山區(qū)中小河流沖刷深度計(jì)算及分析

林文婧

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510635)

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山區(qū)中小河流沖刷深度計(jì)算及分析

林文婧

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510635)

介紹了現(xiàn)有河床沖刷深度的基本理論及計(jì)算方法,結(jié)合工程實(shí)例探討了山區(qū)中小河流治理工程沖刷深度的計(jì)算及應(yīng)用,對(duì)影響沖刷深度計(jì)算及應(yīng)用的幾個(gè)因素進(jìn)行分析及總結(jié),可供相關(guān)工程參考。

山區(qū)中小河流；沖刷深度；計(jì)算工況；折沖水流

山區(qū)中小河流大多坡降較陡,流速較大；部分河段尤其是迎流頂沖段坡腳沖刷較為嚴(yán)重是廣東省山區(qū)中小河流普遍存在的問(wèn)題。以2015年度云浮市郁南縣中小河流治理工程為例,列入治理清單的9條河有3條河的平均坡降大于1.5%；部分河段遇2年一遇洪水平均流速超過(guò)3 m/s；迎流頂沖段常見(jiàn)沖坑,較深處可達(dá)4～5 m,原有護(hù)岸建筑物基礎(chǔ)被沖垮的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生?；谝陨锨闆r,沖刷深度是山區(qū)中小河流設(shè)計(jì)需要確定的主要參數(shù),合理進(jìn)行沖刷深度計(jì)算是中小河流治理的重要研究課題。

1 現(xiàn)有理論及計(jì)算方法

1) 河床沖刷深度類型

河床沖刷深度包括工程引起的局部沖刷和河流自然沖刷兩種類型,近10 a來(lái)對(duì)工程引起的局部沖刷和普遍沖刷均有大量的研究[1]。根據(jù)實(shí)際情況,山區(qū)中小河流治理工程更關(guān)注彎道迎流頂沖凹岸的局部沖刷。

2) 現(xiàn)有河床局部沖刷深度計(jì)算公式

《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50286—2013(以下簡(jiǎn)稱《堤防規(guī)范》)和《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范)GB 50707—2011(以下簡(jiǎn)稱《河道規(guī)范》)中均提及順壩或平順護(hù)岸的沖刷深度計(jì)算公式。兩者基本可通用又略有不同。其中又以《堤防規(guī)范》里的公式實(shí)踐應(yīng)用最為廣泛,具體如下[2]：

(1)

(2)

式中 Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；U為行近流速，m/s；η為水流流速不均勻系數(shù),根據(jù)水流流向與岸坡交角 ,查堤防規(guī)范D.2.2采用；hs為局部沖刷深度，m；H0為行近水流水深，m；n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān),取n=1/4～1/6；Uc為泥沙起動(dòng)流速，m/s。

黏性與砂質(zhì)河床上可采用張瑞瑾公式：

(3)

式中 d50為床沙的中值粒徑,m；γs、γ為泥沙與水的容重,kN/m3。

相對(duì)于《河道規(guī)范》,式(1)、(2)將水流平?jīng)_與斜沖計(jì)算合二為一,用流速分配系數(shù)區(qū)別,在實(shí)踐應(yīng)用中更加直觀,便于理解和操作。

3) 彎段沖刷范圍研究

有觀測(cè)資料表明,彎段水流沖刷范圍只占整個(gè)彎道的60%,若河彎長(zhǎng)度為L(zhǎng),則沖刷范圍為0.6L,其中河彎頂點(diǎn)上游為0.24L,頂點(diǎn)下游為0.36L。主流最初靠近凹岸的部位稱為“頂沖點(diǎn)”,最枯水時(shí)的頂沖點(diǎn)稱為水流的上頂沖點(diǎn),該點(diǎn)是沖刷范圍的起點(diǎn)；最大洪水時(shí)的頂沖點(diǎn)稱為水流的下頂沖點(diǎn),該點(diǎn)是沖刷范圍的終點(diǎn)[3]。

