□孫華云　□馮紹好（江西省水利水電建設(shè)有限公司）

夢(mèng)山水庫(kù)順壩沖刷深度的計(jì)算與修正

□孫華云□馮紹好（江西省水利水電建設(shè)有限公司）

順壩沖刷深度是夢(mèng)山水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)之一，文章從工程實(shí)際出發(fā)，首先進(jìn)行了順壩沖刷深度的計(jì)算，分析了影響沖刷深度的因素，包括河道流量、水深、流速、泥沙粒徑、泥沙級(jí)配、透水樁壩的設(shè)計(jì)、樁柱所承受的土壓力及動(dòng)水壓力、沖擊偏角等，最后在綜合考慮各因素的基礎(chǔ)上對(duì)該工程順壩沖刷深度進(jìn)行了修正。

順壩；沖刷深度；計(jì)算

1　工程概況

夢(mèng)山水庫(kù)位于新建縣西南部石埠鄉(xiāng)境內(nèi)的夢(mèng)山腳下，地處贛江下游西岸，屬贛江流域錦河支流潘源港水系，距新建縣城25 km，庫(kù)區(qū)距320國(guó)道約8 km，并有水泥公路直通壩區(qū)，交通尚屬便利。

夢(mèng)山水庫(kù)壩址以上控制流域面積14 km2，正常蓄水位68.20m(黃海高程，下同)，相應(yīng)庫(kù)容820.40×104m3，設(shè)計(jì)洪水位(P=2%)69.43m，工程區(qū)為沖積盆地，呈狹長(zhǎng)條帶狀，四周低山丘陵環(huán)抱，山體近東西走向，地勢(shì)西北高，東南低，山體較雄厚，河谷較寬闊，兩岸地形較平緩，且較穩(wěn)定，屬“U”型河谷，下游河床地面高程54～64m。壩址區(qū)地下水主要為第四系中更新統(tǒng)層孔隙性潛水及基巖裂隙性潛水，接受大氣降水補(bǔ)給排泄于溝谷、河床。根據(jù)水化分析成果，庫(kù)水對(duì)混凝土具中等溶出性腐蝕，地下水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕。

2　順壩沖刷深度計(jì)算

2.1順?biāo)鞣较蝽槈螞_刷深度

河道單向流（順?biāo)鳎﹥H會(huì)在迎水面一側(cè)引起沖刷坑，而潮流則會(huì)在迎水面兩端均引起沖刷坑，結(jié)合本工程實(shí)際，僅考慮第一種情況。河道水流平行于堤岸時(shí)水流軸線與順壩的夾角取α＝90°，夢(mèng)山水庫(kù)壩址以上控制流域槽斷面由灘地及河槽組成，在進(jìn)行防洪堤設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行分析，力求計(jì)算值與現(xiàn)狀流態(tài)相近，本工程河道的水力計(jì)算采取《河流泥沙工程學(xué)》中的設(shè)計(jì)洪水流量計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

由于此段夢(mèng)山水庫(kù)壩址以上控制流域由一側(cè)灘地和河槽組成，而灘地和河槽的糙率流速均不相同，故應(yīng)把斷面分成兩部分計(jì)算，使兩部分面積之和與原河道斷面面積相等，根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》，當(dāng)最大沖刷深度在5m以內(nèi)時(shí)，順壩的安全深度≥2m，在此取安全深度為2m，則順壩的基礎(chǔ)下深＝2.00-1.90+2.00＝2.10m。

2.2水流斜沖順壩產(chǎn)生的沖刷

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在頂沖段河床以下最大沖深計(jì)算值為3.23m；2012年9月8日，洪水（300m3/s）過(guò)后實(shí)測(cè)河道頂沖處沖坑底距河床2.20m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抗洪搶險(xiǎn)工作人員介紹，洪水期沖坑較實(shí)測(cè)值大，因此防洪堤基礎(chǔ)下深在頂沖段河床下深4m，在非頂沖段河床下深3m。即在3+250～3+800，4+550～5+150，5+900～6+850段，即頂沖段下深4m，在3+800～4+550，5+150～5+900段下深3m。

3　影響沖刷深度因素的綜合分析

3.1水流因素（水深、流速、流量）、泥沙粒徑對(duì)沖刷的影響

在假設(shè)其他因素不變的情況下，最大沖刷深度與水深之間呈正向變動(dòng)的關(guān)系，即隨著水深增大，沖刷深度不斷增大，如遇凹岸或與凹岸河堤頂面標(biāo)高相等地勢(shì)時(shí)，這種沖刷深度繼續(xù)增大的趨勢(shì)逐漸減緩，而后保持在一穩(wěn)定范圍內(nèi)。

水流流速即為水流進(jìn)入河道時(shí)的平均流速，隨著水流流速逐漸增加達(dá)到河床面泥沙起沖流速時(shí)，河床便會(huì)出現(xiàn)局部沖刷坑，而后隨著水流流速增大，沖刷坑深度也會(huì)增大；而當(dāng)水流流速超過(guò)河床面泥沙起沖流速時(shí)，大量起沖泥沙對(duì)沖刷坑會(huì)產(chǎn)生一定的填補(bǔ)作用，反而使沖刷深度隨水流流速增加而減緩。所以不考慮其他因素的情況下，水流流速與沖刷深度之間呈倒“U”型關(guān)系。

