钱塘江河口闻家堰段护底抛石研究(韩海骞,杨永楚,王卫标,周飞武)

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钱塘江河口闻家堰段护底抛石研究水利论文 ]Pi4EW+E7cl ~ r

韩海骞,杨永楚,王卫标,周飞武水利论文:e$dww`i[R2H
(浙江省水利水电河口海岸研究设计院)

d4i5d{IL a"W0

摘要:利用水槽试验结合工程现场观测对不同条件下单颗粒及混合石料的漂移、分选、抗冲等情况进行了对比,提出了较好的抛投方法及既有利于海塘稳定又节约投资的护底形式,取得了巨大的社会效益和经济效益;同时导得动水中单颗粒抛石落距的计算公式及船抛石料床面分布面积与船体开口面积、石料中值粒径、水流佛汝德数等之间的经验关系,可供进一步深入的理论研究和工程施工参考运用。

I |*EEm;B0

关键词:抛石;护底;漂移距离;量纲分析法;多元回归水利论文:A#P FX nY(@Sm/~l

作者简介:韩海骞(1977-),男,港口航道及治河工程专业毕业,主要从事河口海岸工程研究。

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1 引言

p LUQ.M{yUd0

河道堤脚护底防冲常采用抛石,其最大优点是抛石能随河床冲刷而自行沉蛰,适应河床变形,不牵动整体;但是抛石护底也有其不足之处,即落点不易掌握,造成浪费,且经常达不到预期的保护目的。许多单位结合生产任务对抛石进行过一些研究,但往往是在某一特定的条件下进行的,对于一些较复杂条件下抛石的防冲效果尚需进行专门研究。

j5t/V f(en0

钱塘江河口闻家堰河段平面上为急弯(曲率半径1800m,中心角约110°),且河宽突然缩窄40%,最窄处仅宽470m(如图1所示),洪水大时,流速较大,而床沙又为细粉沙,河床冲刷剧烈,实测最大水深近37m。这一带海塘于1912年、1913年、1940年曾有三段重力式鱼鳞石塘因河床刷深而失稳坍塌。为提高闻家堰段海塘的稳定性,采用抛石护底方案进行加固。

l-VM%G:m`&rF0
1 钱塘江河口闻家堰河段平面示意图
p ^ L(A [ gKxf0x0Fig.1 Sketch map of Wenjiayan reach on

-RO4b`}0the Qiantang River

为进一步了解抛石护底的效果,采用室内水槽试验结合工程现场观测对混合石料在船抛下沉过程中的分选、漂移情况及护底混合石料在河床遭受洪水冲刷坍塌后对海塘塘脚的保护效果等进行了研究[1]水利论文*Ey \|Jj D:L

2 模型设计

iU]"pr0

试验在长23m、宽2m的水槽中进行,试验中存在边坡的稳定及混合石料的坍塌、沿坡滚动等问题,故采用正态模型。为了使抛石试验时水槽中的石料以紊动状态下沉,冲刷试验时边壁的影响尽可能小,对抛石、冲刷试验采取不同的比尺。模型试验的主要相似比尺列于表1。水利论文0lA ?)n x Db.G

1 正态模型主要相似比尺[2]水利论文]d.l!e#G#V,n`-S

Table 1 Scales of undistorted model水利论文;Is0b#hA


比尺值
相似准则计 算 式
抛石试验冲刷试验

长度比尺λl=lp/lm50100
流速比尺λul1/27.07110
水流连续时间比尺λtlu7.07110
沉降速度比尺λωu7.071
起动流速比尺λucu10

3 抛石模型试验水利论文,P%t_L Y8G&t5w

3.1 单颗粒抛石模型试验

&a.q:oY!Vo e4D7g7@;yL0

抛石模型试验选取等容粒径为0.11m文中粒径、流速、水深等数据均为相应原型值、0.15m、0.21m、0.25m、0.35m、0.48m、0.60m等七组块石在平均流速为0.5m/s(水深为16m、20m、30m)、1.0m/s(水深为20m)、1.5m/s(水深为20m)的水流条件下进行。为了减小因石子的形状不规则引起的石子重量及在水中的受力情况等方面的差异对漂移距离的影响,从每组中选扔近球状的石子,并让石子从水面自由下落,以便更好地模拟天然抛石。水利论文A0V i3F*qSo

