缺乏水文資料的河道斷面最大沖刷深度分析

□魏小寒 葉 巍

在沒有或缺乏實(shí)測水文資料情況下，如何分析確定河道斷面的最大沖刷深度，是水利規(guī)劃實(shí)際工作中經(jīng)常遇到的問題。影響河床演變斷面沖刷的因素極其復(fù)雜，與該地區(qū)的地質(zhì)、地貌、氣候、土壤和植被等情況有密切關(guān)系，但主要影響因素流量大小及其變化過程、流域來沙及其組成、河道比降、河床物質(zhì)組成4項(xiàng)，現(xiàn)以在漳河臨漳斷面規(guī)劃設(shè)計的穿漳管道預(yù)埋深度為例，從河道斷面及河槽沖刷理論計算兩個方面，分析穿漳管道斷面的沖刷情況，并確定斷面的最大沖刷深度。

1.河道基本情況

漳河屬海河流域南運(yùn)河水系。上源有兩支：分別為清漳河、濁漳河，皆發(fā)源于山西省東南部太行山腹地。清漳河、濁漳河兩支入河北涉縣境后，在合漳村匯流后稱漳河。漳河干流，自涉縣合漳村起，沿河北、河南兩省邊界，自西而東，經(jīng)涉縣、磁縣，至觀臺村流入岳城水庫，出庫后經(jīng)磁縣講武城南入臨漳縣，經(jīng)魏縣、大名縣至館陶縣徐萬倉村與衛(wèi)河匯流。合漳至徐萬倉河道長189km。

岳城水庫以下至河北省館陶縣徐萬倉，為漳河平原河段，全長為119km，落差 64.7m，平均比降為 1∶2430，其中岳城水庫至京廣鐵路橋河段河底比降為 1∶500～1∶1000，河槽相對穩(wěn)定，寬200～600m，河床質(zhì)為粗砂卵石；鐵路橋以下至蔡小莊水文站河段長61km，平均比降為 1∶2000，主河槽寬達(dá) 400～1350m，槽深僅為 1～2m，河床質(zhì)為砂土，沙灘密布，河身寬淺，主槽擺動不定，具有游蕩性河道的特性。

2.斷面基本情況

穿漳管道大斷面位于岳城水庫下游20.4km的臨漳縣上柳村附近，漳河南大堤以北斷面寬約2.55km。斷面以上5km為京廣鐵路橋。河流斷面受岳城水庫控制，沖淤變化大，水位流量關(guān)系不穩(wěn)定。

為準(zhǔn)確確定穿漳管道線路，我們對規(guī)劃設(shè)計的穿漳管道斷面進(jìn)行了測量。采用中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL58-2014《水文普通測量規(guī)范》中河道大斷面測量的四等水準(zhǔn)測量。

引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)為南水北調(diào)引江中線Ⅳ731水準(zhǔn)點(diǎn)，水準(zhǔn)點(diǎn)的位置位于磁縣講武城鄉(xiāng)南營村以南民有南干渠橋東北角。

3.穿漳管道斷面上下游實(shí)測大斷面分析

因穿漳管道所經(jīng)漳河斷面無實(shí)測資料，我們選取了與其水文特性、河床特征近似條件下斷面上游4km處的漳河大橋斷面及其下游63km處的蔡小莊水文站斷面的實(shí)測資料進(jìn)行分析。

通過蔡小莊水文站近30年的過水流量頻率計算，選取相當(dāng)于五十年一遇的“96·8”洪水，分析穿漳管道斷面的沖刷情況。

采用的實(shí)測資料：漳河大橋1996年7月12日和1998年7月2日實(shí)測大斷面資料；蔡小莊水文站“96·8”洪水前后實(shí)測大斷面資料。分別繪圖比較“96·8”洪水前后的過水?dāng)嗝孀兓闆r。見圖1。

從影響因素分析，漳河大橋斷面束窄了過水?dāng)嗝妫魉倨?，挾沙能力要?qiáng)，對河槽的沖刷大于穿漳管道斷面。而蔡小莊水文站測驗(yàn)斷面從各影響因素比較更接近穿漳管線斷面，沖刷情況應(yīng)近似。但漳河大橋斷面及蔡小莊測驗(yàn)斷面比穿漳管道斷面要規(guī)整，穿漳管道斷面完全符合游蕩性河流特點(diǎn)，多沙洲和串溝，變形強(qiáng)度大、變形速度更快。從反映“96·8”洪水前后漳河大橋、蔡小莊水文站測驗(yàn)斷面變化情況的實(shí)測大斷面成果看最大沖刷深度分別為2.92m和2.73m，見圖2。

圖1 漳河大橋96年、98年斷面變化對照圖

圖2 蔡小莊1996年5月與9月大水前后斷面變化對照圖

4.河槽沖刷計算

河槽的一般沖刷是指水流受壓縮后有效過水?dāng)嗝鏈p少和流速增大而引起的在河槽過水?dāng)嗝嫔习l(fā)生的沖刷。這種沖刷不同程度地分布在整個斷面上。以漳河大橋?yàn)槔治鲇嬎?。我們采用《電力工程水文勘測計算手冊》給出的橋下河槽一般沖刷計算公式：

hp={[A×Qp/u/l×(hmax/h)5/3]/E/d1/6}3/5

式中：

hp—設(shè)計沖刷深度（m）；

Qp—設(shè)計流量，采用漳河“96·8”洪水1500m3/s；

L—橋孔凈寬（m），按“96·8”洪水漳河大橋水面寬540m；

hmax/h—參照蔡小莊水文站“96·8”洪峰時期實(shí)測的最大水深與平均水深的比值作為計算的依據(jù)（7/4.63=1.51）。其中hmax為設(shè)計斷面橋孔的最大水深。H為設(shè)計斷面橋孔的部分的平均水深；

d—河床土壤平均粒徑，采用0.7mm；

u—過水面積折減系數(shù)，查表得0.97；

E—與汛期含沙量有關(guān)的參數(shù)。查E值表，取0.86；

A—單寬流量集中系數(shù)。

單寬流量集中系數(shù)計算式：

式中：

B—為河槽寬度；

H—為平灘水位時的河槽平均水深。

參照蔡小莊“96·8”實(shí)測最大洪峰時B=229m，H=4.63m，計算出A=1.19。

計算最大沖刷深度：

hp={1.19×1500×1.511.667/0.86/0.70.167}0.6=3.57m

綜上分析，由于漳河大橋位于穿漳管線斷面的上游4km處，且穿漳管線斷面無任何水工建筑物，河道寬淺，沖刷能力相對減弱。結(jié)合穿漳管線斷面上下游實(shí)測大斷面及漳河河槽沖刷理論分析，可以認(rèn)為穿漳管道斷面在遭遇五十年一遇洪水的情況下，最大沖刷深度可達(dá)3～3.5m。

5.結(jié)論

按設(shè)計要求，確定一定保證率后，在斷面缺乏水文資料的情況下，分別采用設(shè)計管道斷面上下游的實(shí)測水文資料和河槽沖刷的理論公式計算，通過分析比較，可以比較準(zhǔn)確的求出其斷面的最大沖刷深度，相互比較和印證后所得出的結(jié)論可靠，且方法簡單，可以解決實(shí)際工作中規(guī)劃設(shè)計這方面的難題。