四面六边透水框架群整体稳定性及边缘稳定性

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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.

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摘要：

四面六边透水框架群整体稳定性及边缘稳定性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...

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