梦山水库顺坝冲刷深度的计算与修正

□孙华云　□冯绍好（江西省水利水电建设有限公司）

梦山水库顺坝冲刷深度的计算与修正

□孙华云□冯绍好（江西省水利水电建设有限公司）

顺坝冲刷深度是梦山水库除险加固工程设计中的关键参数之一，文章从工程实际出发，首先进行了顺坝冲刷深度的计算，分析了影响冲刷深度的因素，包括河道流量、水深、流速、泥沙粒径、泥沙级配、透水桩坝的设计、桩柱所承受的土压力及动水压力、冲击偏角等，最后在综合考虑各因素的基础上对该工程顺坝冲刷深度进行了修正。

顺坝；冲刷深度；计算

1　工程概况

梦山水库位于新建县西南部石埠乡境内的梦山脚下，地处赣江下游西岸，属赣江流域锦河支流潘源港水系，距新建县城25 km，库区距320国道约8 km，并有水泥公路直通坝区，交通尚属便利。

梦山水库坝址以上控制流域面积14 km2，正常蓄水位68.20m(黄海高程，下同)，相应库容820.40×104m3，设计洪水位(P=2%)69.43m，工程区为冲积盆地，呈狭长条带状，四周低山丘陵环抱，山体近东西走向，地势西北高，东南低，山体较雄厚，河谷较宽阔，两岸地形较平缓，且较稳定，属“U”型河谷，下游河床地面高程54～64m。坝址区地下水主要为第四系中更新统层孔隙性潜水及基岩裂隙性潜水，接受大气降水补给排泄于沟谷、河床。根据水化分析成果，库水对混凝土具中等溶出性腐蚀，地下水对混凝土无腐蚀。

2　顺坝冲刷深度计算

2.1顺水流方向顺坝冲刷深度

河道单向流（顺水流）仅会在迎水面一侧引起冲刷坑，而潮流则会在迎水面两端均引起冲刷坑，结合本工程实际，仅考虑第一种情况。河道水流平行于堤岸时水流轴线与顺坝的夹角取α＝90°，梦山水库坝址以上控制流域槽断面由滩地及河槽组成，在进行防洪堤设计时，必须根据其特点进行分析，力求计算值与现状流态相近，本工程河道的水力计算采取《河流泥沙工程学》中的设计洪水流量计算公式进行计算。

由于此段梦山水库坝址以上控制流域由一侧滩地和河槽组成，而滩地和河槽的糙率流速均不相同，故应把断面分成两部分计算，使两部分面积之和与原河道断面面积相等，根据《水力计算手册》，当最大冲刷深度在5m以内时，顺坝的安全深度≥2m，在此取安全深度为2m，则顺坝的基础下深＝2.00-1.90+2.00＝2.10m。

2.2水流斜冲顺坝产生的冲刷

从计算结果来看，在顶冲段河床以下最大冲深计算值为3.23m；2012年9月8日，洪水（300m3/s）过后实测河道顶冲处冲坑底距河床2.20m，根据现场抗洪抢险工作人员介绍，洪水期冲坑较实测值大，因此防洪堤基础下深在顶冲段河床下深4m，在非顶冲段河床下深3m。即在3+250～3+800，4+550～5+150，5+900～6+850段，即顶冲段下深4m，在3+800～4+550，5+150～5+900段下深3m。

3　影响冲刷深度因素的综合分析

3.1水流因素（水深、流速、流量）、泥沙粒径对冲刷的影响

在假设其他因素不变的情况下，最大冲刷深度与水深之间呈正向变动的关系，即随着水深增大，冲刷深度不断增大，如遇凹岸或与凹岸河堤顶面标高相等地势时，这种冲刷深度继续增大的趋势逐渐减缓，而后保持在一稳定范围内。

水流流速即为水流进入河道时的平均流速，随着水流流速逐渐增加达到河床面泥沙起冲流速时，河床便会出现局部冲刷坑，而后随着水流流速增大，冲刷坑深度也会增大；而当水流流速超过河床面泥沙起冲流速时，大量起冲泥沙对冲刷坑会产生一定的填补作用，反而使冲刷深度随水流流速增加而减缓。所以不考虑其他因素的情况下，水流流速与冲刷深度之间呈倒“U”型关系。

