四面六边透水框架构筑心滩防护工程清水冲刷试验研究

李 晶，喻 涛，王平义

（1.长江宜宾航道局 ，四川宜宾644000；2.重庆交通大学河海学院，重庆400074）

四面六边透水框架构筑心滩防护工程清水冲刷试验研究

李 晶1，喻 涛2，王平义2

（1.长江宜宾航道局 ，四川宜宾644000；2.重庆交通大学河海学院，重庆400074）

四面六边体透水框架作为一种航道整治建筑物广泛应用于长江中下游航道整治过程中并取得了较好的效果，但也存在大面积损毁现象。为此，通过水槽概化模型试验，对四面六边体透水框架群守护心滩时滩体及透水框架群变形特点进行了分析，结果表明：相同流量下，并非心滩淹没程度越低，滩体冲刷破坏越严重；在框架群的下边缘和两侧透水框架易发生位移；透水框架群应用于浅滩整治工程时，框架杆件长度及总体布置方案应进行优化和论证。

四面六边体透水框；心滩，水槽试验；河床变形

四面六边透水框架系原水利部西北水利科学研究所在20世纪90年代初研制成功的一种新型护岸工程技术［1］。近年来大量运用到长江中下游航道整治工程当中，其具有施工便利、促淤效果好等特点，能够较好防止河床、滩面冲刷［2－5］。广大科研工作者对此进行了大量的研究，周根娣等［6］测量了水槽中四面六边透水框架和四面六边实体块尾流场的流速垂线分布和紊动量垂线分布，对比研究了两者的水流结构和防护机理；李若华等［7］通过理论分析、水槽试验研究了低淹没流动下穿越框架群水流的阻力特性；房世龙等［8］通过模型试验，研究了在桥墩周围抛投四面体透水框架进行防护的效果；刘倩颖等［9］通过水槽模型试验研究了采用四面六边透水框架守护心滩前后其附近的水流结构，结果表明四面六边体透水框架具有较好的护滩效果；郑英等［10］通过水槽试验研究，表明四面六边透水框架能有效地避免实体护岸工程基础被淘刷而影响自身稳定问题，且适应河床地形变化能力强。

由此不难发现四面六边透水框架是一种固沙保滩较好的航道整治建筑物，但实际过程中其也会发生大面积水毁（框架群散落、杆件对接处脱落及杆件断裂等）的现象，现有研究多着眼于四面六边透水框架周围水力特性的研究，忽视其与床面之间相互作用的关系，因此，本文通过概化水槽模型试验，研究了透水框架周围的河床变形及其自身的稳定性问题，对于工程设计及施工具有参考价值。

1 试验设计及方案

1.1 试验水槽及透水框架布置

由于三峡水库蓄水运行之后，受水库拦沙作用，水库下游含沙量较蓄水前减小很多，且本文研究对象处于长江中游，因此试验中上游来沙情况不予考虑 ，试验设计为动床清水冲刷［11－12］。

试验在长×宽×高＝25m×3m×0.6m的矩形玻璃水槽中进行。水槽底部平铺长25 m、厚20 cm的动床段，水槽中部用模型沙塑造心滩形态，最长处为4m，最宽处为1.2m，长宽比为3.33∶1，心滩高度为10 cm，长度方向的坡率为1∶9，宽度方向的坡率为1∶5，模型沙级配由所在河段河床实测级配确定（图1）。四面六边透水框架群的布置区域为5＃断面～8＃断面，呈单层条状间隔分布。四个透水框架角角相连为一组，框架紧密相连布置在滩面上，在总结分析已有研究成果基础上，确定透水框架群宽度及间隔距离均为20 cm［13］，见图2。

1.2 四面六边体透水框架的模拟

原型混凝土四面六边透水框架是一种预制的钢筋混凝土构件，由六根长度相等的杆件相互连接构成，呈正三棱椎体［14］。四面六边透水框架杆件横断面尺寸为10mm×10mm，长度一般有为1m、0.8 m和0.6m三种，混凝土采用C20强度。

本次试验模拟杆件长度为1m的框架。正式试验前经过反复研究，透水框架杆件最终确定采用直径φ＝1.8mm的铝条进行模拟。透水框架制成后随机选择20个进行称重，计算可知每个框架质量约为0.693 g，与按模型比尺设计的框架质量（0.669 g）相对误差不大于5.0%；单根框架杆件的横断面面积为2.54mm2，与按模型比尺设计的横断面面积相对误差约为8% ，符合重力相似要求［15］。制作完成后的单个模型透水框架及透水框架群如图3所示。

图1 模型沙级配图

图2 四面六边透水框架抛投方式及断面布置

图3 模型透水框架实物图

1.3 试验方案设计

清水冲刷试验设计主要以心滩淹没时的滩顶流速为主要控制条件，同时要考虑对比不同流量及水深时心滩周围在透水框架群守护后的冲淤变形特点，具体试验工况见表1。动床清水冲刷时间以床面达到冲淤平衡为准则，一般约为8 h。

