8.1.2.1　平底河床上的块石位移

20世纪60年代初，为了研究抛石在河床上的稳定过程及其防冲作用，进行了定性的水槽试验[2]。试验是在长13m，宽1m的水槽中进行的。试验段铺沙厚25cm，床沙最大粒径为1mm，平均粒径0.347mm，均匀系数为2.15；块石粒径为0.5～4cm。试验中施放了大小不同的两种流速。小流速大于最粗粒径的床沙起动流速，而小于最小粒径的块石起动流速，以保证床沙在床面上都能运动，产生沙波。大流速则在保证块石不被冲动的前提下，尽量增大河床冲刷强度。试验内容包括单颗块石和成堆、成片块石在沙质河床上的位移试验；不同铺石厚度和铺护面积对河床防冲作用的定性试验。试验得出如下主要认识：

（1）当流速小于块石的起动流速时，单颗块石因迎水面河床冲刷，一般向上游滚动，并稍向下沉，一部分突出床面，另一部分埋于沙中，沙波越过块石移动。

（2）块石在受冲的沙质河床上，当其短轴与水流垂直时，由于长轴两侧绕流不均衡，河床产生不对称的冲刷，使块石发生转向，最后均以长轴垂直水流方向而趋于稳定。

（3）成堆块石在沙质河床上受到冲刷时，堆石向上游及两侧展平；当展平以后不能将河床大部分覆盖起来（试验情况是覆盖面积25.6％～52％），则河床冲刷速度反而加大。

（4）成片块石在受冲沙质河床上，上游及两侧均有移动情况，当冲刷强度较大时，可引起边缘部分的块石分离。

（5）块石铺成一片后，随着铺石层次的增加，对河床防冲的作用也增大，且对其下游一段未护河床有一定的掩护作用。

试验还表明，在沙质河床上，只要床面上的流速小于块石的起动流速，块石就不可能因为床沙冲刷而流失。

8.1.2.2　平顺抛石护岸工程的块石位移特性

20世纪70年代初期，为了解决平顺抛石护岸工程设计与施工中存在的问题，分别在实验室的直槽与弯槽中进行了定性试验［44］。由于试验目的是定性地模拟因近岸河床变形而产生的抛石位移情况，必须使水槽中的水流运动、床沙运动及块石运动三者之间的关系定性地反映天然情况。因此，在试验中考虑了水流的重力相似、床沙的起动和扬动相似以及块石的几何相似。直槽为长20m、宽0.6m的玻璃水槽。斜坡上的护岸块石选用染有白色与红色的小瓜米石，粒径为0.35～0.80cm；几何比尺为66.7，相当于模拟天然条件近岸水深为20m，流速为3m/s，护岸块石重为30～150kg的情况。床沙为沥青木屑，中值粒径为0.45mm。弯槽全长36m，宽1.8m，水深0.2m，由三个同半径的反向圆弧构成。圆弧的中心角为78°20′，外径为8m，内径为6.2m。两弯段之间为直段，各长3.35m。中间弯道为动床试验段，轴线长9.57m，上下弯道均为定床，轴线长分别为8.68m及7.08m，几何比尺为100，模拟的天然条件与直槽相同，床沙则为木屑，中值粒径为0.50mm。

试验水流流速变化范围为大于床沙的扬动流速而小于块石的起动流速，并在试验过程中逐步增大。主要试验结果如下：

（1）在槽底尚未冲深之前，斜坡上的块石由于铺护得不够均匀密实，在水流作用下，有一个自行调整的过程。调整的结果，使得块石之间的缝隙逐渐变小，由不密实变得较密实，由不均匀变得较均匀。由于块石的不断调整，坡面上出现的空白区不断增大，并自下而上地移动，直至岸坡的顶部。

当流速增大开始冲刷河床时，大多数块石失去平衡后沿坡面向下位移的形式是滑动。只有少数块石，当其失去稳定时也可能沿坡面滚动或连滚带滑。由于块石下滑时产生与水流方向相垂直的扰动，所以在下滑过程中掀起一层床沙。

在这个过程中，块石基本上是一两颗或两三颗挨次地向下滑动，即使是排列较紧密的块石，也只是四五颗，五六颗一起滑动，而不是成片地滑动，更不是成片地掀起。由于水流冲走块石空档下面的沙粒并掏刷到一定深度要经历一段时间，所以块石下滑运动是呈间歇性的。

（2）当坡脚处床面被水流冲刷时，护脚的块石首先向深槽方向下滑，一般均在深槽的坡度较缓处停下来而不达到深泓线。之后，其上的块石在水流继续掏刷下挨次地、间歇性地向下滑动，重新覆盖被冲刷的坡脚。这种重新覆盖的作用系自下而上逐步进行的。

