强潮河口丁坝坝头块体抗冲稳定分析(杨火其,王文杰)

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潮河口丁坝坝头块体抗冲稳定分析水利论文/C p0{2m o

杨火其王文杰水利论文K1a*t1KE(CF?6]

(浙江省水利河口研究院)水利论文!HvG"f*Mep

摘要:通过对钱塘江强潮河口段丁坝坝头块体防冲实践的调查分析,结合涌潮水槽模型试验,提出块体现场坝头防护成败的原因。最后,根据室内试验的成果,提出了改善强潮河口块体坝头防冲效果的块体抛投方式。水利论文5@t:MU UO-I,x'G

关键词:钱塘江;丁坝坝头;块体;涌潮;抗冲性;稳定

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作者简介:杨火其(1967-),男,浙江省水利河口研究院工程师。

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1 引言水利论文@9|t |vL3@~S4h/I j

  强潮河口动力强劲,基础的防护工程是海塘建设的关键所在,采用丁坝群保滩护塘,效果明显。但丁坝突出河岸,在涌潮水流的作用下,即使有充分块石防护情况下,坝根、坝身、坝头的局部冲刷而引起丁坝的破坏相当严重,其中坝头的损坏尤其频繁。并且,大多数丁坝的破坏从坝头开始,因此坝头保护是整个丁坝保护的重点。

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  在涌潮水流条件下,常规抛石不能解决丁坝的基础防护,因此,自然联想到重量大得多的块体(本文所指的块体主要指用混凝土预制的各种形状的块体或骨架)。各种形状的块体(异型块体)在防浪方面已得到广泛的应用,研究得也较为充分,也积累了丰富的实践经验。一般,用于防浪方面的大型块体讲究形状粗糙,空隙率大;而位于丁坝坝头防冲的块体则要求其具有自身稳定性。大型块体在抵抗较高水流流速方面主要用于河道截流、堵口等,而用于坝头防冲方面的成果还不多见。黄河曾用过混凝土四面体、混凝土四脚锥体来保护丁坝坝头[1]。钱塘江河口段的丁坝坝头也曾用过大型混凝土预制块保护[2],有过失败的教训和成功的经验,但这些成果分析研究得不够深入。因此,本文在对钱塘江已有的丁坝坝头预制混凝土块防护的实践进行总结分析的基础上,结合室内潮浪水槽进行块体坝头防冲试验,研究大块体保护丁坝坝头方法。水利论文[b-eiP+fS

  丁坝坝头冲刷坑的形成与发展是丁坝破坏的主要因素。根据钱塘江河口两岸已建堆石丁坝坝头遭受破坏的实际情况,其破坏形式可分为两类:其一为由于水流绕流作用,致使坝头的绕流流速较大,冲刷坝头地基和坝头外河床,从而形成冲刷坑。冲刷坑的刷深、加大,造成块石滚落、坝头坍塌沉降。滚落的或沉降后的块石基本上仍处在冲刷坑内。在某一深度及相应的水流条件下,块石自身具有足够的抗冲能力,只是由于基土的抗冲能力不足,从而造成基础不断刷深,促使坝头坍塌,如果补抛块石能及时跟上,丁坝基础自然会得到进一步加固,险情不会扩大。抛石抢险是加深加固丁坝基础的一种被动方法,由于经济条件的限制,堆石丁坝大都经历了这种过程。其二是在大潮期,由于河口段涨潮水流流速极大(大潮期水流流速一般可达7m/s,实测最大达12m/s,而坝头绕流的流速显然更大),块石本身不能满足抗冲稳定要求,有时块石会被水流带到远处。对于这种形式,进行抛石抢险只能是维持随冲随抛的动态平衡,大多数丁坝坝头损坏源于此种形式。

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2 钱塘江河口大型块体坝头防冲实践水利论文4@#nTs*}

