格栅式消能结构下游冲刷深度控制中石笼槛的优化配置与水力效应研究

本研究针对河床控制结构(GCS)下游冲刷威胁稳定性的难题，通过实验探究不同间距(Lg/h=1-2)的石笼槛(GS)在五种流量和三种尾水深度(TwD)下的消能效果。结果表明，Lg/h=1.5的GS配置可平均减少49%冲刷深度，结合2倍TwD时冲刷深度降低30%，为河床稳定设计提供了经济高效的解决方案。

　　

河流作为动态的地貌系统，持续经历着侵蚀与沉积的博弈。河床控制结构(Grade Control Structures, GCS)虽能有效稳定河床坡度，但其下游的局部冲刷往往导致结构失稳，甚至引发农业用地流失、水利设施损毁等连锁问题。传统刚性结构在应对高能水流冲击时存在局限性，而多孔性石笼槛(Gabion Sills, GS)因其柔性结构和能量耗散特性，逐渐成为可持续治河工程的新选择。

为探究GS对GCS下游冲刷的调控机制，研究人员在乌尔米亚大学工程学院的水力学实验室开展系统实验。通过18米长变坡水槽，测试了三种相对间距(L_g/h=1,1.5,2)的GS在5种流量(7-13 L/s)和3种尾水深度(TwD)条件下的冲刷响应。研究创新性地将间距配置、尾水效应与经验公式开发相结合，成果发表于《Results in Engineering》。

关键技术方法包括：1) 采用ASTM D6913标准筛选2.36mm均匀沙粒构建实验河床；2) 激光测距仪(±1mm精度)配合网格玻璃板实现960点/次的高分辨率地形测绘；3) 通过无量纲分析建立包含弗劳德数(Fr_s)、相对临界水深(y_c/h)等参数的预测模型；4) 设置自由尾水(y′_t)、1.5y′_t和2y′_t三组TwD对比工况。

时间演化分析揭示GS可将冲刷平衡时间从6小时缩短至2小时(L_g/h=1时)。石笼间距效应表明L_g/h=1.5在最大流量下冲刷深度减少57%，而L_g/h=1对限制冲刷长度最有效(减少65%)。尾水深度影响研究发现2y′_t的TwD可使L_g/h=2模型的冲刷深度降低30%。预测模型方面，建立的方程对冲刷深度预测R²达0.88，长度预测RMSE为0.21。

结论指出GS通过双重机制发挥作用：物理阻隔减缓纵向冲刷发展，多孔结构促进湍流能量耗散。特别值得注意的是，L_g/h=1.5配置在高流量下展现最优性能，而充足TwD条件下L_g/h=2方案更具经济性。研究提出的经验公式为GCS设计提供了量化工具，其创新点在于首次系统量化了GS间距与TwD的协同效应。该成果对山区河流治理、生态护岸工程具有重要指导价值，未来可结合数值模拟进一步优化三维流场调控策略。