在双层块石的情况下，当槽底冲深时，如果下层块石松动下滑足以平铺于冲深的坡脚，坡面就不会出现空白区；只有当坡脚冲深剧烈，下层石量不足以掩盖被冲深的部位时，中层和上层的块石才下滑，以填补下层至中层块石的不足，坡面才产生空白区。换句话说，护岸工程的坡面随坡脚的变化而变化。由此可见护脚的重要性，它应是护岸工程稳定和安全的根本。

同时也不可忽视，即使坡脚是稳定的，当坡面抛石量严重不足，在近岸流速较大时，坡面的上部也会遭到破坏。

（3）单层块石的情况下如果排列得很密实，由于其间的孔隙宽度比块石尺度一般要小一个数量级，在水流作用下，床沙是不易被掏刷出来的。如果实际散抛的石方量，不足以保证形成密实的单层铺护，块石之间必然产生空档，空档中的沙粒不断为底流漩涡卷走，导致护岸工程的滑挫。双层块石覆盖的床面，底层块石与床面之间的缝隙中的水体基本上为静水状态，因此底流难以将沙粒吸出。

单层的大块石（其厚度甚至超过双层小块石），其护岸作用与单层小块石差别不大。(www.daowen.com)

以上是20世纪70年代初的试验成果，对于认识抛石护岸的基本功能和破坏机理有许多的启发作用。

2002～2004年，长江科学院利用长40m，宽2.5m，高1.0m的水槽，按正态模型设计，几何比尺1∶40，对抛石护岸的效果、破坏机理及适用条件等进行了系统的试验［77，78］[3] 。试验采用单侧动床动岸模拟，试验段长16m，试验水深0.3～0.5m，岸坡坡度为1∶2～1∶3，底宽0.5m，床沙为木屑，厚为0.5m（相当于原型20m）。动岸侧为试验守护段，岸坡坡度分定坡和变坡两种情况，定坡坡度为1∶2；变坡情况，岸坡上段坡度为1∶2，下段为1∶3。试验水深分别为0.5m（原型为20m）和0.3～0.34m（原型为12～13.6m），对应的断面平均流速均为0.47m/s（原型为3m/s）；另一种是模拟水位涨落过程，水深为0.3～0.4～0.5～0.4～0.3m（对应的原型水深为12～16～20～16～12m），相应的流速为0.16～0.32～0.47～0.32～0.16m/s（原型流速为1～2 ～3～2～1m/s），每级流量试验的时间按冲刷达到相对稳定来控制。采用容重为2.65t/m3 的小粒石模拟块石，粒径为3.8～11.3mm（原型为0.15～0.45m）。为了研究小颗粒块石的护岸效果及破坏机理，采用容重为2.65t/ m3、中值粒径4.2mm（原型为0.168m）的天然矾石模拟小颗粒块石。进行了单层块石、双层块石铺护和块石均匀铺护、不均匀铺护等多种情况的试验。主要试验结果如下。

（1）单层块石（模型平均铺护厚度约为7.5mm，相当于原型0.3m）均匀铺护、坡脚无防冲石时，在水流作用下河床不断刷深，坡脚附近的局部坡度明显变陡，陡坡附近的块石在自身重力与水流作用下发生滑移，陡坡处局部也有少量土体下挫，在附近位置出现空白区。同时，岸坡上的块石由于铺护得不够密实，在水流作用下，有一个自行调整的过程，有的地方块石之间的缝隙逐渐减小，有的地方则会出现空白区。空白区里的泥沙被水流掏刷，上层块石逐渐失去稳定而沿坡面下滑，空白区不断向坡面上部发展，甚至使新、老空白区逐渐合并、串通，形成长条形空档，空档最终发展到岸坡的顶部。顶部空白区中的泥沙在近岸水流作用下不断掏刷，随之岸坡变陡，有些位置形成陡坎，且无块石补给，随着水流的不断作用，近岸会发生崩塌现象，若不及时加固或处理，在水流作用下会出现水流“抄后路”现象，河岸也将发生进一步崩退，护岸工程破坏加剧，故采用单层块石护岸是不稳定的（图8-1）。当在坡脚加铺防冲石，沿断面方向宽30cm、厚3cm（对应原型宽12m、厚1.2m），坡脚附近河床的稳定增强，但在水流作用下坡面上的块石仍会发生调整而形成空白区，其变化规律与无防冲石的情况类似，只是形成的空白区的面积较小，破坏程度相对较轻。

（2）双层块石（模型平均铺护厚度约为15mm，相当于原型0.6m） 均匀铺护、坡脚无防冲石时，河床变形与单层块石铺护的情况类似。岸坡上的块石发生一定的调整，但由于铺护了两层块石，调整后岸坡上的块石仍较密实，仅在坡面上部出现小的缝隙，岸坡保持稳定；坡脚附近的块石随前缘的冲刷而发生滑挫，当坡脚前沿冲刷到一定程度后，下部石量不足以覆盖被冲深的部位时，坡面上的块石将下滑而出现空白区，在水流的冲刷作用下遭到一定程度的破坏，但破坏范围较单层块石情况明显缩小（图7-1）。当坡脚前沿抛护防冲石（范围同上）时，坡面上块石的调整与无防冲石情况类似，坡脚前沿冲刷后有防冲石补给，坡面块石调整的幅度较小，未出现明显的空白区，护岸工程效果较好，无明显破坏现象。

