山丘區(qū)橋下河床一般沖刷危害及防治分析探討

王靖輝

(天津大學(xué)土木工程系)

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山丘區(qū)橋下河床一般沖刷危害及防治分析探討

王靖輝

(天津大學(xué)土木工程系)

分析了一般沖刷起始水流、水流搬運(yùn)能力、設(shè)計(jì)流量、水流泥沙粒徑、河床結(jié)構(gòu)構(gòu)造等因素，對(duì)山丘區(qū)橋下河床一般沖刷的影響，對(duì)一般沖刷產(chǎn)生的危害及防治進(jìn)行了探討。詳細(xì)闡述了起始水流對(duì)河床的破壞機(jī)理和非均質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造河床對(duì)一般沖刷的影響。指出河床結(jié)構(gòu)構(gòu)造的非均質(zhì)性是導(dǎo)致一般沖刷深度計(jì)算與模擬出現(xiàn)較大誤差或波動(dòng)的重要原因。

橋下河床；一般沖刷；危害及防治；結(jié)構(gòu)構(gòu)造

1 一般沖刷起始水流危害分析

當(dāng)橋下未發(fā)生沖刷時(shí)，流量流速存在如下關(guān)系

Qp=ωyVp

(1)

當(dāng)橋下河槽沖刷停止時(shí)。流量流速存在如下關(guān)系：存在如下關(guān)系

Qp=PωyVs

(2)

由(1)/(2)可得：

Vp=pVs

(3)

其中：Vp為沖刷前橋下河槽流速，即起始沖刷水流速度(m/s)；Vs為設(shè)計(jì)流速(m/s)；P為沖刷系數(shù)。

2 河流搬運(yùn)能力提高危害分析

根據(jù)愛里定律：被搬運(yùn)碎屑顆粒的粒徑與流速的平方成正比，而顆粒重量與其半徑的立方成正比，所以被搬運(yùn)顆粒的重量與流速的六次方成正比。橋梁建設(shè)壓縮河道引發(fā)橋下流速增加，若流速增加1～1.4倍，其它自然條件不變，則河流可搬運(yùn)的顆粒重量將增至1～7.5倍，可搬運(yùn)的顆粒直徑將增至1～2倍。溝道水流挾沙力Xn∝V3。較大的顆粒運(yùn)動(dòng)則與水流能量有關(guān)。上游來沙(或推移質(zhì)運(yùn)動(dòng))會(huì)破壞河床結(jié)構(gòu)，使其強(qiáng)度降低。因連續(xù)來沙，必須改變河道的河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，才能增加推移質(zhì)的輸沙率。山丘區(qū)河流，在汛期往往伴有不同程度的塌方或滑坡，河流泥沙、推移質(zhì)含量較多，加大了橋下河床的沖刷強(qiáng)度。一般沖刷初始流速較大，一旦破壞河床結(jié)構(gòu)，水流的沙礫量便快速增加，進(jìn)而提高水流對(duì)河床的沖刷強(qiáng)度。如果同時(shí)疊加其它不利因素，就可能危機(jī)橋梁安全。

3 設(shè)計(jì)流量對(duì)一般沖刷深度的影響

按我國目前《橋涵水文》和《公路橋位勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)程》推薦，對(duì)于非粘性土河槽一般沖刷計(jì)算可采用公式64-1、公式64-2或包爾達(dá)可夫公式。不同公式有對(duì)應(yīng)的使用范圍。采用公式64-2計(jì)算一般沖刷結(jié)果較合理，為此采用該公式說明設(shè)計(jì)流量對(duì)一般沖刷深度的影響。

對(duì)于山丘區(qū)河床，可設(shè)造床流量下的河槽寬度、河槽平均水深不變，則Ad不變。為量化設(shè)計(jì)流量對(duì)一般沖刷深度的影響，可假設(shè)橋梁和墩臺(tái)形態(tài)不變，則造床流量下的河槽寬度、橋長范圍內(nèi)的河槽寬度、系數(shù)λ、μ均可認(rèn)為不變。河床形態(tài)、橋梁及墩臺(tái)確定后，Qc:Qtl隨著Qp變化較小，也可設(shè)為固定比例。公式64-2可簡化為(4)。

hp=K(Qp)0.9hcm

(4)