  钱塘江坝头防冲曾用过不同形式的混凝土预制块,有方块和异型块体。如海宁老盐仓坝曾用过方块、铁钻块、四面体等,其中铁钻块重2.5t,混凝土块5t(尺寸1.6m×1.5m×1m)、22t(尺寸3.1m×3.1m×1m),此外尚有最大一块达50t。抛投时用φ20钢筋串联。这些块体部分在坝头刷深时下沉离位,部分则被涌潮冲走,如2.5t 的铁钻块和10t的方块曾被冲至上游25~30m处。1968年新湾丁坝坝头,两块1m×2m×5m的条形埋石混凝土块被一次潮汛推移到上游30m处。1t重的四脚空心块、1.5t与2.5t重的铁钻块和2.5t重四面体分别用于萧山赭山湾9号坝、美女山坝和海宁老盐仓坝,他们也不堪涌潮冲击。如1966年安放在钱塘江赭山湾9号坝坝头的1.5t重铁钻块,1971年秋潮时全部冲失,大部分被冲到坝上游200m范围内的滩地上。萧山萧围二十工段的两条丁坝和美女山坝位于钱塘江河口涌潮动力最强的河段之内,坝头冲刷相当严重。其中二十工段的两条丁坝因坝头块石数量不足,坝头刷深到-8.0m(吴淞高程,下同),1998~1999年大潮汛后,采用4t重的翼型块体与块石混合料混抛到高程1.0m,效果较为理想,大多数块体能够稳定。从近几年的运行情况看,其防冲效果要好于钢筋笼装石。钱塘江赭山湾美女山坝坝头采用4t重的扭工字体结合块石混合料抛投,其效果也较好。因此,从钱塘江河口大型块体保护丁坝坝头实践看,有失败也有成功的。为了进一步弄清大块体在坝头的防冲效果,通过室内试验加以分析研究。

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3 异型块体坝头防冲室内试验

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3.1 模型设计

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  试验在涌潮水槽中进行,该水槽长40m、宽3.0m,可产生模型高度为15cm的涌潮。采用1:30的正态模型。在保证几何比尺及介质材料相似的基础上,可保证模型与原型结果基本相似。模型主要按重力与起动相似条件设计。根据现有的丁坝坝头有块石层存在的实际情况,块体的基面为与原型粒径基本相当的块石,重100kg。    

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  丁坝断面型式:不同的丁坝断面型式会有不同的局部冲刷形态,从而使坝头遭受不同程度的破坏。钱塘江河口段的丁坝根据水动力强弱、河床特征及施工条件,通常采用抛石体表面圬工断面型式(如图1)。试验采用钱塘江河口典型的丁坝断面结构:坝顶宽度4.0m,迎潮面坡度为1:2,背潮面为1:3,上游侧的平台宽度2.0m,该平台的高度在低水位上0.5m左右,坝顶高程在低水位上1.0m左右。坝轴线纵坡降为1:100。坝头为半圆形。

nK'R!U#z5e"]/|03.2 试验的控制条件

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7`#s9YNK:[@%]+m0图1 试验丁坝典型断面示意图
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Fig.1 Sketch of typical section about experiment groin水利论文,o5WkWN5P1ck

  一般分析认为,对于给定的预制混凝土块,其稳定性与其下层材料、低水位、块体的相对高程、涌潮大小及块体之间咬合程度等因素有关。水利论文(c/g_v:@4n*d@

  根据对钱塘江河口抛石丁坝的调查分析可知,在低水位以下一定深度处,块石在涌潮作用下能够维持自身稳定,该深度以上则不能维持稳定,需采取别的工程措施。通常在低水位以上部位可采用混凝土圬工等整体结构来抵御涌潮的冲击力,而低水位至块石稳定部位之间往往成为防护的薄弱环节。因此,本文主要分析研究在这些部位采用大型块体的防冲效果。所以试验中对该高程以下部位不采用大型块体防护,仍然采用块石防护,这样做比较经济,也是安全的。试验中,根据块体的稳定性确定试验组次,也就是说,若几次潮过程中均发现块体明显失稳走动,则改变潮前低水位和潮高值,进行另一组次试验。一旦试验过程中块体一直能够保持稳定,则在相同的涌潮水流条件下重复8次以上(8潮后的丁坝局部冲刷可达到其极限冲刷的85%以上[3])。

