張 永

（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 新疆 烏魯木齊 830002）

1 工程概況

本次沖刷深度的討論結(jié)合本人設(shè)計(jì)的云南省南汀河云縣幸福段防洪工程來(lái)展開(kāi)。南汀河流域位于云南省西南部，流域地處云貴高原西部的邊緣，橫斷山脈南延段，整個(gè)流域地勢(shì)呈北東向西南方向傾斜。云縣幸福鎮(zhèn)屬中切割中山寬谷區(qū)，為河流沖積侵蝕型河谷。堤基位于河漫灘，是粗砂層，表層細(xì)顆粒含量較高，堤基承載力較低。工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，防洪堤的級(jí)別為5級(jí)。其斷面結(jié)構(gòu)為：堤頂寬度3.0 m，前后堤坡坡比均為1∶2；迎水坡2年一遇洪水位以下采用格賓石籠擋墻護(hù)腳，護(hù)腳格賓擋墻高2.0 m～5.0 m；臨水側(cè)護(hù)坡采用30cm雷諾墊層護(hù)坡，背水側(cè)護(hù)坡采用植草護(hù)坡。

2 防洪堤沖刷深度計(jì)算

2.1 按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）推薦公式計(jì)算

規(guī)范推薦公式如下：

式中，hs——局部沖刷深度，m；

Ho——沖刷處的水深，m；

Ucp——近岸垂線(xiàn)平均流速，m/s；

n——與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=1/4；

η——水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡坡交角查規(guī)范表D.2.2采用；

U——行進(jìn)流速，m/s；

d50——床沙的中值粒徑，m，取0.024；

γs、γ—泥沙與水的容重，k N/m 3，分別取值為19、10。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》公式?jīng)_刷深度計(jì)算結(jié)果表

2.2 按《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50707-2011）推薦公式計(jì)算

該公式對(duì)沖刷深度計(jì)算分水流平行于防護(hù)工程和水流斜沖防護(hù)工程兩種情況分別計(jì)算。

2.2.1 水流平行于防護(hù)工程產(chǎn)生的沖刷深度計(jì)算

公式如下：

式中，△hB——局部沖刷深度，m；

hp——沖刷處沖刷前的水深，m；

Vcp——平均流速，m/s；

V允——河床面上允許不沖流速，m/s；

n——與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=1/4。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》公式平?jīng)_沖刷深度計(jì)算結(jié)果表

2.2.2 水流斜沖防護(hù)工程產(chǎn)生的沖刷深度計(jì)算公式如下：

式中，△hp——從河底算起的局部沖刷深度，m；

α——水流流向與岸坡坡交角，30°；

m——防護(hù)建筑物迎水面邊坡系數(shù)，2；

d15——坡腳處土壤計(jì)算粒徑，m，0.05；

Vj—水流的局部沖刷流速，m/s，按有無(wú)灘地河床分別進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》公式斜沖沖刷深度計(jì)算結(jié)果表

3 沖刷深度計(jì)算分析

（1）從公式形式來(lái)看，《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》仍沿用舊版的《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-98），沖刷深度計(jì)算分水流平行于防護(hù)工程和水流斜沖防護(hù)工程兩種情況進(jìn)行計(jì)算。而新版的《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）則采用一個(gè)公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算，但從其實(shí)際計(jì)算過(guò)程的取值來(lái)看，該公式實(shí)際上是將平?jīng)_和斜沖兩種情況統(tǒng)一考慮，計(jì)算過(guò)程更為簡(jiǎn)單明了。

（2）從計(jì)算過(guò)程取值來(lái)看，部分取值實(shí)際操作較困難。

①《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)水流的局部沖刷流速Vj的計(jì)算，該規(guī)范對(duì)Vj的計(jì)算分為有無(wú)灘地的兩情況。對(duì)于灘地界限的劃分本身就比較難確定，而對(duì)于很多游蕩搖擺性的河流，灘地又可能會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化。而這些都將影響沖刷深度計(jì)算結(jié)果與實(shí)際是否相符。

②對(duì)于沖刷深度起算位置的確定，在《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》中，當(dāng)計(jì)算斜沖時(shí)，明確是從河底算起的局部沖刷深度；而當(dāng)計(jì)算平?jīng)_時(shí)，則僅寫(xiě)為局部沖刷深度，從何處算起并沒(méi)有說(shuō)明?！兜谭拦こ淘O(shè)計(jì)規(guī)范》也僅寫(xiě)為局部沖刷深度，沒(méi)有明確。本人目前計(jì)算時(shí)均將其視為從河底算起的局部沖刷深度。

