山區中小河流沖刷深度計算及分析

林文婧

(廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510635)

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山區中小河流沖刷深度計算及分析

林文婧

(廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510635)

介紹了現有河床沖刷深度的基本理論及計算方法,結合工程實例探討了山區中小河流治理工程沖刷深度的計算及應用,對影響沖刷深度計算及應用的幾個因素進行分析及總結,可供相關工程參考。

山區中小河流；沖刷深度；計算工況；折沖水流

山區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重是廣東省山區中小河流普遍存在的問題。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3 m/s；迎流頂沖段常見沖坑,較深處可達4～5 m,原有護岸建筑物基礎被沖垮的現象時有發生。基于以上情況,沖刷深度是山區中小河流設計需要確定的主要參數,合理進行沖刷深度計算是中小河流治理的重要研究課題。

1 現有理論及計算方法

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來對工程引起的局部沖刷和普遍沖刷均有大量的研究[1]。根據實際情況,山區中小河流治理工程更關注彎道迎流頂沖凹岸的局部沖刷。

2) 現有河床局部沖刷深度計算公式

《堤防工程設計規范》GB 50286—2013(以下簡稱《堤防規范》)和《河道整治設計規范)GB 50707—2011(以下簡稱《河道規范》)中均提及順壩或平順護岸的沖刷深度計算公式。兩者基本可通用又略有不同。其中又以《堤防規范》里的公式實踐應用最為廣泛,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,根據水流流向與岸坡交角 ,查堤防規范D.2.2采用；hs為局部沖刷深度，m；H0為行近水流水深，m；n為與防護岸坡在平面上的形狀有關,取n=1/4～1/6；Uc為泥沙起動流速，m/s。

黏性與砂質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。

相對于《河道規范》,式(1)、(2)將水流平沖與斜沖計算合二為一,用流速分配系數區別,在實踐應用中更加直觀,便于理解和操作。

3) 彎段沖刷范圍研究

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

2 沖刷深度計算實例

2.1 工程實例簡介

該工程位于云浮市郁南縣南江口鎮黃崗河河段。黃崗河是羅定江(南江)的一級支流,發源于南江口鎮的大河尾頂,流經高鄉塝、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8.3km(見圖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、砂巖質,松散～稍密狀,河床局部表層含約20～30cm厚的流塑、軟塑狀的淤質粉質粘土,松散狀的粉土粉砂。

防洪標準按防沖不防淹考慮,要求通過清淤護岸固腳來穩定中水河槽,增加河道的過流能力,達到行洪通暢的目的。

工程措施以清淤疏浚及護岸固腳為主。其中,固腳長度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砼固腳對坡腳進行防護,位于迎流頂沖處的非村莊段則采用格賓石籠固腳進行防護。

圖1 黃崗河治理河段示意

2.2 沖刷深度計算結果及分析

1) 計算工況

一般情況下,當河道洪峰流量較大時,流速大,水深大,但迎沖角小；當洪峰流量接近造床流量時,河床變形強烈,主流擺動較大,水深淺,但可能形成較大的迎沖角[4]。故計算沖刷深度時,應考慮各種對應工況下河道的局部沖刷深度,特別要重視造床流量下的計算工況。

結合實際情況,山區中小河流治理工程沖刷深度的計算工況一般考慮以下幾種情況：①河段相應防洪標準下對應的沖刷深度；②造床流量(按慣例常取接近1.5年一遇洪峰流量)下對應的沖刷深度,如前所述,該種工況下河床變形強烈,主流擺動較大,水深淺,迎沖角較大；但這種大角度迎沖持續的時間不會太長。

本工程防洪標準按防沖不防淹考慮。故沖刷深度的計算工況取接近造床流量的2年一遇設計洪水工況。

2) 計算結果

采用《堤防規范》所列的沖刷深度計算公式進行計算,結果如表1所示。

表1 黃崗河部分河段沖刷深度計算結果

根據計算結果,樁號HG0+130～HG0+418段兩岸水流相對平順,行進水流水深相對較大,沖刷計算深度為0或負值,實際上,河道行洪均不可避免地會對河道產生沖刷作用,《堤防規范》所列的局部沖刷計算公式為經驗公式,是由多個實測資料擬合而成,計算結果為零或負值,說明河道遇該頻率下泄洪水時在順坡處產生的局部沖刷相對較小、可忽略 ,并非洪水對河道沒有沖刷作用；樁號HG0+731～HG0+2+913范圍迎流頂沖彎道局部沖刷計算深度約0.6～0.7m；HG3+993～HG7+690范圍迎流頂沖彎道局部沖刷計算深度約0.4～0.6m。