假设石块在下落、漂移过程中保持匀速运动,则石子的漂移距离x与水深h、流速u0、沉降速度ω有以下关系

-begcdv0

x/h=u0

\,B3B!|r%A0S0

(1)

{Fw MR#S0

块石在水中是以紊动状态下沉,故有ω∝d1/2,根据模型试验资料,点绘x~u0h/d1/2关系曲线,可以看出点子呈良好的线性关系,经线性拟合(参见图2),有水利论文WJ@*pV+c6p S9q

x=0.264u0h/d1/2

GGF+V2@ VZ0

(2)水利论文1|u6\8R Q)y%g$g e6@o

该式可以方便地运用于I过程施工中。水利论文#_&DT:U4@1?|

但是由于石块在下落、漂移过程中不可能完全保持匀速运动,上式只能用来粗略估算,因此有必要从其受力的角度对漂移距离公式进行推导。水利论文)B Ln/mL].IH

动水抛石,块石下沉过程中受水流的阻力与冲击力,下落的同时将出现漂移。漂移距离x与水流流速u0、水深h、块石等容粒径d等有关。块石在水中所受重力P(指有效重力)、水流阻力f和冲击力F[3]等及其关系推导如下(参见图3)。水利论文%u;b W'F8A9s"g"{6|?

2 动水抛石漂移距离水利论文e$g&~V#a\
Fig.2 Drift-distance in moving water
3 块石在水中的受力示意图
vpp3S-W2D;B X0Fig.3 Sketch diagram of forces acting on the rock riprap in water
x向:F=mdu/dt(3)
h向:P-f=mdω/dt(4)
式中F=ηρd2(u0-u)2(5)
f=ηρd2ω2(6)
P=mg-ρ1/6πd3g(7)
m=ρs1/6πd3(8)

其中η为阻力系数;m为块石的质量;g为重力加速度;ρ为水的密度;ρs为块石的密度;u为块石顺水流方向的速度;ω为块石沿水深方向的速度;t为块石下落时间;水利论文YU%q+b1F[(Ue4U

(5)、(6)、(7)、(8)代入式(3)、(4),有

.M6`i wN$`V0
du/dt=6ηρ/πρsd(u0-u)2(9)
dω/dt=6ηρ/πρsd[π(ρs-ρ)gd/6ηρ-ω2](10)

a1=6ηρ/πρsd,a22=π(ρs-ρ)gd/ 6ηρ,代入式(9)、(10)并积分,得水利论文)ex5F3k$ks`

1/u0-u=a1t+β1

c6gh\&By;v`"A1D0

(11)水利论文*ut6np Tn b8D;d

1/2a21na2+ω/a2-ω+β2=a1t

WZ&g,^M;V-I/q2^0

(12)水利论文l?p7J9nAx

t=0时u=0、ω=0,由式(11)、(12)有β1=1/u0,β2=0,再代入式(11)、式(12),并根据shx=ex-e-x/2,chx=ex+e-x/2作等式变换,有

!e.y2Xh+G.EH'Q0
u=a1u02t/a1u0t+1(13)
ω=a2th(a1a2t)(14)
dx/dt=a1u0t/(a1t+1/u0)(15)
dh/dt=a2th(a1a2t)(16)

其中a1=6ηρ/πρsd,a22=π(ρs-ρ)gd/6ηρ。水利论文s u\G4vm

将式(15)、(16)进行积分,且当t=0时,有x=0、h=0,可得水利论文P-k9QfKD0YK_

#_d-Lr-X+pN!e0

(18)

(AJi1m5it"g9L pL6hJ!P0

将式(18)代入式(17),经整理,得

3Ky&]fGi {z0

x=1/a1{1/a2u0arch(ea1h)-ln[1/a2u0arch(ea1h)+1]

qErO:C0

(19)

CL'Ji&C ^0
对于块石,η取0.63[4]。由上式根据试验条件进行计算,并将计算值与水槽试验值点绘在同一张图上(参见图4),可以看出,两者吻合良好。由于上述动水中抛石的漂移距离公式形式较为复杂,可事先列表计算,以便在施工中参考运用。该公式从理论的角度对抛石的运动机理进行了初步分析,同时还可以初步了解抛石在水中的运动迹线。水利论文jG0M.aW/qQ t[,@k

