8.1.3.1　抛石护岸相对稳定坡度试验

斜坡上块石的相对稳定坡度，是指河槽冲刷时斜坡上的块石在下滑过程中自然形成的、重新掩盖河床的坡度。它体现了护岸与河床变形息息相关的性质，是平顺抛石护岸设计与加固工程中确定护脚坡度时必须考虑的一个重要的参数。为此，专门在直槽与弯槽中进行了斜坡上块石的相对稳定坡度试验［44］[4] 。

坡面上的块石在下滑过程中的偏角试验结果表明，岸坡上块石的下滑运动是一种随机现象，但绝大部分下滑偏角不超过10°，同时偏向上游的也占一定比例。因此可以认为，块石在下滑过程中，水流对块石的纵向推力与块石的下滑力相比是很小的，同时也看出，块石在坡面发生位移后基本上仍在原断面附近，没有发生流失，只是在原断面附近有所变化而已（表8-1）。

表8-1　岸坡上块石位移情况表

沙质河床抛石护岸的稳定坡度应满足以下三个条件：①不小于河岸土质在饱和情况下的稳定坡度，根据下荆江观测资料，边坡系数m不应小于2；②不小于块石体在水流中的临界休止角；③保证单个块石在斜坡上不被起动。

对抛石护岸工程相对稳定坡度的试验在直槽中设计了以下三组试验方案： ①对单、双层护岸的相对稳定坡度进行比较，护岸初始坡度均为1∶1.5；②对不同的初始坡度（1∶2.0，1∶1.5和1∶1.25） 的情况进行比较，铺石均为单层；③ 床沙为天然细沙，中值粒径为0.115mm，分别铺护小瓜米石（粒径为0.35～0.80cm），和大瓜米石（粒径为1.2～2.3cm） 进行比较。试验成果见表8-2。

块石护岸的相对稳定坡度与起始河床形态、水流条件、冲淤幅度及抛石厚度等因素有关。稳定坡度试验研究表明，在一般情况下，护岸工程的块石在水流作用下形成的自然稳定坡度基本在1∶1.5～1∶2.0之间。

在弯槽中布设了20 个断面专门进行相对稳定坡度实验。试验结果表明，在弯槽中，斜坡上的块石失去平衡下滑所形成的相对稳定坡度最大为1∶ 2.19，最小为1∶1.37。

从以上直槽和弯槽中的试验成果可以看出，斜坡上的块石在下滑过程中自然形成的相对稳定坡度，在不同起始坡度，不同护岸层次情况下，一般均不大于1∶2.0。

表8-2　不同试验条件下块石护岸相对稳定坡度

试验还表明，调整后的坡脚以外至深泓线未被块石保护的部分，其平均坡度远远缓于1∶2.0。因此，斜坡上下滑的块石是由于坡度逐渐变缓、块石与床面之间的下滑摩擦力不断增加而停止下来。

8.1.3.2　抛石护岸工程块石稳定分析

研究块石在斜坡上的稳定，即研究块石粒径与其坡度和水力因素之间的关系。20世纪80年代初，长江科学院从斜坡上块石的力矩平衡方程出发，引用了推移力和上举力系数的试验研究成果，推导出以下的关系式［79］。

式中　D——简化为球体的块石粒径；

λx、λy——球体在水流中受力的推移力系数和上举力系数；(www.daowen.com)

v——垂线平均流速；

ρ、ρs——分别为水和块石的密度；

θ——斜坡坡角；

φ——块石失去稳定时的翻滚方向与水平方向的交角；

g——重力加速度；

a——与力臂相关的待定系数，与球体的相对突起高度有关。

在其他条件相同的情况下，φ 必定有一个值使得翻滚力矩最大，因而在平衡条件下D 也必然有一个极大值。对上式取，得

并可转化为：

和

根据上述关系式和a，λx，λy等参系数的取值，可以确定抛石护岸在一定水流条件下和某一坡度下采用的抛石粒径。

研究结果表明，在岸坡较陡的情况下，块石重量W 随m值的减小（即坡度变陡）而急剧增加。因而在比降大、流速大的河段用稳定坡度的方法进行设计时，建议设计的稳定坡度不陡于1∶1.5，否则将需要尺度很大的块石才能稳定，这就可能增加工程造价，而且给施工造成困难。同时，坡度也不宜缓于1∶2.5，因为在原岸坡较陡而采用过缓的坡度，设计的断面很大，即使可以采用较小粒径的块石，块石空隙率可能稍大，但总的石方工程量仍可能较大。

从荆江大堤抛石护岸工程实践来看，在垂线平均流速为3m/s、水深超过20m的情况下，常用的块石粒径为0.20～0.45m。在20世纪50年代荆江大堤的许多护岸河段的抛石坡度都是比较陡的，虽经加固，但汛后往往出现1∶ 1.0的陡坡，甚至有的陡达1∶0.7。显然，这种情况是不稳定的，也是不安全的，其结果就必然会出现抛石护岸本身不断滑挫和枯水位以上干砌块石护坡挫裂等险情，可见荆江大堤护岸加固在当时是非常迫切的。本研究表明，当初提出荆江大堤全部护岸坡度从1∶1.5逐步加固到1∶2.0是适宜的。如再加固至1∶2.5，再考虑上荆江河段河床可能的冲刷深度而增加一定数量的防冲石量或一定宽度的护底石量，应该说，荆江大堤护岸工程是比较安全的。

研究还表明，在m＞3坡度十分平缓的情况下，坡度的影响可以忽略。所以，在长江中下游的平顺抛石护岸是以抛石宽度来控制的。由于水深大、流速小和河岸边坡平缓，因而抛石护岸可以采用较小的块石粒径，山场碎渣可以得到利用。江苏省镇江市采用粒径为0.5～5cm的砾石（中值粒径为1.85cm） 和重量为0.42～15.2kg的石渣（中值粒径为16.6cm）作为水下护岸材料，取得了护岸效果，节省了投资。因此，在长江中下游利用小颗粒的砾石和石渣进行水下护岸，在节约工程量方面应有很大的潜力，应当进一步试验。在形成局部冲刷坑的条件下，由于水流特性不同，底流速可能增加较大，小颗粒块石护岸作用还有待进一步研究。