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3.3 丁坝坝头块体抗冲稳定性室内涌潮试验

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  在强涌潮作用下,粉沙地基基础上的坝头冲刷坑可达到低水位以下15m多,因此,对于强潮河口的丁坝,没有块石防护是很难维持自身稳定。现有的丁坝,大多数有过充分的抛石防护,故在试验时,块体的下层是以块石为基础的床面。床面有两种基本形态,其一为坝头没有形成冲刷坑,其二为先在坝头外的河床铺上足够块石层,经过8潮以上冲刷后,形成相对稳定的冲刷坑,再在坝头冲刷坑内抛投一定数量的各种块体,同时比较不同抛投方式的防冲效果。试验成果见表1[3,4]

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表1 坝头体防冲试验成果表水利论文6CX,l&Rv|^,r
Table 1 Experimental results of blocks used as groin head protection水利论文#B'O;{G%@!d1t


潮前水深潮高铺设方法抗冲效果

2.78水利论文|~8\3GZ

 2.76水利论文.e_ P Rnw
 2.77
 在块石自然坡坡面上按放扭工字体99个(2.5t/块) 8个潮冲失全部扭工字体
I9GCXN0 3个潮冲失1/5块体

2.78水利论文{W,cO0F\F

2.10 1:3块石坡度上抛正六面体200个(1t/块)

 21个潮冲走170个水利论文,S'dN?r


2.1水利论文#N0Ai5y9T K;hQ
2.28
水利论文*Q(]nfNx3Q0x

2.24
9g6b uC%m9G01.60
水利论文r+T\9Y/d&k6L'g"Z

 1:3块石坡度上抛投200个四面体(4t/块),而后嵌固
4A-S W2x({'f7^0块石
 13个潮块石基本稳定,少量块体滚动
h+e&~h9A%@X-N0 坝头上游侧冲失明显,块体坡度变缓

2.78
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2.66水利论文dmO-h~Q r
2.20

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 8潮冲刷形成稳定的冲刷坑后(冲刷坑最大水深4.5m),再放置扭工字体(2.5t/块),并嵌固块石 稳定水利论文1w;^:i$H_ ~Ex
 块体稳定,上部块石部分被冲走

2.58水利论文`!I6O4u5n6Ds:^ N

2.43水利论文+g;X#GH-S+th

 块石自然坡放置扭工字体(2.5t/块),并嵌固块石 22个潮冲走1/3块体,坝头上游侧护面挂空

1.18

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2.63

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 1:3块石坡度上放置80个四面体(4t/块)铺放面积18m×10.4m 坝头上游侧块体冲失明显,块体坡度变缓

2.12.65水利论文.pB'vt8MF
2.67
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3^ dmk5}7N cNl N02.56
 1:2块石坡度上放置80个四面体(4t/块)水利论文-{!ko q5V,vV
冲刷坑形成后在冲坑内放置22个四面体(4t/块)坝头冲刷坑内铺设160个四面体(4t/块),铺设面积水利论文x?4_H?8Rw7Y7Y
水利论文@nnY%^$r!s
24m×18.8m,嵌固块石
 20个潮将90%四面体冲失,坝头护面挂空水利论文A eCU,r(Dzk9yg4{
 20潮冲失全部块体水利论文 b;s X!eb(w |%Q

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VM7@x~ `"_ L0 第1、2个潮冲失5个四面体,后18个潮无失稳