表1 清水冲刷试验工况表

2 试验分析

2.1 透水框架周围河床变形分析

经过清水冲刷试验后整个河床地形及透水框架破坏情况见图4，研究冲刷后河床形态及试验中滩体及框架群冲刷及破坏特点，可知透水框架群守护后心滩周围河床变形特征表现为：

图4 各种工况下透水框架守护时冲刷后照片

（1）从冲刷后的整个河床形态看，四面六边透水框架群守护心滩后，滩体两侧及滩顶表面流速降低幅度较大，心滩抗冲刷能力显著增大，水毁程度及范围明显较小，说明达到了预期的守护效果。滩体冲刷由滩面冲刷和滩体两侧冲刷并相互影响而完成，透水框架群守护后冲刷作用会明显降低。由于透水框架群守护形式呈间隔带状，漫滩和两汊水流的冲刷作用削弱明显，8＃断面上游的滩体部分受透水框架群直接防护，冲刷破坏较小，滩体高程基本不变，框架群及间隔出现细颗粒泥沙落淤；8＃断面下游的滩体部分，由于未受透水框架群直接守护，破坏及冲刷现象较为明显。同时，左右两汊也分别出现受水流冲刷后形成的深槽，冲刷最深部位均出现在8＃断面上游。透水框架群也发现存在局部水毁现象，表现为透水框架在顶冲水流流速较大时会发生不同程度的位移，滩面上框架群出现散落；部分位于滩体两侧的透水框架滚落至滩体坡脚处，甚至有部分处于河床交界处与滩体两侧的透水框架在冲刷过程中不断下沉被床面泥沙覆盖。

（2）从冲刷发展过程看，透水框架群守护心滩后，透水框架抛投区域下游某一位置，首先出现细小沙纹，此后这种细小沙纹逐渐发展至下游滩面，最终整个滩面被细小沙纹覆盖；同时，未被守护的滩体侧面部分也出现大小不一的沙纹；此时，框架群间隔带及其所在区域出现不同程度的泥沙淤积。随着冲刷时间的延长，心滩顶部的细小沙纹逐渐转变为贯穿整个滩顶的大沙波，并与滩体侧面沙波连成一片，形成心滩的冲刷和破坏。左右两汊被水流冲刷而成的河槽最深处均出现在8＃断面上游，这是由于心滩被守护区域冲刷量很小，滩体形状改变较小，但8＃断面下游部分由于未被守护致使其冲刷破坏较严重，滩体在横向上变窄，使得支汊河道变宽，故在框架群守护区域下游对应的汊道以下河段，容易形成渐变放宽段，因此，位于放宽段上游河宽变化大不的区域，在水流长时间的冲刷作用下，河床容易下切并形成深槽。

（3）流量相同时，滩体破坏程度与心滩被淹没程度没有直接关系，即水位较低时滩体破坏程度不一定大。对比分析工况2和工况3时滩体冲刷变形情况，可以发现工况2下心滩刚好淹没，此时水深与滩顶齐平，而工况3滩顶以上水深有4 cm，透水框架没有守护心滩，工况3时心滩冲刷程度较工况2为轻，在透水框架守护心滩后，工况3时心滩冲刷程度较工况2为重，这是由于透水框架守护心滩后，冲刷过程中，下游未守护的滩体受上游守护滩体的保护作用，使得左右两汊水流对滩体两侧冲刷下切作用达到一定程度后逐渐衰弱；工况2时由于水流没有漫滩，只是心滩两个侧面遭受水流冲刷，在滩体头部透水框架的守护下，冲刷达到一定程度后两侧冲刷开始减弱并逐渐趋于稳定；而工况3时水流漫滩，心滩两个侧面遭受水流冲刷外，滩顶处也要遭受冲刷，透水框架群虽然能够起到减速促淤的作用，但当其阻力达到一定程度后，水流越过透水框架群顶部会形成跌水，对下游滩面形成较强的冲刷。

（4）水深相同时，流量越大滩体冲刷变形越严重，这是由于水深相同时，流量越大流速越大，水流对滩面及滩体两侧的冲刷能力越强，使得滩体冲刷变形越严重。

2.2 透水框架自身稳定性分析

透水框架结构的杆件之间是通过预埋在混凝土内部的预留钢筋焊接的［16］，其自身强度较高，且在实际工程应用中，少量透水框架自身结构的破坏现象是由于在水中浸泡锈蚀或重量较大的漂浮物撞击造成的。试验中的水流与天然河道水流不同，因此试验中透水框架的稳定性分析主要考虑透水框架在水流及泥沙运动作用下发生的位移。透水框架之所以能够起到减速促淤的作用，是由于它的存在使水流所受阻力增大，从而减小水流流速，起到护岸保滩的作用。力的作用总是相互的，透水框架在阻挡水流行近的同时，水流也对其产生一定的拖曳力和上举力，当流速足够大时，透水框架必然会在水流作用下发生运动。