③規(guī)范上計(jì)算沖刷深度時(shí)采用現(xiàn)狀河床面上堤腳處的泥沙粒徑和允許不沖流速或起動(dòng)流速，而實(shí)際操作中，大部分是將原堤腳開(kāi)挖料再回填至堤腳，對(duì)于沖刷深度較大，堤腳基礎(chǔ)下得較深，而河床地層巖性又存在分層的情況，則很可能導(dǎo)致河床面上的粒徑、允許不沖流速和起動(dòng)流速發(fā)生了較大變化，從而使原計(jì)算的沖刷深度與實(shí)際不符。是否需對(duì)新回填的堤腳土的沖刷深度重新計(jì)算，如果小于原設(shè)計(jì)的沖刷深度尚可，但若大于原設(shè)計(jì)的沖刷深度該如何處理。

（3）從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》沖刷深度計(jì)算值要大于《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》。

①《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》的水流平行于防護(hù)工程的沖刷深度計(jì)算結(jié)果比《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果稍大。究其原因，《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》采用的是平均流速與河床面上允許不沖流速的比值，《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》采用的是平均流速與泥沙起動(dòng)流速的比值。允許不沖流速是指使河床泥沙不被水流沖刷破壞的最大斷面平均流速，主要與河床泥沙和水流的含沙量有關(guān)。對(duì)清水水流可直接從第二版的《水力計(jì)算手冊(cè)》上查詢(xún)，對(duì)挾沙水流該手冊(cè)上推薦了根據(jù)我國(guó)部分渠道實(shí)測(cè)資料總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)公式。泥沙起動(dòng)流速是指靜止于河床表面的泥沙顆粒，當(dāng)水流強(qiáng)度逐漸增加大某一臨界值時(shí)，泥沙顆粒就會(huì)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的水流強(qiáng)度即為泥沙起動(dòng)流速。天然河流中泥沙顆粒的形狀、大小不同，與其他顆粒的相對(duì)位置都是隨機(jī)的，另外，在天然河流中，水流都具有脈動(dòng)的性質(zhì)，即作用在某一指定位置上顆粒的力也完全是隨機(jī)的，因此床面上某一指定位置的泥沙顆粒的起動(dòng)具有雙重的隨機(jī)性。起動(dòng)流速公式其實(shí)質(zhì)就是相對(duì)某一起動(dòng)概率下的起動(dòng)流速。對(duì)于兩本規(guī)范分別采用河床面上允許不沖流速和泥沙起動(dòng)流速來(lái)進(jìn)行沖刷深度的計(jì)算到底哪一個(gè)更符合實(shí)際，由于本人水平有限，目前不敢輕易下結(jié)論，有待實(shí)踐進(jìn)一步驗(yàn)證。

②《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》水流斜沖防護(hù)工程的沖刷深度計(jì)算結(jié)果則明顯大于《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算結(jié)果。產(chǎn)生較大差異的原因，筆者認(rèn)為，水流斜沖防護(hù)工程沖刷深度計(jì)算公式中，當(dāng)河床坡腳處粒徑較小時(shí)，斜沖沖刷深度計(jì)算結(jié)果幾乎只與水流流向與岸坡的夾角和水流流速有關(guān)，而基本與河床地質(zhì)情況無(wú)關(guān)，忽視了河床本身抵抗沖刷的能力，導(dǎo)致其計(jì)算結(jié)果明顯大于《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果。但從本工程附近已實(shí)施的防洪堤實(shí)際調(diào)查情況來(lái)看，《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際。

4 結(jié)語(yǔ)

沖刷深度計(jì)算是個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，不能簡(jiǎn)單地套公式進(jìn)行計(jì)算，要結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，對(duì)已發(fā)生的沖刷水毀情況要進(jìn)行調(diào)查，不能對(duì)整個(gè)工程沖刷深度的確定搞一刀切。就現(xiàn)行規(guī)范中某些參數(shù)的取值以及包括推薦的兩種計(jì)算公式究竟取哪一種，目前也沒(méi)有明確的說(shuō)法，筆者認(rèn)為，考慮現(xiàn)在氣候異常，在用兩種公式計(jì)算的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際，在滿(mǎn)足規(guī)范的前提下取大值以利安全。

［1］《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50707-2011）[S].

［2］《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）[S].

［3］王興奎等，河流動(dòng)力學(xué)[M]，北京：科學(xué)出版社，2004.

［4］李煒等，水力計(jì)算手冊(cè)[M]，北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.