西山溪截洪渠治理工程護(hù)岸沖刷深度分析

潘永華

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

近年，為保障中小河流防洪排澇安全的前提下，深入貫徹落實(shí)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，鼓勵(lì)河道治理與美麗鄉(xiāng)村、新農(nóng)村建設(shè)、鄉(xiāng)村旅游及產(chǎn)業(yè)發(fā)展有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮中小河流治理綜合效益，廣東省大力推進(jìn)省內(nèi)中小河流治理，潮州市潮安區(qū)西山溪截洪渠治理工程列入全省中小河流治理(二期)2018年治理任務(wù)項(xiàng)目，并已由廣東省水利廳批準(zhǔn)實(shí)施。根據(jù)治理任務(wù)項(xiàng)目清單，潮州市潮安區(qū)西山溪截洪渠治理工程主要建設(shè)任務(wù)為河道清淤疏浚。本工程為清淤項(xiàng)目，因此清淤河底高程的確定極為重要，一方面需要河道整治后達(dá)到疏浚河道的效果，另一方面清淤后必須保證現(xiàn)狀護(hù)岸穩(wěn)定安全。一般護(hù)岸工程的損壞，除因布置不適當(dāng)或本身護(hù)岸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠外，往往是由于基礎(chǔ)埋設(shè)深度過(guò)淺，以至基礎(chǔ)被水流掏空而引起的；本次通過(guò)對(duì)工程清淤整治后的護(hù)岸沖刷深度分析，確定西山溪截洪渠的合理清淤河底高程[1]。

1 工程現(xiàn)狀

由于多年的粗放式發(fā)展，西山溪流域內(nèi)小作坊式工礦企業(yè)多，區(qū)內(nèi)瓷土等礦產(chǎn)資源豐富，多年來(lái)偷采、亂采現(xiàn)象嚴(yán)重，致使山體裸露，水土流失嚴(yán)重；近年來(lái)，由于河砂資源緊缺，流域內(nèi)存在利用廢礦和泥漿進(jìn)行洗砂現(xiàn)象，洗砂的泥漿也直接進(jìn)入西山溪流域； 造成目前西山溪流域河道淤積嚴(yán)重，影響河道的行洪安全，制約當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。因此有必要進(jìn)行清淤疏浚，保障防洪安全。

2 沖刷分類

河床的沖刷變形是水流泥沙的運(yùn)動(dòng)、河槽地質(zhì)及構(gòu)造物三者相互作用的結(jié)果，通常可分為河床自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷3類。

1)河床自然演變沖刷：天然河流泥沙在自然水流作用下不斷運(yùn)動(dòng)，形成的河床天然沖刷。關(guān)于河槽自然演變所產(chǎn)生的河槽沖刷，目前尚缺乏可靠的計(jì)算方法，因此必須調(diào)查具體河道的歷史發(fā)展情況和類似河流的實(shí)際觀測(cè)資料，并結(jié)合河道治理規(guī)劃作出適當(dāng)?shù)墓烙?jì)。

2)一般沖刷：由于河道構(gòu)造物的存在，導(dǎo)致河道行洪斷面減少，壓縮水流后流速增大，水流挾沙能力隨之增大，引起整個(gè)收縮斷面河床的沖刷。

3)局部沖刷：由于河道構(gòu)造物直接阻擋水流，當(dāng)水流急劇流過(guò)構(gòu)筑物，在橋臺(tái)前緣、橋墩周圍及導(dǎo)流堤上游端或丁壩端等部位，造成了水流流線結(jié)構(gòu)的改變，流速、流向急劇變化，在其周圍以強(qiáng)烈的渦流形式與河槽泥沙發(fā)生作用，因而在構(gòu)造物周圍，特別是迎水面附近形成向下的流束淘刷河床，在局部范圍內(nèi)產(chǎn)生沖刷坑的現(xiàn)象。

河床總的沖刷深度是河床演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷的總和，洪水沖刷過(guò)程中上述三種沖刷是交織在一起同時(shí)進(jìn)行的，但是，為了便于分析和計(jì)算，將三種沖刷深度分別確定，然后再疊加起來(lái)。而中國(guó)制定的橋下斷面一般沖刷深度計(jì)算公式的結(jié)果中包含了自然沖刷，這是因?yàn)檫@些橋下斷面一般沖刷深度計(jì)算公式的系數(shù)和指數(shù)是根據(jù)橋梁現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)沖刷資料制定的，所依據(jù)的實(shí)測(cè)資料已包含河床自然沖刷，兩者是無(wú)法分割的。因此在計(jì)算河床總的沖刷深度一般只需計(jì)算一般沖刷深度及局部沖刷深度[2]。

