带角刺混凝土球体护岸抛投材料设计研究

谷芳莹，谷芳华，罗问桐，肖 汐，郭 喆，范鲁晔

（1．河南省航空物探遥感中心，河南 郑州450000；2．武汉大学 水利水电学院，湖北 武汉430072）

我国河流的堤岸冲刷现象十分普遍，严重威胁堤防安全，崩岸险情屡屡发生，威胁到流域土地安全和航道稳定，对人们的生产生活造成了恶劣影响。目前存在多种形式的抛投材料，利用其消能减冲是普遍采用的护堤形式。姚仕明等［1］研究发现传统抛石护岸工程会因边缘空隙位置遭冲刷而丧失稳定性；毛佩郁等［2］总结说明土工织物的滤层设计准则不一，且面临老化、变形等问题；蔡莹等［3］研究表明混凝土四面体抛投材料强度较低，且工序繁琐。基于此，设计制作了带有角刺的空心混凝土球体，其稳定性高，可有效避免“年年抛，年年丢”的现象，长期经济效益可观。该抛投体原料易得，制作工艺简单，成本低，精度要求低，可根据实地情况现场灵活生产。该抛投体不但在工程造价和经济效益方面有明显优势，而且在环保方面也可发挥巨大作用。

1 新型抛投材料介绍

1．1 结构及尺寸

该抛投材料由混凝土材料整体浇筑而成，主体是空心球体，球壳表面分布有多个过水孔洞，粗糙表面岔出圆台状角刺（见图1）。

抛投体尺寸可根据施工现场的实际情况调整，为便于施工，只需将尺寸控制在一定范围内，不设置精确尺寸。考虑混凝土强度及消能效果要求，设置尺寸范围如下：空心球体外径30～60 cm，内径20～40 cm，过水孔洞直径1～3 cm，圆台状角刺高3～5 cm、底面直径3～5 cm、顶面直径1～2 cm。

1．2 创新特色

该产品突破传统抛投护岸材料多为实心的思维定式，采用圆台状角刺、孔洞与空心球体等基本结构的有机组合，构成了一种新型护岸抛投材料。

实心体的传统抛投材料会发生水流绕流现象，加剧水流对堤脚土体的冲刷［4］。而该新型结构体的内部空洞设计可使水流穿透表面，在内部震荡回旋，从而消耗大量动能，降低水流速度。粗短角刺设计可分散水流，使水流内部的能量消耗加大，且多个结构体外部的角刺相互牵绊形成的空心部分起到与内部空洞相似的作用，实现二次消能，从而使消能效果显著增强。

传统抛投材料大多单面受力或多面受力差较大，受到的动水水压大，易被破坏、冲走［5］。而该新型结构体抛入后，其粗尖角刺可在河床土体生根，多个抛体同时投放时还可相互嵌合、卡扣，防止材料流失。一定厚度的混凝土外壁在保证结构强度的同时，其本身的力学性能更优，不易造成应力集中。另外，结构体预留的过水孔洞使向流面和背流面受到的动水压强相位差小，自稳能力强，可有效解决传统抛投材料“年年抛，年年丢”的问题。

新型结构体由水泥砂浆整体浇筑而成，原料易得，便于运输，良好的自稳性延长了其工作时间。与传统的实体抛投材料相比，该结构体的内部空心以及孔洞设计在保证消能效果的同时增大架空率，节省原材料，贯彻了绿色发展的理念。

2 效能分析

河道中导致河岸坍塌的主要原因是局部水流流速过大，水流对壁面的剪切力强，对河岸土体产生长时间高强度淘刷，造成土体流失［6］。因此，防冲护岸的最好方法就是抛投护堤材料来替代堤岸土体承受水流的冲击作用，进而降低冲刷区域的来流能量，减小水流速度［7］。该新型材料特殊的带刺空心球状结构在增强材料的消能减冲作用的同时，保证了其自身及整个护堤工程的稳定性与持久性。

2．1 消能减冲作用

该抛投材料在抛入水流流速较大的水体后，会替代河岸土体承受水流冲击。其中心空洞可使水流在内部激荡回旋，大量涡流在内部形成、运动、分裂和互相摩擦，造成能量损耗，形成二次消能。多孔结构在水流穿透的同时将水流分散，避免了水流的集中作用，在削弱水流冲击力的同时改变了水流的流速分布，造成能量损失。而尖状粗刺和粗糙表面的结构通过撕裂、分散、挑走水流，在保证迎流面积的同时充分改变水流结构，使水流内部紊动加剧，产生涡流。

与传统实体抛投材料相比，该材料的特殊结构能使水流速度大幅减小，达到减冲护岸的目的。

2．2 稳定持久作用

一方面，这种新型抛体上预留的过水孔洞使得向流面与背流面所受的动水压强相位差显著减小，同时避免了水流完全受阻后绕流形成的外部涡流、回流等，确保抛体在河道中的稳定性，有效提高抛体的抗移动能力。而一定厚度的混凝土外壁则保证了其结构强度，降低了抛体损耗率。