3.2 船抛混合石料试验

$CqM6\ ]&?0

v`op5m(XR03.2.1 试验条件水利论文 vF1~qF)I!U(}

4 漂移距离计算值与试验值对比图
vx9hgI@{ W0Fig.4 Comparison between the caeculated and experimented drift-distance

根据闻家堰河段抛石施工情况,试验选用三种船型(船一:上口长7m、宽4m,抛石时开口长7m、宽1.2m;船二:上口长14m、宽4m,抛石时开口长14m、宽1.2m;船三:上口长14m、宽4m,抛石时开口长14m、宽1.5m)、三种混合石料(中值粒径分别为0.205m、0.37m、0.479m)在五类水流条件(同单颗粒抛石水流条件)下进行。

~ UK+W n\E*T$BI4m0

为了研究抛石的叠加情况,在平底和斜坡(1∶2)上进行了六船次的抛石试验:沿断面方向三船、顺水流方向两船,其间距分别为长14m、宽6m。

3z-u _'L;iE9`J4s0

3.2.2 试验现象与分析水利论文kc*mu p!G[

抛石下沉过程中,分选不明显,尤其是流速、水深较小时。石料沉底后表面总有一层大石块覆盖,而并非如想象中那样,大石块因沉速大而先下落、小石块因沉速小而后下落,形成上小下大的分布。分析其原因,大致有二:其一,虽然大石块沉速大,但大小石块夹杂在一起,相互碰撞,大石块的落势受到阻滞,而小石块则有加速下沉的趋势;其二,即使部分小石块下沉较慢,但由于漂移距离相差不大,故沉底后从先下落的大石块缝中落下。水利论文iXe J(U2U

单船抛石床面分布近似椭圆形,在流速较小时,其厚度、粒径分布均较均匀;在流速较大时,虽然其外部轮廓无太大的变化,仅是范围略增,并有整体下移的趋势,但厚度、粒径的分布已不太均匀,其形如彗星状,头部石料粒径较大、堆积较高,越靠近尾部,厚度越薄、粒径也越小。随着水深的增大,床面抛石分布范围亦略有增大,横向的变化更突出些。水利论文umH.b.^cIi

从六船抛石试验结果来看,平底上分布形似矩形,在斜坡上则如平行四边形,靠坡脚侧抛石分布偏向下游。主要是由于坡脚处水深较大,抛石漂移略远些。水利论文1nr w^v_]J

六船抛石水下分布随流速、水深的变化规律与单船抛石相同,也是随着流速、水深的增大,其分布形状相似、范围略有增大,并有整体下移的趋势。在流速、水深较大的情况下,按照规定的间距顺水流方向逐渐抛投,则可减小由于流速、水深太大造成分选引起的不利影响,使得抛投的较大石块落于前面抛投落下的细粒石块之上,保护细粒石块不被水流带走;同时也可起到反滤作用,使其下床沙能得到较好保护。水利论文q1m0J$Or tgWc

船体开口加大,同一时间内进入水体的石料增多,其互相碰撞、互相制约等的影响就更加显著,水下分布范围也就更大一些。

7^I%D)xfaCFC&^0AF!|0

中值粒径较小的石料,由于单颗粒沉速较小,整体下落的速度亦小,另外,同体积的石料粒径较小的颗粒较多,下沉过程中碰撞机会也较多,其水下分布范围自然就大一些;而中值粒径较大的石料则恰好相反。水利论文J k \ QV&I#M#ODF

3.2.3 经验公式的推导水利论文L![ tl0N ^

船抛混合石料的水下分布面积A主要取决于船体及石块的几何尺度(船体的开口面积Ak、混合石料的中值粒径d50等)、上游来流条件(u、h)、水流的运动特征(g、ρ、u)等,通过初步分析,得出

JLHTpX#Wu^|0

F(A,Ak,h,u,d50,g,ρ,u)=0

_;v6}:I7V0

(20)

mJ ^4h*?8kK)pG0

选取h、u、μ为基本变量,用它们去表示其它的变量,并根据量纲和谐原则,得到水利论文{(D-l)m_^)H

F(A/h2,Ak/h2,d50/h,ρuh/μ,gh/u2)=0

*~#Ks Zq!t H8H0

(21)水利论文,B)H3nE'['yd!]

式中ρuh/μ为水流雷诺数,由于实际石块下沉过程早已是紊流而非层流,故可忽略雷诺数变化的影响;无量纲数gh/u2由Fr=u/代替,有

F(A/h2,Ak/h2,d50/h,Fr)=0水利论文[F1Z;`.d6Je:k?