3 沖刷深度計(jì)算公式

本工程為中小河流治理項(xiàng)目，且護(hù)岸平順，根據(jù)《廣東省中小河流治理工程設(shè)計(jì)指南(試行)》(2018.6)中附錄B，沖刷深度計(jì)算應(yīng)符合《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)附錄D和《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50707)附錄B的有關(guān)規(guī)定。

1)《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50707-2011)中水流平行于防護(hù)工程產(chǎn)生的沖刷深度可按下式計(jì)算：

(1)

式中：△hB為局部沖刷深度，m；hp為沖刷處沖刷前的水深，m；Vcp為平均流速，m/s；V允為河床面上允許不沖流速，m/s；n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，可取n=1/4。

2)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)中順壩及平順護(hù)岸沖刷深度可按下式計(jì)算：

(2)

式中：hS為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；Uc為泥沙的啟動(dòng)流速，m/s；n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，一般取n=1/4-1/6。

參閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)公式(1)與公式(2)來(lái)源于《水力計(jì)算手冊(cè)(第2版2006)》(武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)流體力學(xué)教研室 李煒主編)第5篇第3章第2節(jié)渡槽的水力計(jì)算。

根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》中渡槽支墩周圍河床的局部沖刷深度計(jì)算為：

(3)

式中：hB為支墩周圍河床的局部沖刷深度，m；hp為沖刷處的水深，m；Vp為建渡槽后計(jì)算水位下的主河槽平均流速，m/s；VH為河床允許的不沖流速，m/s；n為渡槽槽墩形狀系數(shù)，渡槽槽墩形狀系數(shù)見表1。

表1 渡槽槽墩形狀系數(shù)

由以上分析可知，公式(1)與公式(2)引用橋渡局部沖刷公式作為順壩及平順護(hù)岸沖刷深度的計(jì)算公式。公式(2)與公式(1)類似，兩者不同之處為公式(1)采用河床面上允許不沖流速計(jì)算，而公式(2)采用泥沙的啟動(dòng)流速計(jì)算。本工程采用《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50707-2011)與《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)中順壩及平順護(hù)岸沖刷深度計(jì)算公式分別進(jìn)行計(jì)算[3]。

4 西山溪截洪渠沖刷深度計(jì)算

采用公式(1)對(duì)本工程最不利行洪斷面進(jìn)行計(jì)算，最不利行洪斷面沖刷前水深計(jì)算結(jié)果，見表2。

表2 最不利行洪斷面沖刷前水深計(jì)算結(jié)果

公式(2)對(duì)本工程最不利行洪斷面進(jìn)行計(jì)算，最不利行洪斷面沖刷外水深計(jì)算結(jié)果，見表3。

表3 最不利行洪斷面沖刷外水深計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果分析，采用《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50707-2011)與《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)中順壩及平順護(hù)岸沖刷深度計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果相差不大，公式(1)與公式(2)均可選用[4]。

本工程西山溪截洪渠護(hù)坡于2004年進(jìn)行達(dá)標(biāo)加固，結(jié)構(gòu)形式為砌石基座埋深1m，基座以上為混凝土護(hù)坡。自2004年達(dá)標(biāo)加固后至今又經(jīng)多年運(yùn)行，由于河道上游的水土流失及洗砂的泥漿也直接進(jìn)入西山溪流域，致使西山溪截洪渠段目前平均淤積深度達(dá)1.0-1.5m，因此現(xiàn)狀基座埋深約2-2.5m，而沖刷深度計(jì)算結(jié)果約為2m，現(xiàn)狀護(hù)岸埋深基本滿足規(guī)范要求。本工程根據(jù)護(hù)岸沖刷深度計(jì)算結(jié)果、中小河流治理生態(tài)景觀要求及現(xiàn)狀護(hù)岸穩(wěn)定要求，采用復(fù)式斷面清淤，河道兩岸灘地(現(xiàn)狀護(hù)岸往河中心)5m范圍內(nèi)只清除30cm表土，其余部分灘地與中部河槽清淤至設(shè)計(jì)底高程。

5 計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)狀西山溪截洪渠沖刷淤積對(duì)比分析

根據(jù)護(hù)岸的沖刷深度計(jì)算結(jié)果可知，西山溪截洪渠現(xiàn)狀護(hù)岸基座沖刷深度約為2m，而在西山溪2004年進(jìn)行達(dá)標(biāo)加固整治后至今護(hù)坡基座沒(méi)有被沖刷，反而平均淤積深度達(dá)1.0-1.5m。根據(jù)沖刷深度計(jì)算結(jié)果，結(jié)合西山溪截洪渠現(xiàn)狀實(shí)際情況分析如下：

