河道整治中护脚型式的淘刷试验与参数化设计

近年来，随着城镇化进程的加快和水利基础设施建设的不断推进，河道整治工程对岸坡稳定性的要求日益提高。在水流长期冲刷作用下，岸坡局部出现淘刷破坏，严重时将危及堤防安全与河道功能。为有效应对冲刷风险，工程中常采用设置护脚结构的方式以加强岸坡底部抗冲能力。然而，不同型式护脚的抗淘刷效果存在显著差异，且尚缺乏基于定量试验数据的设计依据，亟需开展系统试验与参数化研究以指导实际工程。

一、护脚淘刷试验研究

（一）试验目的与设计原则

本研究旨在通过物理模型试验分析不同护脚型式在水流冲刷作用下的抗淘刷性能差异，并为后续建立设计参数关系提供实验依据。试验遵循水力可比、结构典型、边界明确的原则，模拟河道工程中常见水流条件，设置多种护脚结构样式，研究其在不同流速环境下的冲刷坑发展规律与底床扰动特性。试验强调控制变量，确保数据的可比性与重复性，从而真实反映不同型式的护脚在相同水动力作用下的受冲刷机制与稳定性表现。

（二）试验装置与测试方法

试验在一条封闭循环水槽中进行，水槽尺寸为20 米长、1.2 米宽、水深可调节至0.6 米，采用Froude 相似律进行物理缩尺，比例尺为 1:20 底床采用中砂材料，铺设前充分湿润并压实，以保持均匀初始状态。水流通过变频泵控制，设定三档典型流速，分别为0.8 米每秒、1.2 米每秒和 1.5 米每秒。实验过程中采用激光测距装置和插针式探头对淘刷坑进行周期性扫描记录，每组试验持续时间为90 分钟，记录冲刷深度、宽度、边界变化及流场特征，形成完整的试验数据库。

（三）护脚型式分类与设置

试验选取四种典型护脚结构形式进行布置，分别为刚性块体护脚、抛石护脚、袋装砂护脚以及组合型护脚。刚性块体护脚采用尺寸为 6×6 厘米的混凝土方块密拼铺设，整体刚性强但柔顺性差；抛石护脚采用粒径 5 厘米的块石自然堆砌，具备一定孔隙与消能作用；袋装砂护脚使用50×70 厘米规格编织袋，填装干砂 40 公斤，交错叠放两层形成连续带状结构；组合型护脚则在袋装砂基础上表面再铺设一层 30 厘米厚的块石，兼具柔顺性与抗冲性能。所有护脚结构在边缘均设置锚固处理，埋深统一控制为20 厘米，以保证结构在冲刷过程中的稳定性[1]。

（四）试验结果分析

试验结果显示，不同护脚型式在相同水流条件下的淘刷坑形态及深度存在明显差异。在流速为 1.5 米每秒的强冲刷条件下，刚性块体护脚由于结构整体性强但柔顺性不足，边缘易出现掏空破坏，形成集中冲刷坑，最大淘刷深度达到 18 厘米。抛石护脚因具有良好的孔隙性和能量耗散能力，冲刷形态较为平缓，最大淘刷深度控制在 12 厘米以内。袋装砂护脚在中高流速条件下结构整体稳定性下降，试验中出现轻微滑动，淘刷深度达到21 厘米。组合型护脚在各流速条件下表现最为稳定，冲刷深度始终低于 10 厘米，坑形对称、结构未见位移，显示出良好的抗冲刷能力与适应性。综合分析表明，结构柔顺性高、边界顺应性好的护脚型式在强流作用下更能有效减弱冲刷集中、降低破坏风险。

（五）影响因素探讨

试验进一步揭示了影响护脚结构抗冲刷性能的主要因素，主要包括水流条件、结构材料、几何参数及铺设方式等。其中，水流近底流速与湍流强度对冲刷作用最为直接，尤其在湍流主轴集中于结构边缘时，更易诱发局部淘刷。结构材料密实度与表面粗糙度决定其能量耗散能力，抛石和组合结构因具有较高糙率，在缓冲冲击力方面表现优于刚性结构。护脚埋设深度对抗滑移和掀翻具有关键意义，浅埋或无锚固结构易在反向流或回流区被水流掀动。此外，结构与岸坡之间的过渡处理若不合理，则成为水流绕射汇聚点，易诱发冲刷坑形成。综合而言，抗淘刷性能的提升需从结构柔顺性、构造稳定性与水流调控三方面协同考虑。