(22)水利论文#y2z a#E0S @y

假设水下石料分布面积公式为水利论文E1w.F$|2y+Jw

A/h2=a0(Ak/h2)a1(d50/h)a2Fra3水利论文#EE%mw ti5c*K0s

(23)

(G&D a$l4Ch+S y0

两边取对数,得

mg r)pun0

1n(A/h2)=1n(a0)+a11n[Ak/h2]]+a21n[(d50/h)]+a31n(Fr)水利论文0@ L&F0o l/Am

(24)水利论文+A1G'i\)HeB

由实测数据计算1n(A/h2),1n(Ak/h2),1n(d50/h),1n(Fr)数据系列,然后运用多元回归计算其系数,有1n(a0)=-2.5974,a1=0.8533,a2=-0.7565,a3=0.3487;因此可得船抛石料水下分布面积的经验公式为水利论文-k{:tO5Bb5C

A/h2=e-2.5934(Ak/h2)0.8533(d50/h)-0.7565Fr0.3487

@1q7nS{p?,F0

(25)

owD%G D`"^"x&L-e0

A=0.074765Ak0.8533d50-0.7565Fr0.3487h1.0499水利论文)d [/{{*o l2M

(26)水利论文"e5P;e \/K

  根据试验条件,由上式计算船抛石料的水下分布面积,将其与试验值点绘在同一张图上(参见图5)。可以看出,该公式可以较好的代表试验结果。水利论文~ S!Qd.DW+A6A e

4 冲刷模型试验水利论文%d3T`fY!J

!@@hmgU04.1 试验条件水利论文 H,[\o4k'VR$w[h

水利论文4j*B'o7tIn

  冲刷试验依据1999年3月实测闻家堰河段近岸水下地形最深点所在断面资料(河床最深处高程为-13.7m,护底前缘高程在-10m左右),模型按起动相似要求选沙,采用经防腐处理过的木屑作模型沙。水利论文%f l(C M D;t

5 船抛石料水下分布面积的对比水利论文#H;~ z(S6{
Fig.5 Comparison between the calculaled and observed distribution area of rock riprap by ship

  试验主要在u=4m/s的水流条件下进行(经二维数模计算,遭受百年一遇洪水闻家堰河段近岸垂线平均流速最大为3.53m/s),水位按闻家堰设计条件下百年一遇的洪水位11.00m控制,地形则采用简化断面(抛石部分及外侧20m内地形按实测断面控制,其外以1∶1.5的坡度向下延伸至最大可能冲深-30mp[5])。水利论文s~CQf#F1b

4.2 试验结果分析

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冲刷试验主要研究了不同厚度、不同方式的护底经水流(初始断面平均流速为4m/s)冲刷后对于塘脚的保护情况。通过冲刷试验,可以得到以下几点认识:

C'HSV0{-~"l0

断面平均流速为4m/s,护底石料厚0.5m~0.8m就可抵抗水流的冲刷,即从理论上讲,有两到三层石块就可对床面起到保护作用。由于实际抛石施工很难保证在河床上均匀抛投,因此,作为单纯抗冲部分的护底石料,建议抛石厚1m左右。但是抛石区前缘冲刷坡面上部石块较少,经水流进一步冲刷,坡脚将会继续坍塌。

!Z'e kFb B0

为了使护底石料在坍塌后能起到有效的保护作用,将护底前缘部分的抛石加厚至2m,当2m厚石料的宽度达到最大可能冲深的两倍时,在水流的冲刷下,护底石料坍塌后可基本覆盖坡面,有效地起到保护作用,达到坡脚抗冲的效果。

{ q YS0P/EE X0

在试验中还发现:床沙中含有少量石块(或床沙表面有少量石块)可大大提高其抗冲能力,延缓水流对河床的冲刷。

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综上所述,护坡与护底抛石厚1m可基本满足防冲要求,但护底前缘部分,由于受水流的冲刷淘蚀后会坍落,新冲刷的坡面上块石不能满足抗冲要求,应对可能坍塌部分增加抛石厚度,为冲刷部位提供充足的块石补给,形成稳定的保护层。另外抛石施工过程中,应尽可能地提高定位精度,防止出现大范围的漏抛以致削弱抛石的保护作用。水利论文c-kA[8@*Z)d