當(dāng)Qp1=nQp時(shí)

hp1=n0.9K(Qp)0.9hcm

(5)

由(5)/(4)得

hp1=n0.9hp

(6)

通過對(duì)(6)式進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換，可到式(7)，相關(guān)系數(shù)R2=0.989 4。

hp1=0.94n·hp

(7)

其中：hp為橋下一般沖刷后的最大水深，m;Qp為:頻率為P%的設(shè)計(jì)流量，m3/s；Hcm為河槽最大水深，m。

土壤生態(tài)環(huán)境也具一定抗風(fēng)險(xiǎn)能力。其土壤微生物可促進(jìn)Bt蛋白的降解。從轉(zhuǎn)Cry1Ac基因水稻種植田土壤中得到降解Cry1Ac蛋白的細(xì)菌FJSB3，為寡養(yǎng)單胞菌(Stenotrophomonas sp.)，4 d內(nèi)水稻秸稈中Cry1Ac蛋白降解率達(dá)到92. 86%[5-6]。新疆阿克蘇鹽堿地土壤細(xì)菌資源豐富，已分離培養(yǎng)鹽堿地土壤中的細(xì)菌103株[7]，但目前新疆棉田Cry1Ac蛋白的降解研究鮮有報(bào)導(dǎo)。因此對(duì)Cry1Ac毒蛋白的降解細(xì)菌進(jìn)行篩選和鑒定將可對(duì)長期種植轉(zhuǎn)Bt棉田土壤的生態(tài)治理提供參考。

在此情形下，hp1和n呈線性關(guān)系，當(dāng)實(shí)際過流量為設(shè)計(jì)流量n倍時(shí)，一般沖刷就會(huì)增加到0.94n倍。在季節(jié)性河流或沖洪溝上建設(shè)橋梁，由于缺乏氣象、水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，Qp往往出現(xiàn)較大偏差，多數(shù)山丘區(qū)橋梁被沖毀多是由于Qp偏小造成。如果實(shí)際過橋洪流量大于設(shè)計(jì)洪流量1倍以上，不但一般沖刷會(huì)增加，局部沖刷也會(huì)相應(yīng)增加，至少增加與一般沖刷同等數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致橋下沖刷至少增加1倍。當(dāng)橋下沖刷加深超出設(shè)計(jì)安全深度，墩臺(tái)會(huì)失穩(wěn)或被沖毀。這是山丘橋梁被沖毀的主要因素。

對(duì)于此種危害，可利用3S等現(xiàn)代新技術(shù)，提高設(shè)計(jì)洪水流量的精度。

4 水流泥沙粒徑對(duì)一般沖刷深度的影響

(8)

(9)

由(8)/(9)得

(10)

對(duì)式(10)進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換，得到式(11)，相關(guān)系數(shù)R2=0.995 3。

hp1=(0.0731n+0.93)hp

(11)

在此情形下，hp1與n呈線性關(guān)系，當(dāng)粒徑增大4倍時(shí)，hp1增加1.22倍。當(dāng)橋前附近堤岸垮塌、或上游發(fā)生滑坡，引起洪流砂礫含量增加、平均粒徑增大時(shí)，橋下沖刷也會(huì)增加。此現(xiàn)象汛期常有，有時(shí)會(huì)損壞橋梁。由于堤岸垮塌、上游滑坡為隨機(jī)事件，很難對(duì)具體發(fā)生部位預(yù)測(cè)并防護(hù)，全流域防護(hù)又不現(xiàn)實(shí)，最佳防治策略為加大沖刷深度。建議將一般現(xiàn)有計(jì)算模擬的沖刷深度提高10%～20%。

5 河床結(jié)構(gòu)構(gòu)造對(duì)一般沖刷影響分析

利用河道防護(hù)拋石堆頂上石塊穩(wěn)定計(jì)算公式分析流速與河床沖刷破壞關(guān)系。當(dāng)水流沖擊力與石塊所受摩擦力平衡時(shí)，石塊保持穩(wěn)定，此時(shí)流速與石塊粒徑存在如下關(guān)系

(12)

