黃土地區沿河路基護坦防護應用初探

摘 要：文章對黃土地區，季節性游蕩河流，彎道沖刷，護坦防護，護坦埋深這幾個方面進行了分析和探討，希望通過文章的分析，能夠為相關人士提供一定的參考和借鑒。

關鍵詞；沖刷；螺旋流；護坦；埋深

1 概述

黃土地區主要分布于我國西北部干旱、半干旱地區，年平均降雨量較少，蒸發量較大，地表植被也較少，年降雨量分布不均。枯水季節流量小，河床穩定，每年6～9月份為暴雨頻發期，形成大量的隨季節變化的，具有游蕩性、變遷性的中小流域。更由于黃土具有濕陷性、浸水崩解性以及形成的泥沙顆粒細小，洪水一旦發生，寬淺的河床游蕩不定，凹凸岸頻繁交換，股流、汊流眾多，主流擺動很大，主流沖溝很深，導致沿河路基床面下切，坡腳淘刷嚴重，經常造成路基防護水毀破壞，影響正常的交通秩序并造成大量的經濟損失。因此，選擇合理的防護形式，是應對季節性河流水毀破壞，保證沿河路基安全穩定的有效辦法。

2 河流的沖刷特點

公路路基水毀容易發生的段落，一般位于河流彎道的凹岸段，由于受彎道挑流的頂沖和彎道螺旋流及彎道斷面環流的共同作用，河流凹岸段的沖刷破壞比凸岸段和直河段要嚴重的多，河灣洪水直接決定公路安危。所以，分析彎道水流作用和泥沙沖淤變化，是公路沿河路基防護設計的主要依據。

2.1 彎道螺旋流主要規律

水流由直河段進入彎道，因慣性而流向凹岸。受凹岸制約，水流沿凹岸曲線流動。在過水斷面上的兩個橫向力和重力沿流動方向的分力共同作用下，形成彎道螺旋流，面流流向凹岸，而底流流向凸岸。螺旋流在過水斷面上的投影，即三維螺旋流在過水斷面上的流速分量，稱為斷面環流。一般斷面上徑向（橫向）流速分量較縱向流速分量，在數值上要小的多，一般為斷面平均流速的5%～10%。水流進入彎道后，在離心力作用下，出現橫向流速分量，逐漸引起流速流向的重新分布，大約到彎頂斷面（θ），主流逼向凹岸，在θ到θ斷面之間，逐漸形成較完整，較明顯的斷面環流。而且在彎道出口（θ）斷面下游接近一個彎道寬度B的范圍內，環流還在發展。然后在河床阻力作用下，經過相當長的距離（8B～10B范圍），逐漸衰減而消失。彎道水流都存在橫向流速分量流速ur，ur大小與流態緩急（弗汝德數大小，Fr=）和相對曲率（）有關，Fr和愈大，ur也愈大；反之亦然。但是Fr愈大，流態愈急，前進的慣性愈大，流線愈不易彎曲，完整的斷面環流的形成就愈出現在下游。反之，Fr愈小，流態愈緩，前進的慣性力小，流線愈易彎曲，完整的斷面環流愈易出現在上游。常說：“洪水走灘，枯水坐彎”，“洪水凹岸頂沖點下挫，枯水頂沖點上提”就是這種規律的具體表現。

