山区中小河流冲刷深度计算及分析

林文婧

(广东省水利电力勘测设计研究院,广东 广州 510635)



山区中小河流冲刷深度计算及分析

林文婧

(广东省水利电力勘测设计研究院,广东 广州 510635)

介绍了现有河床冲刷深度的基本理论及计算方法,结合工程实例探讨了山区中小河流治理工程冲刷深度的计算及应用,对影响冲刷深度计算及应用的几个因素进行分析及总结,可供相关工程参考。

山区中小河流；冲刷深度；计算工况；折冲水流

山区中小河流大多坡降较陡,流速较大；部分河段尤其是迎流顶冲段坡脚冲刷较为严重是广东省山区中小河流普遍存在的问题。以2015年度云浮市郁南县中小河流治理工程为例,列入治理清单的9条河有3条河的平均坡降大于1.5%；部分河段遇2年一遇洪水平均流速超过3 m/s；迎流顶冲段常见冲坑,较深处可达4～5 m,原有护岸建筑物基础被冲垮的现象时有发生。基于以上情况,冲刷深度是山区中小河流设计需要确定的主要参数,合理进行冲刷深度计算是中小河流治理的重要研究课题。

1 现有理论及计算方法

1) 河床冲刷深度类型

河床冲刷深度包括工程引起的局部冲刷和河流自然冲刷两种类型,近10 a来对工程引起的局部冲刷和普遍冲刷均有大量的研究[1]。根据实际情况,山区中小河流治理工程更关注弯道迎流顶冲凹岸的局部冲刷。

2) 现有河床局部冲刷深度计算公式

《堤防工程设计规范》GB 50286—2013(以下简称《堤防规范》)和《河道整治设计规范)GB 50707—2011(以下简称《河道规范》)中均提及顺坝或平顺护岸的冲刷深度计算公式。两者基本可通用又略有不同。其中又以《堤防规范》里的公式实践应用最为广泛,具体如下[2]：

(1)

(2)

式中 Ucp为近岸垂线平均流速，m/s；U为行近流速，m/s；η为水流流速不均匀系数,根据水流流向与岸坡交角 ,查堤防规范D.2.2采用；hs为局部冲刷深度，m；H0为行近水流水深，m；n为与防护岸坡在平面上的形状有关,取n=1/4～1/6；Uc为泥沙起动流速，m/s。

黏性与砂质河床上可采用张瑞瑾公式：

(3)

式中 d50为床沙的中值粒径,m；γs、γ为泥沙与水的容重,kN/m3。

相对于《河道规范》,式(1)、(2)将水流平冲与斜冲计算合二为一,用流速分配系数区别,在实践应用中更加直观,便于理解和操作。

3) 弯段冲刷范围研究

有观测资料表明,弯段水流冲刷范围只占整个弯道的60%,若河弯长度为L,则冲刷范围为0.6L,其中河弯顶点上游为0.24L,顶点下游为0.36L。主流最初靠近凹岸的部位称为“顶冲点”,最枯水时的顶冲点称为水流的上顶冲点,该点是冲刷范围的起点；最大洪水时的顶冲点称为水流的下顶冲点,该点是冲刷范围的终点[3]。

2 冲刷深度计算实例

2.1 工程实例简介

该工程位于云浮市郁南县南江口镇黄岗河河段。黄岗河是罗定江(南江)的一级支流,发源于南江口镇的大河尾顶,流经高乡塝、塘边、坡头在古蓬圩汇入罗定江(南江),集雨面积仅34.6km2,河道平均坡降接近1.6%。

治理河段总长8.3km(见图1),河床主要为砂卵砾石层,平均厚度大于1.0m,砾石含量约20%,卵石含量约30%,直径约3～15cm,磨圆度较好,石英质、砂岩质,松散～稍密状,河床局部表层含约20～30cm厚的流塑、软塑状的淤质粉质粘土,松散状的粉土粉砂。

