Page 100 - 水利学报2021年第52卷第6期

的最不利布置情况（G/D=0）进行防护试验研究。根据试验观测的结果整理与分析，可以揭示两类参数
对冲刷防护效果的影响：（1）抛石层设计厚度 Δh；（2）表征非均匀尺度抛石混合材料的非均匀系数
σ ′。数据汇总见表 3，其中防护效果是指同水流条件下，有抛石防护措施比无防护时群桩冲刷深度减
小的相对百分比，抛石层厚度 Δh 为 0 表示无防护。

表 3 抛石防护的群桩冲刷深度 S e/D 及防护效果
Δh/D
σ ′ 0.0 0.5 1.0 1.5
S e/D S e/D 防护效果/% S e/D 防护效果/% S e/D 防护效果/%
1.22 3.40 0.90 73.53 0.55 83.82 0.55 83.82
1.74 3.40 0.60 82.35 0.45 86.76 0.45 86.76
2.21 3.40 0.50 85.29 0.45 86.76 0.45 86.76
4.1 抛石层厚度 群桩冲刷平衡的最大深度 S 随抛石层厚度 Δh 的变化示于图 8 ，图中同时绘入了抛
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石料非均匀系数的影响。图 8 示出，采用本文设计的非均匀抛石料，抛石厚度 Δh D =0.5 时，即可达
到大于 70%的减冲效果；本文 3 种不同级配的抛石料均于抛石厚度 Δh D =1.0 时，减冲效果最佳，可
达到大于 80%，并且，继续增加抛石厚度使 Δh D >1.0 时，未见 S /D 继续减小。说明在一定范围内增
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大抛石层厚度，可以有效减小群桩的局部冲刷深度，但若超过此范围，再继续增加抛石层厚度，减
冲效果不明显，会增大无效的经济成本。
如用 Δh d r，50 表示抛石厚度，则本试验 3 种方案的 Δh d r，50 分别为 2.5、5.0 和 7.5。防护试验结
［15］ （d
果 也 说 明 ， 如 按 Δh = 3d r，50 可 参 式（1）确 定）进 行 防 护 设 计 ， 可 减 小 最 大 冲 刷 深 度 约 70 ~
r， 50
80%。本试验 Δh D =1.0 亦或 Δh d r，50 =5.0 时即可达到减冲的最佳效果。当然，减冲百分比还与抛石
级配有关。
4.2 抛石级配对防护效果的影响 以抛石料的非均匀系数 σ ′ 为主要自变量、以抛石层厚度 Δh D 为
参 变 量 ， 绘 出 抛 石 防 护 的 群 桩 平 衡 冲 刷 深 度 变 化 图 ， 如 图 9 所 示 。 抛 石 层 厚 度 较 薄 时 ， 如 图 中
Δh D =0.5 的情况，群桩相对冲刷深度 S /D 随着抛石非均匀系数 σ ′ 的增大有明显的递减，且递减率也
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随着 σ ′ 的增大而减小；在抛石层厚度 Δh D 为 1.0、1.5 时，抛石非均匀系数由 1.22→1.74 的过程中，
群桩相对冲刷深度 S /D随着 σ ′ 的增大而减小，但当 σ ′ 由 1.74→2.21变化时，未观测到 S /D的明显递减。
e
e

图 8 冲刷深度随抛石层厚度的变化 图 9 抛石料级配对冲刷深度的影响
上述结果也说明，抛石级配越趋于均匀沙，越具有与均匀沙相近的性质，如 σ ′ =1.22 的抛石
料。试验中观察到，该组抛石料在冲刷过程中床面粗化现象不明显。虽然与其他两组抛石料的中值
粒径相同，但其减小冲刷的效果明显偏小，且抛石层厚度 Δh D 也较另两组抛石料为大，才能使其达
到最佳减冲效果。可见，非均匀抛石料具有较好的防护效果。
4.3 讨论 有效的抛石防护和防护减冲效果与多种因素有关，包括水动力、桩尺度及布置、床沙粒
度、抛石材料性质（密度、粒度、级配等）、抛石层厚度及抛石平面范围，等等。本文在特定的水流和
床沙条件下，考虑了清水冲刷状态、抛石中值粒径与桩弗劳德数的关系、抛石防护平面范围大于冲刷
坑的平面范围，并专门针对抛石材料级配及抛石层厚度进行了研究，更多因素的研究可参阅相关文献。

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