缺乏水文资料的河道断面最大冲刷深度分析

□魏小寒 叶 巍

在没有或缺乏实测水文资料情况下，如何分析确定河道断面的最大冲刷深度，是水利规划实际工作中经常遇到的问题。影响河床演变断面冲刷的因素极其复杂，与该地区的地质、地貌、气候、土壤和植被等情况有密切关系，但主要影响因素流量大小及其变化过程、流域来沙及其组成、河道比降、河床物质组成4项，现以在漳河临漳断面规划设计的穿漳管道预埋深度为例，从河道断面及河槽冲刷理论计算两个方面，分析穿漳管道断面的冲刷情况，并确定断面的最大冲刷深度。

1.河道基本情况

漳河属海河流域南运河水系。上源有两支：分别为清漳河、浊漳河，皆发源于山西省东南部太行山腹地。清漳河、浊漳河两支入河北涉县境后，在合漳村汇流后称漳河。漳河干流，自涉县合漳村起，沿河北、河南两省边界，自西而东，经涉县、磁县，至观台村流入岳城水库，出库后经磁县讲武城南入临漳县，经魏县、大名县至馆陶县徐万仓村与卫河汇流。合漳至徐万仓河道长189km。

岳城水库以下至河北省馆陶县徐万仓，为漳河平原河段，全长为119km，落差 64.7m，平均比降为 1∶2430，其中岳城水库至京广铁路桥河段河底比降为 1∶500～1∶1000，河槽相对稳定，宽200～600m，河床质为粗砂卵石；铁路桥以下至蔡小庄水文站河段长61km，平均比降为 1∶2000，主河槽宽达 400～1350m，槽深仅为 1～2m，河床质为砂土，沙滩密布，河身宽浅，主槽摆动不定，具有游荡性河道的特性。

2.断面基本情况

穿漳管道大断面位于岳城水库下游20.4km的临漳县上柳村附近，漳河南大堤以北断面宽约2.55km。断面以上5km为京广铁路桥。河流断面受岳城水库控制，冲淤变化大，水位流量关系不稳定。

为准确确定穿漳管道线路，我们对规划设计的穿漳管道断面进行了测量。采用中华人民共和国行业标准SL58-2014《水文普通测量规范》中河道大断面测量的四等水准测量。

引据水准点为南水北调引江中线Ⅳ731水准点，水准点的位置位于磁县讲武城乡南营村以南民有南干渠桥东北角。

3.穿漳管道断面上下游实测大断面分析

因穿漳管道所经漳河断面无实测资料，我们选取了与其水文特性、河床特征近似条件下断面上游4km处的漳河大桥断面及其下游63km处的蔡小庄水文站断面的实测资料进行分析。

通过蔡小庄水文站近30年的过水流量频率计算，选取相当于五十年一遇的“96·8”洪水，分析穿漳管道断面的冲刷情况。

采用的实测资料：漳河大桥1996年7月12日和1998年7月2日实测大断面资料；蔡小庄水文站“96·8”洪水前后实测大断面资料。分别绘图比较“96·8”洪水前后的过水断面变化情况。见图1。

从影响因素分析，漳河大桥断面束窄了过水断面，流速偏大，挟沙能力要强，对河槽的冲刷大于穿漳管道断面。而蔡小庄水文站测验断面从各影响因素比较更接近穿漳管线断面，冲刷情况应近似。但漳河大桥断面及蔡小庄测验断面比穿漳管道断面要规整，穿漳管道断面完全符合游荡性河流特点，多沙洲和串沟，变形强度大、变形速度更快。从反映“96·8”洪水前后漳河大桥、蔡小庄水文站测验断面变化情况的实测大断面成果看最大冲刷深度分别为2.92m和2.73m，见图2。

图1 漳河大桥96年、98年断面变化对照图

图2 蔡小庄1996年5月与9月大水前后断面变化对照图

4.河槽冲刷计算

河槽的一般冲刷是指水流受压缩后有效过水断面减少和流速增大而引起的在河槽过水断面上发生的冲刷。这种冲刷不同程度地分布在整个断面上。以漳河大桥为例分析计算。我们采用《电力工程水文勘测计算手册》给出的桥下河槽一般冲刷计算公式：

hp={[A×Qp/u/l×(hmax/h)5/3]/E/d1/6}3/5

式中：

hp—设计冲刷深度（m）；

Qp—设计流量，采用漳河“96·8”洪水1500m3/s；

L—桥孔净宽（m），按“96·8”洪水漳河大桥水面宽540m；

hmax/h—参照蔡小庄水文站“96·8”洪峰时期实测的最大水深与平均水深的比值作为计算的依据（7/4.63=1.51）。其中hmax为设计断面桥孔的最大水深。H为设计断面桥孔的部分的平均水深；

d—河床土壤平均粒径，采用0.7mm；

u—过水面积折减系数，查表得0.97；

E—与汛期含沙量有关的参数。查E值表，取0.86；

A—单宽流量集中系数。

单宽流量集中系数计算式：

式中：

B—为河槽宽度；

H—为平滩水位时的河槽平均水深。

参照蔡小庄“96·8”实测最大洪峰时B=229m，H=4.63m，计算出A=1.19。

计算最大冲刷深度：

hp={1.19×1500×1.511.667/0.86/0.70.167}0.6=3.57m

综上分析，由于漳河大桥位于穿漳管线断面的上游4km处，且穿漳管线断面无任何水工建筑物，河道宽浅，冲刷能力相对减弱。结合穿漳管线断面上下游实测大断面及漳河河槽冲刷理论分析，可以认为穿漳管道断面在遭遇五十年一遇洪水的情况下，最大冲刷深度可达3～3.5m。

5.结论

按设计要求，确定一定保证率后，在断面缺乏水文资料的情况下，分别采用设计管道断面上下游的实测水文资料和河槽冲刷的理论公式计算，通过分析比较，可以比较准确的求出其断面的最大冲刷深度，相互比较和印证后所得出的结论可靠，且方法简单，可以解决实际工作中规划设计这方面的难题。