河道水流对冲刷的影响过程与程度还受到冲刷坑内输沙量及泥沙粒径等的影响，如果流速过快时间过短，则会导致有效输沙量迅速减少，进而延长了冲刷过程，增大了冲刷影响程度。本工程中可以在临水一侧的边坡修建如丁坝、桥台、防冲桩等防冲构造物，以减少河流的直接冲刷，降低冲刷深度。

工程为非粘性土河床，泥沙粒径对冲刷深度有明显影响，泥沙粒径越小，则冲刷阻力越小，达到稳定冲刷深度的时间越短，当泥沙粒径增大时，冲刷流速也增加，冲刷深度减小。最大冲刷坑深度的计算对于泥沙粒径变化反应敏感，故而本工程中河道的泥沙粒径范围应根据河段情况慎重对待。

3.2溃口宽度对冲刷的影响

为了更好的将不同溃口宽度的冲刷结果进行比较，以便找出冲刷坑深度与溃口宽度之间的关系，将不同溃口宽度所对应的最大冲刷坑深度及最深点的位置制成数据表格记录便于进行比较分析。

从计算结果可以看出，在水位相同情况下，冲刷坑深度与溃口宽度之间呈正向变动关系，即溃口宽度增加了，冲刷坑的深度也随之增加，而冲刷坑最深点离溃口的距离也随之增加。也可以将上述变动描绘在“冲深随时间发展过程图”中，从图中可以很明显的看出，冲刷坑在平面上呈现椭圆形形状，其上游边坡较为陡峭，且冲刷距离与冲深之间始终保持线性关系，随着时间的推移，冲刷坑的冲刷率先增加，而后减少，最终趋于零。

3.3不同偏角对冲刷的影响

在此笔者结合透水桩坝长宽比计算，分析了不同水流冲击角对本工程透水桩坝局部冲刷深度的影响程度。

从计算结果可以看出，当水流冲击角为0°时，不同冲击角对本工程透水桩坝局部冲刷深度的影响并无明显变化，随着冲击角度的增加，水流对冲刷深度的影响也在增大，当冲击角达到90°时，冲刷深度比最初冲击角为0°透水桩坝长宽比1时增加31.60%。所以要想降低不同水流冲击角对本工程透水桩坝局部冲刷深度的影响程度，必须综合考虑冲击角与透水桩坝长宽比两个因素。

3.4时间对冲刷程度的影响

时间对冲刷坑深度及冲刷程度的影响也较大，根据实验及相关分析，时间与冲刷坑深度之间存在一条关系曲线：在清水情况下，随时间发展冲刷坑深度（或冲刷程度）逐渐趋于平衡状态，而在动床冲刷情况下，随时间的发展冲刷坑深度（或冲刷程度）起初迅速增大，直到平衡深度（或冲刷程度）出现，才逐渐趋于稳定状态。

4　修正的顺水流方向顺坝冲刷深度

常遇洪水流量计算公式不变，并综合考虑上述影响因素进行计算。修正的顺水流方向顺坝冲刷深度为：顺坝的基础下深＝1.88-1.70+2.00＝2.18m。

5　结语

总之，影响冲刷坑深度的因素颇多，除了河道流量、水深、流速、泥沙粒径、泥沙级配之外，还有透水桩坝的设计、桩柱所承受的土压力及动水压力、冲击偏角等因素。但是关于冲刷坑的形成和发展与流场水力特性之间的关系等内容在理论研究方面仍然属于空白，鉴于各种原因以及笔者研究领域所限，在此不再赘述，但是为了得到较为完备的多因素冲刷坑深度计算公式来估算水库除险加固工程顺坝冲刷深度，必须将大量实测资料考虑进去建立数学模型并进行多组次小尺度水槽试验，这也是一直以来很多学者较为热衷的方法。

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1673-8853（2016）08-0062-02

2016-05-21

（责任编辑：左英勇）

孙华云（1986-），男，工程师，主要从事水利施工工作。