被冲走.
根据试验观测,床面光滑的情况下,框架主要表现为滑移的形式,而床面为泥沙的时候,则表现为滑移和滚动交替发生.
主要是在光滑床面上,框架与床面的滑动摩擦系数较小而容易滑动;而在粗糙床面对应的摩擦系数大大增大,同时由于框架会有一定程度的嵌入泥沙,而造成滑动不易,因此表现为滑移和滚动交替发生.
试验观测表明,不管其滑移还是滚动,框架群的整体起动破坏过程均可以分成:初始状态、单翼破坏、双翼破坏及整体破坏4个阶段,见图2.
初始状态对应着框架群没有任何破坏的情况,能够最大程度保证防护的效果.
当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冲击,框架会个别滑移、调整,使群体更紧凑.由于框架是随机抛投,造成其上游左右翼承受水流能力并不相同,会在承受能力较弱的一翼开始形成破坏,一些框架开始剥离,单翼破坏形成.
随着流速继续增大,承受水流能力相对较强的一翼中的框架也开始被水流剥离,双翼破坏形成.当剥离发展到一定程度后,会形成椭圆形或者锥形的迎流面.如果水流不继续增加,那么透水框架群会维持较好的稳定性,因此,框架群上游端布置成椭圆形或者锥形比方形更加合理.继续增大水流强度,框架群会呈现大片剥离的状态,此时标志着框架群整体破坏的形成.2.2整体破坏临界条件。。
框架群整体破坏的形成,标志着其失去了防护能力,其对应的水力条件非常重要,这里称之为框架群整体破坏的临界条件.
针对不同水深、流速及框架群布置厚度和密度进行了一系列粗糙床面(d50=0.4mm)的防护层破坏试验.对每组工况,试验中先布置好框架群,然后慢慢调整至所需的流量,待水流稳定后,慢慢增大尾门,调节水槽坡度,来增大流速.为了保证试验的精度及水流的均匀性,调节尾门时,每次转动固定圈数来调节坡度,以达到均匀流;在每次调节结束后,停留0.5h.来观测框架群的起动,直到发生整体破坏.试验中记录的水力条件为恰好达到整体破坏时对应的水力参数.
如图3所示为框架群整体破坏阶段对应的临界条件,图中h、u*分别为来流水深和摩阻流速,摩阻流速的计算方法为:根据框架群上游2m处水槽中部垂线上y<0.2h的流速值,利用流速对数率公式并假定Karman常数为0.4推算;η、hf为框架群布置密度(框架杆件体积与框架群整体所占空间体积之比)和厚度.
试验中参数范围h为5.2~23.9cm,u*为1.66~4.04cm/s,hf为1.65~2.50cm,η为0.02~0.08.摩阻流速u*意味着床面水流的剪切应力,图3中的摩阻流速u*越大,表明框架群起动所需的床面水流的剪切应力越大,框架群越稳定.在框架群起动失稳临界条件下,当相对来流水深h/hf≤4的时候,摩阻流速u*随h/hf增大而增大,然而当h/hf>4的时候,摩阻流速u*开始围绕该某值上下波动,表明此时u*开始趋向一定值,此时框架群破坏的摩阻流速u*已经与相对水深h/hf无关.
该趋势表明,当h/hf比较小(h/hf≤4)的时候,框架群所占水流断面面积比率比较大,阻水面积相对较大,对水流干扰加大,框架群稳定性较差;当h/hf比较大(h/hf>4)的时候,框架群所占水流断面面积比率比较小,阻水面积相对较小,对水流干扰加小,框架群稳定性趋向恒值并达到最大.
从框架群自身的稳定性考虑,防护时框架抛投厚度的控制参数h/hf宜大于4.图3的指示箭头标明了布置密度η增大的方向,可以看出框架群布置密度η越大,达到整体破坏所需的摩阻流速u*就越大,框架群就越稳定.
试验观测到布置密度比较大的时候,框架群之间会相互嵌套,起动的时候往往都是数个一起被冲走,因此增加了对水流冲刷的抵抗力,导致了破坏所需相对流速的增大.
3边缘稳定性
研究表明[1],常用的抛石防护层,冲刷常首先发生在防护层与床沙交界处.
这是由于抛石阻水扰流,紊动局部加剧,流速脉动加强所导致的;尽管流速较低,抛石不会被水流冲走,但其附近的床沙却受到水流侵蚀,抛石滚入淘刷产生的坑内,导致受抛石防护的床沙暴露出来.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护效果的同时,对水流边缘处扰动比较小.
尽管如此,框架防护层交界处冲刷情况如何,还需进一步试验研究.试验中采用框架群横向铺满床面的布置形式,水流方向布置长度为1m.试验水深h=8cm,以形成二维水流.为控制泥沙与框架群的相对尺度,试验选用的泥沙粒径d50=0.4mm,同时为保证冲刷的要求,泥沙铺设厚度为10cm.试验过程中流速均小于泥沙起动流速,以保证泥沙的起动不是由于水流的直接作用所导致.每组工况运行时间均大于23h,冲淤平衡后,对水槽中轴线的冲淤情况进行测量.如图4所示为框架群沿程冲淤示意图及变量说明.