防洪标准按防冲不防淹考虑,要求通过清淤护岸固脚来稳定中水河槽,增加河道的过流能力,达到行洪通畅的目的。

工程措施以清淤疏浚及护岸固脚为主。其中,固脚长度5.1km,固脚范围包括村庄段及迎流顶冲段,固脚形式为C20砼及格宾石笼。其中,村庄段采用C20砼固脚对坡脚进行防护,位于迎流顶冲处的非村庄段则采用格宾石笼固脚进行防护。

图1 黄岗河治理河段示意

2.2 冲刷深度计算结果及分析

1) 计算工况

一般情况下,当河道洪峰流量较大时,流速大,水深大,但迎冲角小；当洪峰流量接近造床流量时,河床变形强烈,主流摆动较大,水深浅,但可能形成较大的迎冲角[4]。故计算冲刷深度时,应考虑各种对应工况下河道的局部冲刷深度,特别要重视造床流量下的计算工况。

结合实际情况,山区中小河流治理工程冲刷深度的计算工况一般考虑以下几种情况：①河段相应防洪标准下对应的冲刷深度；②造床流量(按惯例常取接近1.5年一遇洪峰流量)下对应的冲刷深度,如前所述,该种工况下河床变形强烈,主流摆动较大,水深浅,迎冲角较大；但这种大角度迎冲持续的时间不会太长。

本工程防洪标准按防冲不防淹考虑。故冲刷深度的计算工况取接近造床流量的2年一遇设计洪水工况。

2) 计算结果

采用《堤防规范》所列的冲刷深度计算公式进行计算,结果如表1所示。

表1 黄岗河部分河段冲刷深度计算结果

根据计算结果,桩号HG0+130～HG0+418段两岸水流相对平顺,行进水流水深相对较大,冲刷计算深度为0或负值,实际上,河道行洪均不可避免地会对河道产生冲刷作用,《堤防规范》所列的局部冲刷计算公式为经验公式,是由多个实测资料拟合而成,计算结果为零或负值,说明河道遇该频率下泄洪水时在顺坡处产生的局部冲刷相对较小、可忽略 ,并非洪水对河道没有冲刷作用；桩号HG0+731～HG0+2+913范围迎流顶冲弯道局部冲刷计算深度约0.6～0.7m；HG3+993～HG7+690范围迎流顶冲弯道局部冲刷计算深度约0.4～0.6m。

3) 分析及应用

计算分析可知,d50越大,冲刷深度越小；行进水流水深越大,冲刷深度越小；水流流向与岸坡交角越小,冲刷深度越小；行进流速越小,冲刷深度也越小；n值越小,冲刷深度也越小。相应的定性关系符合理论分析。

结合工程区域调查的多年平均冲刷深度,除HG5+000桩号外,其余计算结果均基本符合实际情况。HG5+000桩号位置,上下游均为连续弯段,上游有陂头1座及钢筋砼桥梁1座,该处的局部冲刷深度计算值为0.41m,现场调查发现,该处现状河床有2m深的冲坑。

分析该处冲刷深度计算值偏小的原因,存在以下几个因素：

①未考虑上游陂头跌水的冲刷影响。该处上游5m处有桥梁1座,桥梁上游5m处有小型陂头1座；陂头至HG5+000桩号河床可见基岩出露,HG5+000桩号下游河床以粉砂土为主,遇较大洪水时,陂头下泄水流的冲刷作用可能影响到HG5+000下游河段。

②未重视折冲水流的冲刷影响。该段河道蜿延曲折,上游为桥梁,桥墩及连续弯道将产生较为频繁的折冲水流,进一步加剧该处的局部冲刷。

根据计算结果及分析,桩号HG0+130～HG0+418段水流的冲刷作用相对较小,该段为格宾石笼固脚段,格宾石笼固脚的埋深设为0.50m；桩号HG0+731～HG0+2+913范围迎流顶冲弯道局部冲刷计算深度约0.6～0.7m,该段为格宾石笼固脚段,故格宾石笼固脚的埋深设为0.70m；HG3+993～HG7+690范围迎流顶冲弯道局部冲刷计算深度约0.4～0.6m,该段为C20砼固脚段,故C20砼固脚的埋深设为0.70m。为安全起见,迎流顶冲弯道固脚的防护范围应包括弯道的上顶冲点至下顶冲点,重要村庄段则要求对弯道全段进行防护。