1.182.16 坝头冲刷坑内铺设160个四面体(4t/块),铺设面积24m×18.8m 第1、2个冲失6个四面体,后34个潮块体保持稳定

2.02.0 在坝头冲刷坑形成前坝头抛投50个混凝土四面六边框架(1.0t/个) 1个潮后全部冲失

1.52.0 坝头冲刷坑中抛投50个混凝土四面六边框架(重2.8t/个) 1个潮后走失20个,8潮后共剩下了5个

1.01.90 先在坝头冲刷坑中抛投50个混凝土四面六边框架(重2.8t/个),然后用块石嵌固 8个潮后未走失,仅框架内少量块石被涌潮吸出

  由于块体形状差异较大,相同重量的块体其外形尺寸不同,本次试验块体之间的重量及外形尺寸可比性不强,不同种类块体的防冲效果有待进一步深入的试验研究分析。但从表1的试验成果仍可得到如下结论:

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  (1)对涌潮水动力而言,在低水位附近涌潮动力最强,在此高程处,单纯利用块体的重量来抵御涌潮的冲击力是不现实的(如在此高程附近单纯抛投的重量达4t的混凝土四面体,多次强潮的作用,大多数四面体被冲走)。钱塘江河口大块体坝头防冲失败的事例很多是由于其出露的位置处于最不利状态所致。在模型试验中,在低水位附近,单纯用大型块体防护坝头,一次大潮就可使大多数块体冲失。即使块体的重量增加较多,其稳定性也没有明显提高。分析原因,是由于涌潮垂线流速分布与一般水流差别较大(图2),作用于大型块体的流速有时大于水流的垂线平均流速,并且随着块体尺寸的加大,其作用流速增加较快[5](图2)。如在块石基础上单独放置重1.7t和9.8t 的四面体(水深2.5m,潮高1.8m),潮头到达瞬时,9.8t四面体顶面出露在低水位之上,在潮头作用下即有所移动,而在随后的“快水”中,1.7t四面体处于时走时停状态,9.8t四面体也出现少量移位。由此可见,块体重量的增加对提高抗冲效果不明显。在葛洲坝截流的模型试验中也发现(图3)[6],在同一边界水流条件下,增加块体的重量,有时很难提高块体的稳定性,图3说明显示当块体重量增加到一定程度后,其抗冲稳定流速增加较慢。水利论文%eqOl&]

  (2)在坝头冲刷坑形成之后抛投块体,其稳定性明显好于未形成冲刷坑之前即抛投的情形。如在水深2.78m 、潮高2.66~2.68m条件下,在冲刷坑形成前就抛投2.5t重的混凝土扭工字体结合嵌固块石,22潮共冲失1/3的扭工字体,而在冲刷坑形成后在冲刷坑部位抛投的同样数量的混凝土扭工字体,可基本稳定。换言之,块体最好铺设在冲刷坑形成后达到稳定状态的坑内块石之上。根据萧围二十工段坝头防冲实践,从较深的位置(冲刷坑部位)即开始抛投大型块体嵌固块石,坝头抗冲稳定性更好。水利论文B1QL8O\ C,vY&|7K

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图2 作用在四面体上涌潮垂线流速分布水利论文JK.oG(Z
Fig.2 Vertical distribution of tidal velocity on the four faced block
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图3 起动流速与四面体重量关系
W8]6} m"V{a]_%p0Fig.3 Relations between block's moving velocity and水利论文3ClO }3^)m+A
weight for four faced blocks
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  (3)同种块体的抗冲稳定性随铺设面积的增加而提高。建议采用平抛,扩大防护范围,这样更有利于块体的坝头防冲(根据试验成果,以坝头冲刷坑最深点为中心,铺设20m×20m以上范围的块体可达到较好的防冲效果)。

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  (4)块体嵌固块石后的抗冲稳定性可大大提高。如在水深2.1m、潮高2.67m情况下,单纯在冲刷坑中抛投22个重4t的混凝土四面体,20潮冲失全部的四面体,而当嵌固块石后,情况大为好转,只有少量的块体冲失。国内外截流和堵口试验表明,当抛投块体或骨架结合抛石往往可以减少块体或骨架的走失量。葛洲坝截流的水工模型试验也表明,混凝土四面体嵌固块石可提高其整体抗冲能力[6]

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  (5)从试验来看,四面体、扭工字体、四面六边框架等块体结合嵌固块石效果较好,正六面体抛投后不易嵌固块石,不利于坝头防冲。至于相同重量块体的坝头防冲效果比较则需再仔细深入试验研究。