如表1所示为不同水流条件下框架群边缘处的冲淤特征参数,其中U/Uc为来流流速与床沙起动流速的比值,t为试验时间,dse2和dae分别为框架群首部最大冲刷深度和最大淤积厚度,L1、Lse1和dse1分别为尾流区未冲刷长度、最大冲刷深度位置距框架群边缘距离和尾流区最大刷深度.
如图5所示则是对应于表1的框架群附近冲淤特征参数随流速的变化关系.在框架群首部与泥沙交界处,由于透水作用,框架群对水流阻水作用很小,交界处基本没有冲刷产生.水流进入框架群后,由于杆件扰流作用,尽管近床面流速有所降低,但是水流紊动加剧,在此综合作用之下,在框架群首部边缘的下游产生了一定的冲刷,最大冲刷深度dse2随着相对流速U/Uc的增大而增大.
淘刷产生的部分泥沙淤积在下游,这显然是流速降低到一定程度,而且水流紊动有所减弱所导致的.该淤积区域最大淤积厚度dae与相对流速U/Uc关系不大,显然此时框架群区域已经形成了较好的低速区.水流流出框架群后,在尾流区没有立刻引起冲刷.
试验观测到在框架群尾部边缘下游形成了一段未冲刷区域L1.尽管框架群下游冲刷坑的坡度很小,该区域尺度的测量较为困难,依然可以从图5看出,L1与相对流速U/Uc呈现较强的正相关.
根据紊流研究成果[10-12],呈现这种关系的原因是框架群的减速作用.穿过框架群的水流在近床面处流速很低,在框架群后部会形成低速区,该低速区的流速并不足以使泥沙产生冲刷.框架群上方通过的水流在尾流区有下潜冲击床面的过程,由于框架群高度是一定的,下潜过程中水平流速越快,在水平方向通过的距离就越长,低速区就相对越长.
数据分析表明,冲刷坑最大深度dse1及最大深度位置距防护层后边缘长度Lse1均与相对流速U/Uc呈现较强的正比关系.增加框架群布置密度(η=0.08),相对于η=0.04而言,首部最大冲刷深度和最大淤积厚度变化不大;而尾流区最大冲刷深度及其距离防护层下边缘距离增大,这是由于框架较高较密所导致.无论是框架群上游,还是下游的“冲刷后移”现象发生的原因还是在于其自身的透水特性,使水流能穿越过去,而不至于直接在框架群边缘处形成集中的扰流现象.“冲刷后移”现象对边缘处的稳定相当有利,因为冲刷坑并不是发生在边缘交界处,避免形成边缘淘刷而使框架失去支撑,进而避免了框架的走失.
在框架群内部的淤积现象增加了框架群自身的稳定性.
4结论
根据对四面六边透水框架群起动失稳方式、过程和整体破坏临界条件以及首尾边缘处的稳定性的水槽试验研究和分析,可以得出如下结论:
(1)框架在床面的移动可以分为滚动和滑动2种方式.在床面光滑时,框架移动主要表现为滑移,在床面粗糙时,则表现为滑移和滚动交替发生.框架群的起动破坏过程分成:初始状态、单翼破坏、双翼破坏及整体破坏4个阶段.
(2)框架群的稳定性与其布置形式和参数有关.防护层迎流面布置成流线型有利于框架群的稳定.在起动失稳临界条件下,当相对来流水深h/hf≤4的时候,摩阻流速u*随h/hf增大而增大,当h/hf>4的时候,u*与相对水深h/hf无关.因此从稳定性考虑,实际应用中,框架群抛投厚度的控制参数h/hf宜大于4.框架群布置密度η越大,达到整体破坏所需的摩阻流速u*就越大,框架群越稳定.
(3)框架群边缘处没有发生明显的淘刷,冲刷发生在首部边缘下游和尾部边缘下游,表现出一定的“冲刷后移”现象,上游是由于框架群透水作用导致,而下游则是由于尾流区形成了低速区.“冲刷后移”现象对框架群边缘处的稳定相当有利,避免形成边缘淘刷使框架失去支撑而造成流失;四面体框架内部的淤积现象增加了框架群的稳定性,实际运用中应当使防护对象位于该淤积区域,以达到较好的防护效果.
以上水槽试验的研究成果是对透水型防护冲刷措施—四面六边透水框架群的整体稳定性及边缘稳定特性的初步探索,其为进一步深入研究四面六边透水框架群乃至透水型防护措施的稳定性奠定了较好的基础,同时也为透水防护措施在江河治理中的推广提供了初步的技术依据.