2.2 彎道水流沖刷深度的計算

河床的演變，主要受三個方面的因素影響：（1）流域的產沙條件。（2）流量的大小和變化。河流的水力條件是隨流量而變化的，流量越大，水流挾沙能力就越強，流量變化越大，泥沙運動和河床變形就越激烈。一年四季隨著流量的變化，河床形態也隨之發生季節性的變化。（3）河床的土質和比降。河床土質決定河床抵抗沖刷的能力。土質堅實的河床較為穩定，變形緩慢，而土質松軟的河床容易沖刷，變形急劇。河床比降大，水流急，易沖刷；而比降小，則水流緩，易淤積。黃土地區流域內有大量的細粒泥沙被水流沖入河道，河水的含沙量一般都很大，年內徑流差別巨大，河床土質松軟，而且黃土高原地區河床比降一般都較大，遂使河床形態發生非常顯著的季節性變化。河床的演變，實質是河流沖刷的累積，河流的沖刷強度，直接影響防護工程的安全穩定性，黃土地區河灣彎道由于天然的地質地貌，沖刷更為嚴重。彎道螺旋流的形成，引起沿程各斷面流速和流量的急劇變化。由于水具有粘滯力和紊流水團混摻的動量交換，水流內部不同深度之間、水流和床面之間存在切應力τ。切應力τ推動床面泥沙運動。床面上輸沙不平衡，產生沖淤變形。

彎道凹岸最大沖刷處水深，可根據下式進行計算：

hmax=1.48（）0.24（）0.17（）0.05hCm

3 護坦的防護效果

洪水治理和沖刷防護工程的原則必須是因勢利導，我們通常所說的：“順其性、挫其鋒、分其勢、調其向、穩其流。”首先，要順應洪水流勢，保證泄流順暢；然后，利用防護工程逐漸消耗洪水動能，改變沖刷水流方向，最后使洪水平穩地流向下游。護坦是近年來公路建設開始普及推廣的非常有效的防護形式。護坦防護機理，可以簡單描述為：彎道凹岸螺旋流沿護坦壁面向前下方發展，形成斷面環流（螺旋流的橫向分力）在彎頂（θ）附近到達床面開始沖刷坡腳，帶走坡腳泥沙，形成沖溝露出護坦頂面。這時水深增大，流速減小，水流動能在這一過程中消耗了一部分；沿護坦頂水平向下的水流流向指向下游河心，在護坦垂裙形成次生漩渦，并掏刷垂裙處泥沙。由于此時的水流已經被護坦頂挫其鋒（河床泥沙和護坦頂面已消耗大部分能量）、調其向（斷面環流流向已平穩指向下游河心），次生平軸漩渦體系較螺旋流直接作用于河面要小的多，沖刷也大大減弱，成功達到分其勢的目的，水流平穩流向下游。

4 護坦的埋置深度

依據護坦的防護機理，護坦頂面的埋置深度，對防護設置成功與否，起著至關重要的作用。護坦頂面若與河床床面齊平，雖然可起到將螺旋流改變成水平流動的作用，但失去了頂面以上沖刷消能的作用，護坦的沖刷hSH將加大；同時，護坦上游和下游端會被洪水沖出局部沖刷坑，易被沖毀。相反，如果護坦頂面埋置過深，彎道螺旋流無法改變為水平流，洪水的消能只能靠河床泥沙，對下游彎道出口端繼續進行嚴重的沖刷，這無疑加大了防護長度和防護高度，護坦作用也發揮不出來，造成浪費。由于天然床面的螺旋流的比能是一定的，護坦頂面埋置淺，水流沖刷帶走頂面泥沙耗能就少，剩余動能沿護坦垂裙沖刷就深，反之亦然。

近年來，依據我省護坦在多條高速公路及地方道路的建設經驗，以及護坦有效防護的沖刷機理，認為在洪水流速<5m/s時，護坦頂距離最大沖刷線下1m左右是護坦的作用能有效發揮，當洪水流速≥5m/s時，為減小hSH值，建議增大護坦頂寬，并將埋深控制在1.5～2倍的hSH。

參考文獻

[1]張從明，李國峰.公路邊坡治理措施及安全評價方法[M].人民交通出版社.

[2]高東光.公路水毀與橋梁水毀防治[M].人民交通出版社.

[3]馬惠民，王恭先，周德培.山區高速公路高邊坡病害防治實例[M].人民交通出版社.

[4]交通部第勘察設計院.公路路基設計手冊[M].人民交通出版社.