由于研究中未模拟弯道环流,当环流强度较大时,凹岸侧自上而下的沿坡环流,将对护坡块石的稳定带来不利影响。因此,在借鉴本模型试验结果于弯道护岸、护底抛石工程时,若环流强度较大,应对其影响加以考虑。

5X9AE\3y5i9D0

在纵向水流作用下,冲刷形成的坡面上部坡度一般在1∶1.4~1∶2.2之间,下部在1∶2~1∶4左右,随着冲刷时间的加长,坡长会略有变缓,经长时间冲刷,坡面一般均小于1∶2,因此护底前缘可能坍塌部分应有足够的富余块石来保护冲刷形成的新坡面。

(aL u3Q FG)vo8W0

5 现场观测对比

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本项研究采用模型试验与现场试验相结合的技术路线,模型试验直接指导现场试验,并得到现场试验的检验,研究成果用于工程周期短,见效快,有巨大的社会、经济效益。水利论文?,X%CTioH LCs-b$F

通过工程试验现场潜水员的水下观测发现:运用该成果指导施工,抛石区域内未出现漏抛现象。抛石区域床面上均为大块石,块石面上无淤泥覆盖。块石缝隙在5~20cm左右,缝中嵌有小石块和碎石碴料,与试验成果吻合。水利论文.k)BG2T])as0gj

  工程竣工后,经过一次洪水考验(最大流量为1.5万m3/s,持续18小时左右),从断面测量资料(参见图6)可以看出:洪水过后江道中心被严重刷深。在抛石范围外,从近岸处开始刷深;在抛石区范围内,刷深部位则基本在抛石区外口边缘范围,河床刷深部位的斜坡上除陡坡外,大部分坡上均有块石,达到了塘脚护底的目的,保证了海塘的安全。

(P E6T4{6Xt.\9WE R:m0Q0  由上可见,现场测量与室内水槽试验结果在石料是否分选、漏抛及护底抛石的冲刷坍塌等方面均吻合良好,试验成果可供边界条件相近的工程施工参考。水利论文/V%i u(fc

水利论文jF i$_9Kf7U

6 结语

r*dCw)_ecN0
6 抛石现场试验断面测量图
NUy/ym$?)p0Fig.6 Experiment diagram of observed cross-section

'n_I `9I;V4Z0in situ

(1)通过受力分析与水槽试验,得到单颗粒抛石在动水中漂移距离的两种计算方法,可供工程参考。

Ep6tpFi*]4{0

(2)船抛混合石料在流速、水深较小时分选不明显,漂移距离也较小;从上游向下游按适当间距逐步抛投,可减小由于流速、水深太大造成分选引起的不利影响。护坡护底石料在水下的漂移距离、分布面积随流速、水深、船体开口的增大而增大,随粒径的增大而减小。

r@5@YP4{Lmg0U0

(3)护坡护底抛石从抗冲和保护床沙的角度来说,有两到三层即可,但为了保护护底前缘冲刷坡面,则要求有足够的石块补给,以覆盖冲刷形成的坡面达到护脚的效果,为此,护底前缘抛石厚度不宜小于2m,且2m厚的抛石护底宽度不宜小于两倍的可能冲刷深度,实际工程施工时,条件较试验室差,建议适当加宽加厚。

PUC$TJ2u4V0

(4)现场测量与室内水槽试验结果在石料是否分选、漏抛及护底抛石的冲刷坍塌等方面均吻合良好,试验成果可供边界条件相近的工程施工参考。

RX?Ul|0

(5)研究成果用于钱塘江闻家堰抛石工程周期短,见效快,有巨大的社会、经济效益。水利论文 p1ua6t2r$K'OAqI

参 考 文 献水利论文*H+GBT|`k

[1] 韩海骞等。钱塘江河口闻家堰段抛石试验研究及现场对比。浙江省河口海岸研究所科研报告,1999.7.

'~vsE#foY9L0

[2] 谢鉴衡。河流模拟。水利电力出版社,1993.10.

F gO],a#C0

[3] 落强斯基等。理论力学教程。人民教育出版社,1962.2.

I ke;K qg6p3H3l!O0

[4] 明滋等。粒状材料水力学。水利出版社,1957.11.

-_,U!U-Y V@R0

[5] 伍冬领等。钱塘江海塘闻堰段标准塘工程水文与塘前滩槽稳定分析。浙江省河口海岸研究所科研报告,1997.10.

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