（3）块石不均匀铺护试验分别考虑了坡面块石覆盖率为50％、70％ 和80％的三种不同情况，坡面块石铺护方量按前述均匀铺护的双层方量控制，由于铺护不均匀，实际块石的铺护厚度分别约为30mm、21mm和19mm。试验结果表明，坡面块石之间空隙及坡脚前沿因无块石保护而受水流冲刷，块石不断调整下滑，局部坡度变陡，当调整到相对稳定后，块石分布为中下部比上部厚且较为密实。坡面上部的块石因向下滑移，且无块石补给，会出现较大范围的空白区，影响护岸工程效果，其影响程度与块石的覆盖率成反比，覆盖率越高、影响越小；覆盖率越低、影响越严重（图8-3、图8-4、图8-5）。块石覆盖率为50％的破坏情况最为严重，无论有无防冲石，其坡面块石经调整后均形成一定范围的空白区，空白区中的泥沙会在水流作用下发生掏刷，从而使护岸工程遭到较严重的破坏；块石覆盖率为80％的情况，经调整后在坡面上部有一定范围的空白区，在有防冲石情况下，其空白区的范围较小，其破坏程度相对较轻；块石覆盖率为70％的情况，其坡面块石的调整变化介于二者之间，近岸的破坏程度好于50％，差于80％。可以看出，当覆盖率达到80％以上、坡脚前沿加防冲石时，经水流作用调整后，块石基本上能够覆盖坡面，仅在坡面上部有较小范围的空白区，对护岸工程的破坏较小。

图8-3　块石不均匀铺护（覆盖率50％，无防冲石）试验前后的变化情况

（a）试验前；（b）试验后

图8-4　块石不均匀铺护（覆盖率50％，有防冲石）试验前后的变化情况

（a）试验前；（b）试验后

图8-5　块石不均匀铺护（覆盖率80％，有防冲石）试验前后的变化情况

（a）试验前；（b）试验后

块石覆盖率为80％且有防冲石的护岸工程涨落水试验表明，起始水深、流速较小时，河床变形以及坡面块石调整的速度相对较慢，随着水位上涨、流速增大，河床变形及坡面块石调整的速度加剧，其变化过程及破坏机理与上述单级流量情况类似，仅是河床变形及坡面块石调整的速度存在差异。水位降落时，水深、流速减小，河床及坡面变形也减小。同时，水位降落速度对护岸工程有明显影响，当落水速度较快时，块石护岸段的有些位置会出现裂缝，局部位置出现少量崩塌现象；当落水速度较缓时，上述现象可减轻或避免。

不均匀铺护的坡面块石位移试验结果表明，坡面下部块石位移较大，特别是坡脚附近，因水流冲刷河床使块石基本沿坡面倾斜方向发生较大位移，而坡面中上部的块石仅在附近空白区内和坡面上发生滑移，相对位移较小；坡面块石位移具有间歇性、延续性；大多数块石在坡面的运动方向与岸坡倾斜方向一致或稍偏下游，也有少量的块石向上游滑移；块石在坡面滑挫后基本在原位附近，未发现有块石流失现象。

（4）小颗粒块石三层均匀铺护、防冲石宽0.3m（原型为12m）、厚6 层（原型0.94m） 时，在水流作用下坡脚前沿河床冲刷，坡度变陡，由附近上部碎石下滑填补，形成新的碎石覆盖层；同时坡面上的碎石也在调整，但调整幅度比大颗粒块石的要小，主要是因为小颗粒碎石对近底水流的扰动更小，加上小颗粒在铺护过程中易密实，颗粒之间及颗粒与床面之间孔隙小。经过一段时间作用后，护岸工程趋于稳定，护岸效果更好（图8-6）。小颗粒块石按覆盖率80％ 不均匀铺护时，坡脚附近变化情况与均匀铺护基本一致；坡面上的碎石调整幅度大于均匀铺护。

图8-6　小颗粒块石三层均匀铺护试验前后变化图（有防冲石）

（a）试验前；（b）试验后

抛石矶头护岸块石位移的特点与平顺护岸基本一致，即随着河床冲深，坡脚变陡，块石自下向上以单个或几个一起依次地下滑，个别情况下亦出现成片的滑动，下滑过程也是间歇性的。所不同的是，由于矶头附近冲刷坑的形成，矶头各部位块石位移程度不同，一般以矶头下腮部位河床冲刷最深，块石下移也最多，块石一直下滑到冲刷深槽处。