西山溪截洪渠治理工程护岸冲刷深度分析

潘永华

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

近年，为保障中小河流防洪排涝安全的前提下，深入贯彻落实乡村振兴战略，鼓励河道治理与美丽乡村、新农村建设、乡村旅游及产业发展有机结合，充分发挥中小河流治理综合效益，广东省大力推进省内中小河流治理，潮州市潮安区西山溪截洪渠治理工程列入全省中小河流治理(二期)2018年治理任务项目，并已由广东省水利厅批准实施。根据治理任务项目清单，潮州市潮安区西山溪截洪渠治理工程主要建设任务为河道清淤疏浚。本工程为清淤项目，因此清淤河底高程的确定极为重要，一方面需要河道整治后达到疏浚河道的效果，另一方面清淤后必须保证现状护岸稳定安全。一般护岸工程的损坏，除因布置不适当或本身护岸结构强度不够外，往往是由于基础埋设深度过浅，以至基础被水流掏空而引起的；本次通过对工程清淤整治后的护岸冲刷深度分析，确定西山溪截洪渠的合理清淤河底高程[1]。

1 工程现状

由于多年的粗放式发展，西山溪流域内小作坊式工矿企业多，区内瓷土等矿产资源丰富，多年来偷采、乱采现象严重，致使山体裸露，水土流失严重；近年来，由于河砂资源紧缺，流域内存在利用废矿和泥浆进行洗砂现象，洗砂的泥浆也直接进入西山溪流域； 造成目前西山溪流域河道淤积严重，影响河道的行洪安全，制约当地的经济社会发展。因此有必要进行清淤疏浚，保障防洪安全。

2 冲刷分类

河床的冲刷变形是水流泥沙的运动、河槽地质及构造物三者相互作用的结果，通常可分为河床自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷3类。

1)河床自然演变冲刷：天然河流泥沙在自然水流作用下不断运动，形成的河床天然冲刷。关于河槽自然演变所产生的河槽冲刷，目前尚缺乏可靠的计算方法，因此必须调查具体河道的历史发展情况和类似河流的实际观测资料，并结合河道治理规划作出适当的估计。

2)一般冲刷：由于河道构造物的存在，导致河道行洪断面减少，压缩水流后流速增大，水流挟沙能力随之增大，引起整个收缩断面河床的冲刷。

3)局部冲刷：由于河道构造物直接阻挡水流，当水流急剧流过构筑物，在桥台前缘、桥墩周围及导流堤上游端或丁坝端等部位，造成了水流流线结构的改变，流速、流向急剧变化，在其周围以强烈的涡流形式与河槽泥沙发生作用，因而在构造物周围，特别是迎水面附近形成向下的流束淘刷河床，在局部范围内产生冲刷坑的现象。

河床总的冲刷深度是河床演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷的总和，洪水冲刷过程中上述三种冲刷是交织在一起同时进行的，但是，为了便于分析和计算，将三种冲刷深度分别确定，然后再叠加起来。而中国制定的桥下断面一般冲刷深度计算公式的结果中包含了自然冲刷，这是因为这些桥下断面一般冲刷深度计算公式的系数和指数是根据桥梁现场的实测冲刷资料制定的，所依据的实测资料已包含河床自然冲刷，两者是无法分割的。因此在计算河床总的冲刷深度一般只需计算一般冲刷深度及局部冲刷深度[2]。

3 冲刷深度计算公式

本工程为中小河流治理项目，且护岸平顺，根据《广东省中小河流治理工程设计指南(试行)》(2018.6)中附录B，冲刷深度计算应符合《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)附录D和《河道整治设计规范》(GB50707)附录B的有关规定。

1)《河道整治设计规范》(GB50707-2011)中水流平行于防护工程产生的冲刷深度可按下式计算：

(1)

式中：△hB为局部冲刷深度，m；hp为冲刷处冲刷前的水深，m；Vcp为平均流速，m/s；V允为河床面上允许不冲流速，m/s；n为与防护岸坡在平面上的形状有关，可取n=1/4。

2)《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)中顺坝及平顺护岸冲刷深度可按下式计算：

(2)

式中：hS为局部冲刷深度，m；H0为冲刷处的水深，m；Ucp为近岸垂线平均流速，m/s；Uc为泥沙的启动流速，m/s；n为与防护岸坡在平面上的形状有关，一般取n=1/4-1/6。

参阅相关资料，发现公式(1)与公式(2)来源于《水力计算手册(第2版2006)》(武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室 李炜主编)第5篇第3章第2节渡槽的水力计算。

根据《水力计算手册》中渡槽支墩周围河床的局部冲刷深度计算为：

(3)

式中：hB为支墩周围河床的局部冲刷深度，m；hp为冲刷处的水深，m；Vp为建渡槽后计算水位下的主河槽平均流速，m/s；VH为河床允许的不冲流速，m/s；n为渡槽槽墩形状系数，渡槽槽墩形状系数见表1。

表1 渡槽槽墩形状系数

由以上分析可知，公式(1)与公式(2)引用桥渡局部冲刷公式作为顺坝及平顺护岸冲刷深度的计算公式。公式(2)与公式(1)类似，两者不同之处为公式(1)采用河床面上允许不冲流速计算，而公式(2)采用泥沙的启动流速计算。本工程采用《河道整治设计规范》(GB50707-2011)与《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)中顺坝及平顺护岸冲刷深度计算公式分别进行计算[3]。