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4 提高块体坝头抗冲能力探讨

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  对涌潮而言,坝头防冲块体承受的涌潮作用力与一般的波浪力不同。要依靠块体及块体群来消杀涌潮的能量是不现实的,因而,要使块体在坝头冲刷坑部位保持稳定应尽量不让涌潮的能量消耗在坝头冲刷坑部位。基于这一思路,结合对块体抗冲流速公式的分析,提出改善块体坝头防冲效果的方法。水利论文1c_[7IaW

  块体的抗冲能力,不仅与块体的重量(大小)有关,而且还与它所处地点的水深大小有关,同时还与基面的相对粗糙度、块体群的空隙率等因素有关。我们参考长江科学院对块体截流的研究中得到的公式加以推导,得到涌潮作用下块体的起动表面流速公式[5]

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其中 κ=9.68ε-17.36ε2+14.03ε3-5.36ε4,ε=t/h,t为块体或骨架重心出露于床面的高度,h为水深;Δ为基面材料球形直径(m);Ad为块体迎流面积;γs、γ为分别为块体和水的重度;V为块体实有体积。

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  由公式(1)可知,块体的起动流速与块体的尺寸、基面材料的直径成正比,与块体重心的出露高度、块体的迎流面面积成反比。块体尺寸的增加(重量增加)利于稳定,但同时重心位置的上升、迎流面积的增加则降低了其抗冲稳定性,即单纯增加块体重量不理想。另外,从较低位置开始铺设块体等于增大了Δ(基面材料球形直径)值,故可提高块体的抗冲流速。长江科学院从卵石水槽及川江卵石运动资料得到河床卵石起动流速公式Uc=KD1/3h1/6[7],该公式的起动系数K对于光滑平底单颗起动为2.8,粗糙平底单颗起动为5.6,粗糙平底群体中个别起动为6.5,这说明,块体基面材料对块石的稳定性有较大的影响。在块体之间嵌固块石混合料,一方面等于增大了块体群的重量,同时减小了块体群的空隙率,从而使块体的迎流面积Ad减小,故能提高块体的稳定性。水利论文2_$aix5N,?/m

  式(1)的缺点是没能反映块体或骨架之间咬合作用对抗冲流速的影响。

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  另外,由于紧靠坝头附近单宽流量集中、流速大,如果在更大一点的范围抛投块石和块体,则可部分改变流速的垂线分布,从而达到降低近底的作用流速,同时也可防止外侧基土进一步冲刷。水利论文j&|;d5O"w{#Z

5 结论

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  (1)钱塘江河口段丁坝坝头块体防冲失败的主要原因,一是由于块体出露较高,二是抛投方式不合理。试验发现,单纯增加坝头块体的重量,效果不甚理想。水利论文M[h}5p!s:d

  (2)涌潮是一种高速水流,大潮涌潮水流行进流速可达7m/s,实测最大为12m/s,可见坝头绕流流速更大。块体群的空隙率一般在40%左右,在一定高程之上,块体群内的水流流速与原始河床的流速相比虽有减小,但仍然大于块体的抗冲流速。若块体嵌固块石混合料后,可减小空隙率,从而降低块体群内块体作用流速。水利论文M2|x%D3X.u4C@

  (3)块体的起动流速与其下层物质的糙度Δ成正比,因此,下层物质的粗糙度增加利于上层块体的稳定,因此,在较低的位置开始抛投粗糙块体,其稳定性会得到较大提高。水利论文*j K%wLV3LM

  (4)块体(异型块体)在防浪上讲究的是形状粗糙,空隙率大,目的为了削减波能和减小波浪爬高。而对涌潮这种高速水流,要想保持自身稳定,最好的办法是避开涌潮的强劲动力,使块体群的总体受力面减小。施工中可利用能形成整体结构的块体嵌固块石混合料的方法。

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  (5)不同种类块体的防冲效果比较有待深入研究。

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参考文献

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