另一方面，这种带有独特的圆台状角刺设计的新型抛体在抛入水中后能够有效嵌入河床土体，在基础土体中生根。此外，各抛体之间还可以通过相互嵌合、卡扣，从而形成“抛体-河床”“抛体-抛体”的结合体，增强整个护堤结构的稳定性，实现抛体的长期效用。

3 消能效果模型试验

3．1 试验原理

为验证新型抛投材料的消能效果，设计室内模型概化试验。模型结构体与原型保持几何相似，几何比尺取1∶10。因混凝土块排在传统护岸抛投材料中应用较广，故采取相同几何比尺制作混凝土块排模型，以设置对比试验。根据试验对照原则，设置了空白与新型结构体、空白与块排两组对照，测得投后能量改变情况，即可对比混凝土块排及新型结构体的消能效果。

忽略动水压强部分，过水断面的断面比能为

式中：E为过水断面的断面比能；h为过水断面上某点的位置水头；v为该点的流速；g为重力加速度。

抛投材料模型的相对消能率η为

式中：E入为入流断面的断面比能；E出为出口断面的断面比能。

因两种模型体积大致相同，故可认为二者造成的水深变化相等。在天然河道模型中设置对比试验，分别测得放置两种模型前、后河段的入流断面及出流断面的流速，即可测得两种抛投材料模型的相对消能率。相对消能率越高，表明消能效果越显著。

3．2 试验布置

河槽模型设计见图2，简化天然河道自然地理条件，模拟自然岸坡边界，将天然河道大致简化为入弯段、出弯段、直线段。采用LS-508A型直读式流速仪测量流速。

进行试验前，在槽底铺沙，以模拟天然河道岸坡条件，见图3。打开水泵，调节闸门开度，改变流速大小至合适值，并调节流速仪参数。待水流及岸坡稳定后，测定3个典型河段出段处测点的流速（每个点测量6次）作为空白对照；放入新型抛体模型，测得流速数据，取出后回测流速，以检验测量过程中边界条件有无明显变化。清空流道余水，恢复岸坡，抛入混凝土块排模型进行下一组试验（共进行6组试验）。

3．3 试验结果及分析

将两种抛投材料模型放入河道模型后，测量河道内水深变化，二者大致相同，故可忽略位置水头对断面能量的影响。在放置抛体模型前、后均进行定点流速测量，取流速未发生明显改变的测量数据进行记录，以消除抛料模型对岸坡条件的影响。在3个测点进行测量，每个测点测量流速6次，取平均值以减小误差。测得的流量数据见表1、表2。

表1 新型抛体模型试验数据

表2 混凝土块排模型试验数据

在新型抛体抛入河道模型后，可以明显观察到水流在抛体内部回旋激荡，圆台状角刺对较强的来流产生分散、疏导作用，下游水流呈扇形向后的辐射状，见图4；而实心的混凝土块排则会加剧绕流，对岸坡造成较强的局部冲刷，存在局部流速变大的情况，见图5。

二者在3个测点的相对消能率比较见图6～图8。由此可知，无论在何种河段内，新型抛体模型的消能效果均显著高于混凝土块排模型的。

当把带有圆台状角刺的空心混凝土球体护岸抛投材料置入原型河道时，抛体相对体积较小，上游的水位壅高可以忽略不计，但是新型抛体群会消耗很大一部分水流能量，缓解水流对岸坡的冲刷，从而更好地实现防冲护岸的目的。

4 结 论

（1）理论分析表明，无论是在消能效果方面还是稳定性能方面，带有圆台状角刺的空心混凝土球体护岸抛投材料均比传统抛料更具优越性。它独特的结构设计可以分散、疏导水流，并且使水流在内部回旋激荡，大大消耗来流能量，从而发挥防冲护岸的作用；同时，抛体相互之间通过圆台状角刺以及球体孔洞嵌合卡扣，圆台状角刺不易折断，且可以嵌进土体，大大增强了整体稳定性。

（2）模拟天然河道试验表明，带有角刺的空心混凝土球体消能率高，可有效防止土体流失，大大降低崩岸风险。同理，将其运用到堤防河段，可减轻水流对堤脚的冲刷，起到良好的护堤效果。此外，在保证结构强度的前提下适当增大该抛投材料的孔洞比例，可在多沙河段中避免堵塞，有效发挥消能减冲作用。

（3）此种新型抛投材料凭借其独特的外观设计和完备的科学依据，经推广后还可用于原理相似的多个领域，如护坝截流、抗洪抢险等。空心球体的设计可增大抛体的架空率，节约制作用料，且混凝土原料方便易得，大批量生产时具有较高的经济性，值得大力推广。