二、护脚结构的参数化设计方法

（一）参数化设计基本概念

参数化设计是通过建立结构性能与设计要素之间的逻辑函数关系，运用系统建模与数据分析技术，实现对设计结果的快速预测与优化调整。在河道整治领域，参数化方法能够适应不同流域特性与复杂水力条件下的个性化设计需求，弥补传统经验设计的局限，提升设计的科学性与可复制性，特别是在多方案比选、短周期设计任务中具有明显优势。

（二）设计参数选取与量化

本研究以抗淘刷性能为目标，对试验结果进行系统整理与分析，选取护脚宽度、埋深、结构质量、材料类型、表面粗糙度等作为主要设计参数[2]。其中，护脚宽度直接影响保护范围，宽度不足易导致冲刷外扩；埋深关系到结构抗滑与防掀效果，宜依据底床性质进行调整；单位面积质量反映结构对流速的抗冲阻能力；材料类型决定其透水性、稳定性与施工便捷性；表面粗糙度影响近底层流速与剪应力分布。通过定量化整理试验数据，可建立结构参数与冲刷深度的对应关系，形成设计推荐值区间与调整建议。

（三）建模方法与数据处理

采用多元线性回归方法处理试验数据，对各影响因素进行拟合与敏感性分析。利用专业软件进行回归建模，筛选显著影响冲刷深度的变量，并识别其正负相关关系。结果表明，流速与冲刷深度呈明显正相关，而结构单位质量与粗糙度参数则表现出抑制冲刷的作用。模型在试验组中验证有效，具有良好的预测精度。为工程实际应用便利性，进一步将模型参数简化并图表化，便于设计人员根据现场条件快速查表确定设计参数。

（四）护脚结构参数化设计模型构建

基于试验分析与模型建立，形成一套可应用于工程实践的参数化设计模型。该模型以设计流速、水深与河床类型为输入参数，输出建议的护脚型式、宽度、埋深及材料等级。模型可嵌入现有设计软件平台中，辅助完成护脚结构初设 [3]。通过典型河段验证，模型计算结果与实际运行情况吻合良好，冲刷控制效果明显优于传统经验法。模型亦支持后期根据实测数据持续修正，具备良好的适应性与可拓展性。

（五）典型案例计算与应用

在某山区河道整治工程中，设计流速为 1.4 米每秒，河床以卵石为主，岸坡较陡，流态紊乱且冲刷强度大。根据参数化模型计算结果，推荐采用组合型护脚，宽度为 1.2 米，埋深 0.4 米，袋装砂设为基础层，块石粒径选用 15 厘米，并辅以边缘锚固与坡脚过渡处理，确保整体结构协调稳定。整体结构稳定性高，抗冲性能满足设计要求，施工工艺亦较为便捷且适应现场条件。实际施工后，历经连续汛期强降雨与大流量冲刷考验，护脚未出现明显冲刷破坏，结构形态保持良好，运行状态稳定，表明该设计方法在复杂地质条件下具备良好的应用前景与推广价值。

总结：

通过物理模型试验系统分析了不同护脚型式的抗淘刷性能，明确了结构型式、材料与水流因素之间的响应关系。基于试验结果建立的参数化设计模型具备良好的适应性和实用性，可为工程实践提供科学指导。研究表明，柔顺性强、能量耗散能力高的组合型护脚在多种水流条件下均具有优越的稳定性，参数化方法为河道整治设计提供了高效、可靠的新路径。

参考文献

[1] 刘贝 , 蔡灿炎 . 荆南三河河道整治工程抛石护脚施工质量控制[J]. 水利技术监督 ,2021,(12):224-226.

[2] 王标 . 航道整治工程中的砂枕护脚施工技术 [J]. 珠江水运 ,2024,(11):95-97.

[3] 杨凯 . 砂枕护脚施工技术在航道整治工程中的应用 [J]. 中国水运 ,2023,23(16):93-94+102.