1)西山溪截洪渠上游瓷土等礦產(chǎn)資源豐富，多年來(lái)偷采、亂采現(xiàn)象嚴(yán)重，致使山體裸露，水土流失嚴(yán)重；近年來(lái)，由于河砂資源緊缺，流域內(nèi)存在利用廢礦和泥漿進(jìn)行洗砂現(xiàn)象，洗砂的泥漿也直接進(jìn)入西山溪流域，導(dǎo)致西山溪截洪渠含沙量十分大。

2)西山溪截洪渠河床寬度約為40m，由于上游渠首高美橋閘的控制，高美橋閘兼顧發(fā)電，枯水期蓄水發(fā)電，基本過(guò)流斷面為6-8m主河槽，流速較小。局部小暴雨時(shí)期，水閘部分開啟，仍兼顧發(fā)電功能，流速依然不大。大暴雨時(shí)期水閘全開泄水，但是暴雨持續(xù)時(shí)間較短，水流對(duì)西山溪截洪渠的沖刷持續(xù)時(shí)間較短，且水流含沙量大。

西山溪截洪渠長(zhǎng)時(shí)間受高美橋閘控制，水流流速較慢，河道不斷淤積；短時(shí)間進(jìn)行開閘泄洪，水流流速較大，河道沖刷。《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》與《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中的沖刷深度計(jì)算公式是否適用此類河流工況仍不明確。

3)由于高美橋閘控制，西山溪截洪渠水流較小，導(dǎo)致在大部分時(shí)間內(nèi)水流只在中部河槽流動(dòng)，枯水期渠底兩岸裸露，雜草叢生，到了洪水期兩岸雜草等植物截留泥沙又影響行洪，周而復(fù)始，不斷使河床淤積。

4)由于本工程為清淤項(xiàng)目，無(wú)新建渠道建筑物直接阻擋水流，根據(jù)沖刷分類在計(jì)算原有護(hù)岸沖刷深度時(shí)，無(wú)需計(jì)算局部沖刷。在此項(xiàng)目中只需計(jì)算河床自然演變沖刷及一般沖刷，而一般沖刷計(jì)算公式中，有些公式已經(jīng)包括了由于河槽自然演變引起的沖刷，結(jié)合《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》與《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中沖刷深度的描述為順壩及平順護(hù)岸的沖刷深度計(jì)算，因此本工程及一般護(hù)岸整治工程在計(jì)算護(hù)岸的沖刷深度時(shí)，只需計(jì)算因縮窄河床而產(chǎn)生的一般沖刷深度。然而《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》與《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的順壩及平順護(hù)岸沖刷深度計(jì)算公式來(lái)源于渡槽的局部沖刷深度計(jì)算公式，根據(jù)沖刷的分類可知，一般沖刷與局部沖刷的成因不同，這種將橋渡的局部沖刷深度計(jì)算公式引用為河道護(hù)岸的一般沖刷深度計(jì)算公式是否合理。

6 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)西山溪截洪渠護(hù)岸的沖刷深度計(jì)算、結(jié)合現(xiàn)狀河道的沖淤情況及運(yùn)行條件，對(duì)同類型河道整治的沖刷深度計(jì)算有以下幾點(diǎn)建議：

1)除《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》與《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中順壩及平順護(hù)岸沖刷深度計(jì)算公式外，還可考慮選用橋渡一般沖刷計(jì)算公式(64-1修正式、64-2簡(jiǎn)化式)及包爾達(dá)柯夫一般沖刷公式等進(jìn)行計(jì)算。

2)河床沖刷是個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，而且每條河流的運(yùn)行情況也不完全相同，因此需要根據(jù)實(shí)際情況具體，選取相適應(yīng)的沖刷深度計(jì)算公式，率定有關(guān)參數(shù)。

3)由于河道護(hù)岸整治岸線很長(zhǎng)，護(hù)岸構(gòu)筑物埋深對(duì)工程的投資影響非常大，因此在此類護(hù)岸沖刷深度計(jì)算結(jié)果與河道多年實(shí)際沖淤情況有很大出入的河流，可根據(jù)河道實(shí)際沖淤情況確定渠底高程。

4)為適應(yīng)中小河流不同時(shí)段流量差異較大的特點(diǎn)，河道清淤應(yīng)盡可能采用復(fù)式斷面。

5)工程實(shí)施后加強(qiáng)對(duì)沖刷深度的測(cè)定工程，分析實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果，為工程積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。