2 沖刷深度計(jì)算實(shí)例

2.1 工程實(shí)例簡(jiǎn)介

該工程位于云浮市郁南縣南江口鎮(zhèn)黃崗河河段。黃崗河是羅定江(南江)的一級(jí)支流,發(fā)源于南江口鎮(zhèn)的大河尾頂,流經(jīng)高鄉(xiāng)塝、塘邊、坡頭在古蓬圩匯入羅定江(南江),集雨面積僅34.6km2,河道平均坡降接近1.6%。

治理河段總長(zhǎng)8.3km(見(jiàn)圖1),河床主要為砂卵礫石層,平均厚度大于1.0m,礫石含量約20%,卵石含量約30%,直徑約3～15cm,磨圓度較好,石英質(zhì)、砂巖質(zhì),松散～稍密狀,河床局部表層含約20～30cm厚的流塑、軟塑狀的淤質(zhì)粉質(zhì)粘土,松散狀的粉土粉砂。

防洪標(biāo)準(zhǔn)按防沖不防淹考慮,要求通過(guò)清淤護(hù)岸固腳來(lái)穩(wěn)定中水河槽,增加河道的過(guò)流能力,達(dá)到行洪通暢的目的。

工程措施以清淤疏浚及護(hù)岸固腳為主。其中,固腳長(zhǎng)度5.1km,固腳范圍包括村莊段及迎流頂沖段,固腳形式為C20砼及格賓石籠。其中,村莊段采用C20砼固腳對(duì)坡腳進(jìn)行防護(hù),位于迎流頂沖處的非村莊段則采用格賓石籠固腳進(jìn)行防護(hù)。

圖1 黃崗河治理河段示意

2.2 沖刷深度計(jì)算結(jié)果及分析

1) 計(jì)算工況

一般情況下,當(dāng)河道洪峰流量較大時(shí),流速大,水深大,但迎沖角小；當(dāng)洪峰流量接近造床流量時(shí),河床變形強(qiáng)烈,主流擺動(dòng)較大,水深淺,但可能形成較大的迎沖角[4]。故計(jì)算沖刷深度時(shí),應(yīng)考慮各種對(duì)應(yīng)工況下河道的局部沖刷深度,特別要重視造床流量下的計(jì)算工況。

結(jié)合實(shí)際情況,山區(qū)中小河流治理工程沖刷深度的計(jì)算工況一般考慮以下幾種情況：①河段相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)應(yīng)的沖刷深度；②造床流量(按慣例常取接近1.5年一遇洪峰流量)下對(duì)應(yīng)的沖刷深度,如前所述,該種工況下河床變形強(qiáng)烈,主流擺動(dòng)較大,水深淺,迎沖角較大；但這種大角度迎沖持續(xù)的時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng)。

本工程防洪標(biāo)準(zhǔn)按防沖不防淹考慮。故沖刷深度的計(jì)算工況取接近造床流量的2年一遇設(shè)計(jì)洪水工況。

2) 計(jì)算結(jié)果

采用《堤防規(guī)范》所列的沖刷深度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表1所示。

表1 黃崗河部分河段沖刷深度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,樁號(hào)HG0+130～HG0+418段兩岸水流相對(duì)平順,行進(jìn)水流水深相對(duì)較大,沖刷計(jì)算深度為0或負(fù)值,實(shí)際上,河道行洪均不可避免地會(huì)對(duì)河道產(chǎn)生沖刷作用,《堤防規(guī)范》所列的局部沖刷計(jì)算公式為經(jīng)驗(yàn)公式,是由多個(gè)實(shí)測(cè)資料擬合而成,計(jì)算結(jié)果為零或負(fù)值,說(shuō)明河道遇該頻率下泄洪水時(shí)在順坡處產(chǎn)生的局部沖刷相對(duì)較小、可忽略 ,并非洪水對(duì)河道沒(méi)有沖刷作用；樁號(hào)HG0+731～HG0+2+913范圍迎流頂沖彎道局部沖刷計(jì)算深度約0.6～0.7m；HG3+993～HG7+690范圍迎流頂沖彎道局部沖刷計(jì)算深度約0.4～0.6m。