此外,结合陂头的水力消能计算结果,桩号HG4+980～HG5+000段回填开挖料填平冲坑,河床设0.50m厚、20m长的C25钢筋砼护底进行进一步防冲加固。

该工程区域部分河段完工以后,自2016年3月以来,已经受过多场洪水的考验,埋深的设计值基本满足工程实际需要。

4) 影响计算结果的因素

结合实际的工程经验,在冲刷深度的计算及应用中,特别要注意以下几点：

①计算公式中各参数的选取。a)d50的取值。该值对冲刷深度的影响很大,地质专业应结合外业以及内业工作做出准确判断；b)行近水流水深H0的计算。其应包括行近水头,对计算结果有一定影响。

②计算工况的选择。相对于一般的防洪水利工程,山区中小河流治理工程的防洪标准比较灵活：农田可以防冲不防淹,村庄5～10年一遇,重要城镇10～20年一遇,还可以分段设防；河道弯道很多,平均坡降相对较大。如前所述,冲刷深度的计算工况宜考虑以下几种情况：a)河段相应防洪标准下对应的冲刷深度；b)造床流量(按惯例常取接近1.5年一遇洪峰流量)下对应的冲刷深度。

③注意折冲水流的影响。连续弯道以及有河道建筑物的河段,要特别注意折冲水流的冲刷作用。比较重要的河段,建议各种条件下对其进行实测与分析,必要的时候可建立相应的物理和数学模型对重要参数进行进一步率定。

④注意陂头及水闸等拦河建筑物的影响。如果原有拦河建筑物的消能防冲措施未到位,其下泄水流可能加剧对下游河床的局部冲刷作用,要结合水力消能计算进行进一步分析。

⑤注重实测资料。各种冲刷计算公式实际上均为经验公式,都是由多个实测资料拟合而成,在这样的情况下,冲刷深度的实测资料是最有效的检验工具。发现理论计算和实际情况有差异时,要仔细分析、认真核对。

⑥冲刷深度计算值的应用。护岸固脚的基础埋深宜不小于局部冲刷计算深度。对于比较重要的护岸固脚建筑物,可适当考虑一定的安全余度,以进一步提高工程的可靠性。迎流顶冲段防冲加固的范围应包含弯道冲刷范围。

3 结语

根据山区性中小河流治理工程的特点,迎流顶冲段弯段凹岸的局部冲刷深度是设计工作中要关注的重点。

本文结合理论和实践,认为基于对河段地质、水文以及河势合理的分析判断,《堤防规范》中顺坝或平顺护岸的冲刷深度计算公式基本能满足工程实际的需要；在冲刷深度的计算中,应注意计算公式中d50等参数的选取、计算工况的选择,注意折冲水流及拦河建筑物下泄水流的影响,注重对实测资料的分析、核对；在冲刷深度计算值的应用中,护岸固脚的基础埋深宜不小于局部冲刷计算深度。对于比较重要的护岸固脚建筑物,可适当考虑一定的安全余度,以进一步提高工程的可靠性。迎流顶冲段防冲加固的范围应包含弯道冲刷范围。

[1] 伍冬领,邢艳,谢晓波,等. 钱江四桥桥墩局部冲刷试验研究[J]. 桥梁建设,2005(2)：19-22.

[2] 堤防工程设计规范:GB50286—2013 [S]．

[3] 李广贺,刘兆昌,张旭. 水资源利用工程与管理[M]. 北京：清华大学出版社,1998.

[4] 李晓庆,唐新军. 对《堤防工程设计规范》推荐冲刷深度计算公式的探析[J]. 水资源与水工程学报,2006(2)：51-52.

(本文责任编辑 王瑞兰)

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,硕士,高级工程师,从事水利水电工程设计工作。

TV147

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1008-0112(2016)05-0046-03