3) 分析及應用

計算分析可知,d50越大,沖刷深度越小；行進水流水深越大,沖刷深度越小；水流流向與岸坡交角越小,沖刷深度越小；行進流速越小,沖刷深度也越小；n值越小,沖刷深度也越小。相應的定性關系符合理論分析。

結合工程區域調查的多年平均沖刷深度,除HG5+000樁號外,其余計算結果均基本符合實際情況。HG5+000樁號位置,上下游均為連續彎段,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算值為0.41m,現場調查發現,該處現狀河床有2m深的沖坑。

分析該處沖刷深度計算值偏小的原因,存在以下幾個因素：

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樁號河床可見基巖出露,HG5+000樁號下游河床以粉砂土為主,遇較大洪水時,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,橋墩及連續彎道將產生較為頻繁的折沖水流,進一步加劇該處的局部沖刷。

根據計算結果及分析,樁號HG0+130～HG0+418段水流的沖刷作用相對較小,該段為格賓石籠固腳段,格賓石籠固腳的埋深設為0.50m；樁號HG0+731～HG0+2+913范圍迎流頂沖彎道局部沖刷計算深度約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為0.70m；HG3+993～HG7+690范圍迎流頂沖彎道局部沖刷計算深度約0.4～0.6m,該段為C20砼固腳段,故C20砼固腳的埋深設為0.70m。為安全起見,迎流頂沖彎道固腳的防護范圍應包括彎道的上頂沖點至下頂沖點,重要村莊段則要求對彎道全段進行防護。

此外,結合陂頭的水力消能計算結果,樁號HG4+980～HG5+000段回填開挖料填平沖坑,河床設0.50m厚、20m長的C25鋼筋砼護底進行進一步防沖加固。

該工程區域部分河段完工以后,自2016年3月以來,已經受過多場洪水的考驗,埋深的設計值基本滿足工程實際需要。

4) 影響計算結果的因素

結合實際的工程經驗,在沖刷深度的計算及應用中,特別要注意以下幾點：

①計算公式中各參數的選取。a)d50的取值。該值對沖刷深度的影響很大,地質專業應結合外業以及內業工作做出準確判斷；b)行近水流水深H0的計算。其應包括行近水頭,對計算結果有一定影響。

②計算工況的選擇。相對于一般的防洪水利工程,山區中小河流治理工程的防洪標準比較靈活：農田可以防沖不防淹,村莊5～10年一遇,重要城鎮10～20年一遇,還可以分段設防；河道彎道很多,平均坡降相對較大。如前所述,沖刷深度的計算工況宜考慮以下幾種情況：a)河段相應防洪標準下對應的沖刷深度；b)造床流量(按慣例常取接近1.5年一遇洪峰流量)下對應的沖刷深度。

③注意折沖水流的影響。連續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,建議各種條件下對其進行實測與分析,必要的時候可建立相應的物理和數學模型對重要參數進行進一步率定。

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下游河床的局部沖刷作用,要結合水力消能計算進行進一步分析。

⑤注重實測資料。各種沖刷計算公式實際上均為經驗公式,都是由多個實測資料擬合而成,在這樣的情況下,沖刷深度的實測資料是最有效的檢驗工具。發現理論計算和實際情況有差異時,要仔細分析、認真核對。

⑥沖刷深度計算值的應用。護岸固腳的基礎埋深宜不小于局部沖刷計算深度。對于比較重要的護岸固腳建筑物,可適當考慮一定的安全余度,以進一步提高工程的可靠性。迎流頂沖段防沖加固的范圍應包含彎道沖刷范圍。

3 結語

根據山區性中小河流治理工程的特點,迎流頂沖段彎段凹岸的局部沖刷深度是設計工作中要關注的重點。

本文結合理論和實踐,認為基于對河段地質、水文以及河勢合理的分析判斷,《堤防規范》中順壩或平順護岸的沖刷深度計算公式基本能滿足工程實際的需要；在沖刷深度的計算中,應注意計算公式中d50等參數的選取、計算工況的選擇,注意折沖水流及攔河建筑物下泄水流的影響,注重對實測資料的分析、核對；在沖刷深度計算值的應用中,護岸固腳的基礎埋深宜不小于局部沖刷計算深度。對于比較重要的護岸固腳建筑物,可適當考慮一定的安全余度,以進一步提高工程的可靠性。迎流頂沖段防沖加固的范圍應包含彎道沖刷范圍。

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

[2] 堤防工程設計規范: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：清華大學出版社,1998.

[4] 李曉慶,唐新軍. 對《堤防工程設計規范》推薦沖刷深度計算公式的探析[J]. 水資源與水工程學報,2006(2)：51-52.

(本文責任編輯 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,高級工程師,從事水利水電工程設計工作。

TV147

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1008-0112(2016)05-0046-03