3) 分析及應(yīng)用

計(jì)算分析可知,d50越大,沖刷深度越??；行進(jìn)水流水深越大,沖刷深度越??；水流流向與岸坡交角越小,沖刷深度越?。恍羞M(jìn)流速越小,沖刷深度也越??；n值越小,沖刷深度也越小。相應(yīng)的定性關(guān)系符合理論分析。

結(jié)合工程區(qū)域調(diào)查的多年平均沖刷深度,除HG5+000樁號(hào)外,其余計(jì)算結(jié)果均基本符合實(shí)際情況。HG5+000樁號(hào)位置,上下游均為連續(xù)彎段,上游有陂頭1座及鋼筋砼橋梁1座,該處的局部沖刷深度計(jì)算值為0.41m,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),該處現(xiàn)狀河床有2m深的沖坑。

分析該處沖刷深度計(jì)算值偏小的原因,存在以下幾個(gè)因素：

①未考慮上游陂頭跌水的沖刷影響。該處上游5m處有橋梁1座,橋梁上游5m處有小型陂頭1座；陂頭至HG5+000樁號(hào)河床可見(jiàn)基巖出露,HG5+000樁號(hào)下游河床以粉砂土為主,遇較大洪水時(shí),陂頭下泄水流的沖刷作用可能影響到HG5+000下游河段。

②未重視折沖水流的沖刷影響。該段河道蜿延曲折,上游為橋梁,橋墩及連續(xù)彎道將產(chǎn)生較為頻繁的折沖水流,進(jìn)一步加劇該處的局部沖刷。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果及分析,樁號(hào)HG0+130～HG0+418段水流的沖刷作用相對(duì)較小,該段為格賓石籠固腳段,格賓石籠固腳的埋深設(shè)為0.50m；樁號(hào)HG0+731～HG0+2+913范圍迎流頂沖彎道局部沖刷計(jì)算深度約0.6～0.7m,該段為格賓石籠固腳段,故格賓石籠固腳的埋深設(shè)為0.70m；HG3+993～HG7+690范圍迎流頂沖彎道局部沖刷計(jì)算深度約0.4～0.6m,該段為C20砼固腳段,故C20砼固腳的埋深設(shè)為0.70m。為安全起見(jiàn),迎流頂沖彎道固腳的防護(hù)范圍應(yīng)包括彎道的上頂沖點(diǎn)至下頂沖點(diǎn),重要村莊段則要求對(duì)彎道全段進(jìn)行防護(hù)。

此外,結(jié)合陂頭的水力消能計(jì)算結(jié)果,樁號(hào)HG4+980～HG5+000段回填開(kāi)挖料填平?jīng)_坑,河床設(shè)0.50m厚、20m長(zhǎng)的C25鋼筋砼護(hù)底進(jìn)行進(jìn)一步防沖加固。

該工程區(qū)域部分河段完工以后,自2016年3月以來(lái),已經(jīng)受過(guò)多場(chǎng)洪水的考驗(yàn),埋深的設(shè)計(jì)值基本滿足工程實(shí)際需要。

4) 影響計(jì)算結(jié)果的因素

結(jié)合實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn),在沖刷深度的計(jì)算及應(yīng)用中,特別要注意以下幾點(diǎn)：

①計(jì)算公式中各參數(shù)的選取。a)d50的取值。該值對(duì)沖刷深度的影響很大,地質(zhì)專業(yè)應(yīng)結(jié)合外業(yè)以及內(nèi)業(yè)工作做出準(zhǔn)確判斷；b)行近水流水深H0的計(jì)算。其應(yīng)包括行近水頭,對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定影響。

②計(jì)算工況的選擇。相對(duì)于一般的防洪水利工程,山區(qū)中小河流治理工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)比較靈活：農(nóng)田可以防沖不防淹,村莊5～10年一遇,重要城鎮(zhèn)10～20年一遇,還可以分段設(shè)防；河道彎道很多,平均坡降相對(duì)較大。如前所述,沖刷深度的計(jì)算工況宜考慮以下幾種情況：a)河段相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)應(yīng)的沖刷深度；b)造床流量(按慣例常取接近1.5年一遇洪峰流量)下對(duì)應(yīng)的沖刷深度。

