抛石作为散粒体护岸材料,均匀抛护到近岸河床的坡面上,基本上没有改变近岸水流的流速场,因而水流的纵向和横向输沙条件也没有改变。但是,由于护岸后块石在近岸河床上形成抗冲覆盖层,横向变形受到抑制,水流不能直接冲刷岸坡,而是冲刷护岸工程坡脚以外的近岸河床而取得泥沙补给,近岸河床普遍冲深,深泓向岸边移动,其冲深幅度取决于近岸流速的大小和水流顶冲情况。随着近岸河床冲深,岸坡变陡,坡脚附近的块石在自身重力与水流作用下首先下滑,到达坡度较缓处停止。当坡脚块石大量下滑后,岸坡变陡,进一步引起其以上岸坡的块石下滑,从而坡面上出现空白区,护岸工程遭到破坏。抛石厚度越薄,则遭受的破坏会越严重(图8-1、图8-2)。实际上,水下抛石护岸工程施工不易做到按设计要求抛投均匀。由于抛护得不够均匀密实,在水流作用下,坡面块石有一个自行调整的过程,调整的结果使得有些位置块石之间的缝隙逐渐减小,变得较为密实,由不均匀变得较为均匀。当原来的空白区里的泥沙被水流掏刷后,上层块石逐渐失去稳定沿坡面下滑,使得岸坡上的空白区不断向坡面上层发展,并与其他空白区逐渐合并串通,形成长条形空档,空档最终发展到已护岸坡的上部。在水流不断掏刷的情况下,随着岸坡变陡,有些部位形成“吊坎”,如无块石补给,会导致近岸发生崩塌现象。当然,水流掏刷块石空档下面的沙粒及空白区的合并需要一定时间,所以块石下滑运动是呈间歇性的,若及时加固或处理,则不致于出现崩塌。但目前的技术水平还难以准确地测定抛护的空白区及其发展过程,因此施工时,尽可能使抛石均匀非常重要。试验结果表明,如块石覆盖率达不到80%(块石覆盖率为河岸实际由块石覆盖的面积与实际要守护的面积之比),或者分布过于集中而形成局部冲刷坑,都会影响抛石的护岸效果。块石覆盖率超过80%,而且有防冲石时,护岸效果较好(图8-2)[43][1] 。
图8-1 单层块石均匀铺护(无防冲石) 后河床变化情况(室内水槽试验)
图8-2 块石不均匀铺护(覆盖率80%,有防冲石) 后河床变化情况(室内水槽试验)
根据小颗粒石料护岸工程试验研究表明,在水流作用下,其坡面与坡脚的变化以及小颗粒石料在坡面的运动与块石护岸工程的情况是基本一致的。不同的是小颗粒在水流作用下更易密实,对水流扰动相对较小,有利于河床泥沙不被掏刷,其护岸效果更好。当然,其前提条件是小颗粒石料在最不利水流条件下不能被起动。
综上可见,平顺抛石护岸工程的破坏主要是由于护岸后,近岸河床横向变形受到限制,坡脚处河床冲深而引起块石大量下滑,以及由于抛石不均匀而出现空白区,在水流掏刷作用下,岸坡变陡而引起块石大量下滑引起的。(www.daowen.com)
抛石护岸的水下稳定坡度是水流与岸坡相互作用的结果,与近岸水流强度及流态、河床形态、河床组成及抛石的数量和粒径等因素有关,它一般陡于护岸前岸坡的水下坡度而缓于堆石体的水下安息角。试验和实测资料表明,抛石护岸的水下稳定坡度一般为1∶1.5~1∶2.0。
大量的工程实践证明,抛石护岸工程最大的优点是能较好的适应河床变形,适用范围广,任何情况下崩岸都能够用块石守护而达到稳定岸线的目的,即无论是一般护岸段,还是迎流顶冲段,只要设计合理、抛投准确,护岸效果均较好,尤其是在崩岸发展过程或抢险中更能体现抛石的优越性。如中洲子裁弯后新河岸线崩塌剧烈,采用抛石护岸得以稳定,说明块石适应河床变形能力强;2002年初,下荆江北碾子湾段护岸工程施工过程中不断发生剧烈崩塌,若采用其他材料守护,施工强度难以跟上河岸崩塌速度,采用块石守护,充分发挥了散粒体随河床自动调整的优点,先对近岸段集中守护,能起到一定时段内稳定岸坡的作用,保证工程的顺利实施。此外,抛石护岸还具有就地取材,施工和维护简单,可分期施工、逐年加固,造价低等优点。但其也存在着一些不足,主要为开山采石对环境造成的影响、施工时抛石数量和均匀度不易控制等。
长江中下游抛石护岸历史悠久,早在15世纪中叶便在荆江大堤开始兴建块石护岸工程,到目前为止已实施了大量的抛石护岸工程。这是长江中下游应用最普遍的护岸工程材料,以往在各种水流、边界条件下均使用过,均取得了较好的护岸效果,也积累了较多的工程实践经验。试验研究与工程实践表明,抛石护岸工程的效果主要与工程布置、抛石方量、床面块石的覆盖率以及防冲石、接坡石、裹头石的工程量等有关。因此,做好工程设计与施工控制十分重要。
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