當(dāng)水流速度變化1.0～1.4倍，可沖起卵石粒徑D變化1～2倍。河床特定地段覆蓋物粒徑和結(jié)構(gòu)是河流汛期與非汛期水流長期、交替作用形成的，粒徑與水流速度相匹配，結(jié)構(gòu)構(gòu)造與河流演化歷史相匹配?？绾咏ㄔO(shè)橋梁，壓縮河道，導(dǎo)致通過橋下水流速度增大，原先穩(wěn)定的平衡關(guān)系被打破。雖然流速增大不大，但由于其破壞原河道的固有平衡，因此可能對(duì)墩臺(tái)穩(wěn)定帶來危害。

橋下河床一般沖刷起始流速常常大于橋址處河床抗沖刷能力。當(dāng)河床為均質(zhì)構(gòu)造時(shí)，則會(huì)按正常沖刷過程演進(jìn)并在設(shè)計(jì)沖刷深度停止。當(dāng)河床為上大下小構(gòu)造時(shí)，如果起始水流沖刷小于表層抗沖能力，則河床不會(huì)被沖刷。如果相反則河床沖刷深度會(huì)不斷加大，直到流速減小到不足以繼續(xù)攜帶河床下部細(xì)粒物質(zhì)為止。當(dāng)河床為上小下大構(gòu)造時(shí)，如果起始水流沖刷小于其下某層抗沖能力，當(dāng)沖刷到達(dá)該層時(shí)，沖刷將停止，否則繼續(xù)沖刷，隨著流速減小，沖刷減緩，到達(dá)水沙平衡時(shí)停止。當(dāng)河床為大小粒徑交替構(gòu)造時(shí)，沖刷會(huì)出現(xiàn)跳動(dòng)式發(fā)展，對(duì)于較大顆粒層，隨水速增加，沖刷深度基本不變，當(dāng)達(dá)到一定速度，作用層被破壞，沖刷深度快速增加，后又進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。非均質(zhì)構(gòu)造河床沖刷演進(jìn)機(jī)理與現(xiàn)行理論假設(shè)存在較大差別是導(dǎo)致一般沖刷深度計(jì)算與模擬出現(xiàn)較大偏差的重要原因，也是導(dǎo)致橋墩基礎(chǔ)失穩(wěn)并危害橋梁安全的重要因素。

對(duì)于一般沖刷深度計(jì)算，需核算不同構(gòu)造層的抗沖刷能力、不同水流沖刷力，結(jié)合河床結(jié)構(gòu)構(gòu)造核算沖刷停止條件和沖刷深度。最好建立水工模型或復(fù)雜數(shù)字模型，模擬非均質(zhì)結(jié)構(gòu)造河床沖刷過程，提高計(jì)算精度。

6 結(jié) 論

(1)一般沖刷起始水流速度最大，可破壞橋下河床覆蓋物上部結(jié)構(gòu)，并誘發(fā)河床進(jìn)一步?jīng)_刷。

(2)河床結(jié)構(gòu)構(gòu)造對(duì)一般沖刷有重要影響。非均質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造河床，沖刷演進(jìn)機(jī)理與目前理論假設(shè)偏差較大。非均質(zhì)性是導(dǎo)致一般沖刷深度計(jì)算與模擬出現(xiàn)較大誤差或波動(dòng)的重要原因。

(3)對(duì)于非均質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造河床,采用水工模型模擬或三維數(shù)字技術(shù)有可能得出較為客觀的沖刷深度結(jié)果。

(4)對(duì)橋下以及近橋前、后堤岸進(jìn)行防護(hù)，可以有效避免初始較高水流對(duì)河床及堤岸破壞，提高橋梁工程在汛期的安全性。

[1] 吳雪茹.橋墩一般沖刷計(jì)算研究[J].水運(yùn)工程，2007，(5)：27-30.

[2] 吳雪茹，陳光強(qiáng)，莫崇勛，等.橋墩局部沖刷計(jì)算探討[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，(4)：370-373.

[3] 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG C30-2002)[S].

[4] 王玲玲，劉蘭玉，姚文藝.水流挾沙力計(jì)算公式比較分析[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2008，(4)：33-35.

[5] 余國安，王兆印、楊吉山，等.來沙條件對(duì)山區(qū)河流推移質(zhì)輸沙的影響[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，49(3):342-346.

2015-04-11

U416.1

C

1008-3383(2015)09-0017-02