通过动床清水冲刷试验，观测了透水框架群遭受冲刷时的变形特点，具体有以下两种情形：（1）在框架群的周边区域，框架与水流和泥沙直接作用，没有受到其他框架的保护作用，此处流速也较大，致使这部分透水框架较其他部位更容易移动，特别是心滩两侧的透水框架，由于两侧滩体为斜坡体，透水框架更易发生位移，但总体上框架移动的数量及范围均较小；（2）滩面上的透水框架会增加心滩滩面糙率，使得水流会在横向上作出调整，水流向左右两侧汊道分流，随着冲刷时间的延长，滩体边缘未守护区域不断遭受冲刷，并最终形成冲刷坑，使得框架在水流及自身重力作用下滑落入冲刷坑内。

根据5种工况的最终冲刷效果来看，透水框架具有很好的减速及促淤功能，从图5中可以发现框架群内泥沙淤积量很大。工况5时来流流速最大，属最不利情况，通过图5中的冲刷过程图，可以看出虽然少量的透水框架被水流冲散，但就框架群整体性来说仍然比较完整，依然可以发挥其应有的守护功能。

2.3 透水框架的缺点及稳定性增强措施

目前已有研究成果及本文试验的分析可知四面六边透水框架有诸多优点，此处不加赘述，通过原型观测及试验发现其也有一定缺点，主要表现在：透水框架群为散抛在心滩上的结构物，当来流流速较大时对框架形成顶冲，使散抛在滩面上的部分框架发生位移，在自身重力作用下滩体两侧框架会滑落至两侧支汊内，降低了透水框架群抛投密度。此外，透水框架群本身具有一定高度，若其随水流运动至主航道中，势必会对船舶安全航行产生一定的影响。因此，在进行航道整治设计时应结合整治河段河床演变特征及水沙动力条件，对透水框架杆件尺寸及总体布置方案应进行优化和论证，以选择合适的整治方案及措施。

为增加四面六边透水框架的稳定性，施工时宜将框架连接起来形成框架群分层抛投；当框架群用于滩体边缘防护时，滩体坡度不宜过大，有时需要适宜削坡防止其滑落；为了更好的守护心滩，可以采取透水框架和护滩软体排相结合的形式，在软体排容易水毁的部位抛投透水框架增强护滩建筑物的稳定性，从而达到更好的整治效果。

3 结 论

（1）流量相同时，滩体破坏程度与心滩被淹没程度没有直接关系，即水位较低时滩体破坏程度不一定大。

（2）在框架群的下边缘和两侧透水框架易发生位移；随着冲刷时间的延长，滩体边缘未守护区域不断遭受冲刷，并最终形成冲刷坑，使得框架在水流及自身重力作用下滑落入冲刷坑内。

（3）透水框架群应用于航道整治尤其是浅滩整治工程时，应结合具体河段地形及水力几何条件进行框架杆件长度及总体布置方案的优化和论证。

［1］ 周生利，刘常全，张 俊.混凝土四面六边透水框架结构在长江航道整治中的应用［J］.水运工程，2012，（10）：102－106，114.

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［13］ 喻 涛.心滩守护前后水力特性研究［D］.重庆：重庆交通大学，2009.

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［15］ 王平义，喻 涛 .护心滩建筑物类型及稳定性研究［D］.重庆：重庆交通大学，2009.

［16］ 王南海，张文捷，王 玢.新型护岸技术——四面六边透水框架群在长江护岸工程中的应用［J］.长江科学院院报，1999，16（2）：11－16.

Scouring Experiment Research on Diara Protective Constructions——Permeable Six－sided Tetrahedron Frame Groups

LIJing1，YU Tao2，WANG Ping－yi2
（1.Changjiang YibinWaterway Bureau，Yibin，Sichuan 644000，China；2.School of River and Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

As a regulating structure in waterway，permeable six－sided tetrahedron frame groups are widely used in the process of themiddle and lower reachesof Yangtze Riverwaterway regulationwith good results，but there are damages in large areas.Therefore，through a flume generalized model test，diara body and the deformation characteristics of the frame groupswere analyzed.The results indicate thatunder the same flow rate，the diara inundated degree is not in direct proportion with the scouring damage of the beach body ；the bottom edges and both sides of the permeable frame groups are prone to displacement；when the frame groups are applied in shoal regulations，the length of the frame bars and the overall layout scheme should be optimized and verified.

permeable six－sided tetrahedron frame；diara；flume experiment；riverbed deformation

TV131.61；TV332.13

A

1672—1144（2014）04—0050—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.009

2014－02－24

2014－03－21

西部交通建设科技项目（200732800006；2009328814012）

李 晶（1969—），男 ，四川泸州人 ，高级工程师 ，主要从事航道整治工程科研与管理工作。