4 西山溪截洪渠冲刷深度计算

采用公式(1)对本工程最不利行洪断面进行计算，最不利行洪断面冲刷前水深计算结果，见表2。

表2 最不利行洪断面冲刷前水深计算结果

公式(2)对本工程最不利行洪断面进行计算，最不利行洪断面冲刷外水深计算结果，见表3。

表3 最不利行洪断面冲刷外水深计算结果

根据以上计算结果分析，采用《河道整治设计规范》(GB50707-2011)与《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)中顺坝及平顺护岸冲刷深度计算公式计算结果相差不大，公式(1)与公式(2)均可选用[4]。

本工程西山溪截洪渠护坡于2004年进行达标加固，结构形式为砌石基座埋深1m，基座以上为混凝土护坡。自2004年达标加固后至今又经多年运行，由于河道上游的水土流失及洗砂的泥浆也直接进入西山溪流域，致使西山溪截洪渠段目前平均淤积深度达1.0-1.5m，因此现状基座埋深约2-2.5m，而冲刷深度计算结果约为2m，现状护岸埋深基本满足规范要求。本工程根据护岸冲刷深度计算结果、中小河流治理生态景观要求及现状护岸稳定要求，采用复式断面清淤，河道两岸滩地(现状护岸往河中心)5m范围内只清除30cm表土，其余部分滩地与中部河槽清淤至设计底高程。

5 计算结果与现状西山溪截洪渠冲刷淤积对比分析

根据护岸的冲刷深度计算结果可知，西山溪截洪渠现状护岸基座冲刷深度约为2m，而在西山溪2004年进行达标加固整治后至今护坡基座没有被冲刷，反而平均淤积深度达1.0-1.5m。根据冲刷深度计算结果，结合西山溪截洪渠现状实际情况分析如下：

1)西山溪截洪渠上游瓷土等矿产资源丰富，多年来偷采、乱采现象严重，致使山体裸露，水土流失严重；近年来，由于河砂资源紧缺，流域内存在利用废矿和泥浆进行洗砂现象，洗砂的泥浆也直接进入西山溪流域，导致西山溪截洪渠含沙量十分大。

2)西山溪截洪渠河床宽度约为40m，由于上游渠首高美桥闸的控制，高美桥闸兼顾发电，枯水期蓄水发电，基本过流断面为6-8m主河槽，流速较小。局部小暴雨时期，水闸部分开启，仍兼顾发电功能，流速依然不大。大暴雨时期水闸全开泄水，但是暴雨持续时间较短，水流对西山溪截洪渠的冲刷持续时间较短，且水流含沙量大。

西山溪截洪渠长时间受高美桥闸控制，水流流速较慢，河道不断淤积；短时间进行开闸泄洪，水流流速较大，河道冲刷。《河道整治设计规范》与《堤防工程设计规范》中的冲刷深度计算公式是否适用此类河流工况仍不明确。

3)由于高美桥闸控制，西山溪截洪渠水流较小，导致在大部分时间内水流只在中部河槽流动，枯水期渠底两岸裸露，杂草丛生，到了洪水期两岸杂草等植物截留泥沙又影响行洪，周而复始，不断使河床淤积。

4)由于本工程为清淤项目，无新建渠道建筑物直接阻挡水流，根据冲刷分类在计算原有护岸冲刷深度时，无需计算局部冲刷。在此项目中只需计算河床自然演变冲刷及一般冲刷，而一般冲刷计算公式中，有些公式已经包括了由于河槽自然演变引起的冲刷，结合《河道整治设计规范》与《堤防工程设计规范》中冲刷深度的描述为顺坝及平顺护岸的冲刷深度计算，因此本工程及一般护岸整治工程在计算护岸的冲刷深度时，只需计算因缩窄河床而产生的一般冲刷深度。然而《河道整治设计规范》与《堤防工程设计规范》的顺坝及平顺护岸冲刷深度计算公式来源于渡槽的局部冲刷深度计算公式，根据冲刷的分类可知，一般冲刷与局部冲刷的成因不同，这种将桥渡的局部冲刷深度计算公式引用为河道护岸的一般冲刷深度计算公式是否合理。

6 结 语

根据西山溪截洪渠护岸的冲刷深度计算、结合现状河道的冲淤情况及运行条件，对同类型河道整治的冲刷深度计算有以下几点建议：

1)除《河道整治设计规范》与《堤防工程设计规范》中顺坝及平顺护岸冲刷深度计算公式外，还可考虑选用桥渡一般冲刷计算公式(64-1修正式、64-2简化式)及包尔达柯夫一般冲刷公式等进行计算。

2)河床冲刷是个很复杂的过程，而且每条河流的运行情况也不完全相同，因此需要根据实际情况具体，选取相适应的冲刷深度计算公式，率定有关参数。

3)由于河道护岸整治岸线很长，护岸构筑物埋深对工程的投资影响非常大，因此在此类护岸冲刷深度计算结果与河道多年实际冲淤情况有很大出入的河流，可根据河道实际冲淤情况确定渠底高程。

4)为适应中小河流不同时段流量差异较大的特点，河道清淤应尽可能采用复式断面。

5)工程实施后加强对冲刷深度的测定工程，分析实际测量数据与理论计算结果，为工程积累设计经验。