③注意折沖水流的影響。連續(xù)彎道以及有河道建筑物的河段,要特別注意折沖水流的沖刷作用。比較重要的河段,建議各種條件下對(duì)其進(jìn)行實(shí)測(cè)與分析,必要的時(shí)候可建立相應(yīng)的物理和數(shù)學(xué)模型對(duì)重要參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步率定。

④注意陂頭及水閘等攔河建筑物的影響。如果原有攔河建筑物的消能防沖措施未到位,其下泄水流可能加劇對(duì)下游河床的局部沖刷作用,要結(jié)合水力消能計(jì)算進(jìn)行進(jìn)一步分析。

⑤注重實(shí)測(cè)資料。各種沖刷計(jì)算公式實(shí)際上均為經(jīng)驗(yàn)公式,都是由多個(gè)實(shí)測(cè)資料擬合而成,在這樣的情況下,沖刷深度的實(shí)測(cè)資料是最有效的檢驗(yàn)工具。發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算和實(shí)際情況有差異時(shí),要仔細(xì)分析、認(rèn)真核對(duì)。

⑥沖刷深度計(jì)算值的應(yīng)用。護(hù)岸固腳的基礎(chǔ)埋深宜不小于局部沖刷計(jì)算深度。對(duì)于比較重要的護(hù)岸固腳建筑物,可適當(dāng)考慮一定的安全余度,以進(jìn)一步提高工程的可靠性。迎流頂沖段防沖加固的范圍應(yīng)包含彎道沖刷范圍。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)山區(qū)性中小河流治理工程的特點(diǎn),迎流頂沖段彎段凹岸的局部沖刷深度是設(shè)計(jì)工作中要關(guān)注的重點(diǎn)。

本文結(jié)合理論和實(shí)踐,認(rèn)為基于對(duì)河段地質(zhì)、水文以及河勢(shì)合理的分析判斷,《堤防規(guī)范》中順壩或平順護(hù)岸的沖刷深度計(jì)算公式基本能滿足工程實(shí)際的需要；在沖刷深度的計(jì)算中,應(yīng)注意計(jì)算公式中d50等參數(shù)的選取、計(jì)算工況的選擇,注意折沖水流及攔河建筑物下泄水流的影響,注重對(duì)實(shí)測(cè)資料的分析、核對(duì)；在沖刷深度計(jì)算值的應(yīng)用中,護(hù)岸固腳的基礎(chǔ)埋深宜不小于局部沖刷計(jì)算深度。對(duì)于比較重要的護(hù)岸固腳建筑物,可適當(dāng)考慮一定的安全余度,以進(jìn)一步提高工程的可靠性。迎流頂沖段防沖加固的范圍應(yīng)包含彎道沖刷范圍。

[1] 伍冬領(lǐng),邢艷,謝曉波,等. 錢(qián)江四橋橋墩局部沖刷試驗(yàn)研究[J]. 橋梁建設(shè),2005(2)：19-22.

[2] 堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范:GB50286—2013 [S]．

[3] 李廣賀,劉兆昌,張旭. 水資源利用工程與管理[M]. 北京：清華大學(xué)出版社,1998.

[4] 李曉慶,唐新軍. 對(duì)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦沖刷深度計(jì)算公式的探析[J]. 水資源與水工程學(xué)報(bào),2006(2)：51-52.

(本文責(zé)任編輯 王瑞蘭)

Scour Depth Calculation and Analysis of Small and Medium Rivers in Mountainous Area

LIN Wenjing

(Guangdong Hydropower Planning & Design Institute, Guangzhou 510635, China)

The basic theory and existing calculation method of the river bed scour depth are introduced, and the calculation and application of the scour depth of the medium and small rivers in mountainous area are discussed. Several factors which influence the calculation and application of the scour depth are analyzed and summarized, which can be referenced by relevant engineering.

small and medium rivers in mountainous area； scouring depth； calculation condition；negotiation flow

2016-05-10;

2016-06-17

林文婧(1985),女,碩士,高級(jí)工程師,從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。

TV147

B

1008-0112(2016)05-0046-03