河道水流對(duì)沖刷的影響過(guò)程與程度還受到?jīng)_刷坑內(nèi)輸沙量及泥沙粒徑等的影響，如果流速過(guò)快時(shí)間過(guò)短，則會(huì)導(dǎo)致有效輸沙量迅速減少，進(jìn)而延長(zhǎng)了沖刷過(guò)程，增大了沖刷影響程度。本工程中可以在臨水一側(cè)的邊坡修建如丁壩、橋臺(tái)、防沖樁等防沖構(gòu)造物，以減少河流的直接沖刷，降低沖刷深度。

工程為非粘性土河床，泥沙粒徑對(duì)沖刷深度有明顯影響，泥沙粒徑越小，則沖刷阻力越小，達(dá)到穩(wěn)定沖刷深度的時(shí)間越短，當(dāng)泥沙粒徑增大時(shí)，沖刷流速也增加，沖刷深度減小。最大沖刷坑深度的計(jì)算對(duì)于泥沙粒徑變化反應(yīng)敏感，故而本工程中河道的泥沙粒徑范圍應(yīng)根據(jù)河段情況慎重對(duì)待。

3.2潰口寬度對(duì)沖刷的影響

為了更好的將不同潰口寬度的沖刷結(jié)果進(jìn)行比較，以便找出沖刷坑深度與潰口寬度之間的關(guān)系，將不同潰口寬度所對(duì)應(yīng)的最大沖刷坑深度及最深點(diǎn)的位置制成數(shù)據(jù)表格記錄便于進(jìn)行比較分析。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在水位相同情況下，沖刷坑深度與潰口寬度之間呈正向變動(dòng)關(guān)系，即潰口寬度增加了，沖刷坑的深度也隨之增加，而沖刷坑最深點(diǎn)離潰口的距離也隨之增加。也可以將上述變動(dòng)描繪在“沖深隨時(shí)間發(fā)展過(guò)程圖”中，從圖中可以很明顯的看出，沖刷坑在平面上呈現(xiàn)橢圓形形狀，其上游邊坡較為陡峭，且沖刷距離與沖深之間始終保持線性關(guān)系，隨著時(shí)間的推移，沖刷坑的沖刷率先增加，而后減少，最終趨于零。

3.3不同偏角對(duì)沖刷的影響

在此筆者結(jié)合透水樁壩長(zhǎng)寬比計(jì)算，分析了不同水流沖擊角對(duì)本工程透水樁壩局部沖刷深度的影響程度。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)水流沖擊角為0°時(shí)，不同沖擊角對(duì)本工程透水樁壩局部沖刷深度的影響并無(wú)明顯變化，隨著沖擊角度的增加，水流對(duì)沖刷深度的影響也在增大，當(dāng)沖擊角達(dá)到90°時(shí)，沖刷深度比最初沖擊角為0°透水樁壩長(zhǎng)寬比1時(shí)增加31.60%。所以要想降低不同水流沖擊角對(duì)本工程透水樁壩局部沖刷深度的影響程度，必須綜合考慮沖擊角與透水樁壩長(zhǎng)寬比兩個(gè)因素。

3.4時(shí)間對(duì)沖刷程度的影響

時(shí)間對(duì)沖刷坑深度及沖刷程度的影響也較大，根據(jù)實(shí)驗(yàn)及相關(guān)分析，時(shí)間與沖刷坑深度之間存在一條關(guān)系曲線：在清水情況下，隨時(shí)間發(fā)展沖刷坑深度（或沖刷程度）逐漸趨于平衡狀態(tài)，而在動(dòng)床沖刷情況下，隨時(shí)間的發(fā)展沖刷坑深度（或沖刷程度）起初迅速增大，直到平衡深度（或沖刷程度）出現(xiàn)，才逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

4　修正的順?biāo)鞣较蝽槈螞_刷深度

常遇洪水流量計(jì)算公式不變，并綜合考慮上述影響因素進(jìn)行計(jì)算。修正的順?biāo)鞣较蝽槈螞_刷深度為：順壩的基礎(chǔ)下深＝1.88-1.70+2.00＝2.18m。

5　結(jié)語(yǔ)

總之，影響沖刷坑深度的因素頗多，除了河道流量、水深、流速、泥沙粒徑、泥沙級(jí)配之外，還有透水樁壩的設(shè)計(jì)、樁柱所承受的土壓力及動(dòng)水壓力、沖擊偏角等因素。但是關(guān)于沖刷坑的形成和發(fā)展與流場(chǎng)水力特性之間的關(guān)系等內(nèi)容在理論研究方面仍然屬于空白，鑒于各種原因以及筆者研究領(lǐng)域所限，在此不再贅述，但是為了得到較為完備的多因素沖刷坑深度計(jì)算公式來(lái)估算水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程順壩沖刷深度，必須將大量實(shí)測(cè)資料考慮進(jìn)去建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行多組次小尺度水槽試驗(yàn)，這也是一直以來(lái)很多學(xué)者較為熱衷的方法。

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1673-8853（2016）08-0062-02

2016-05-21

（責(zé)任編輯：左英勇）

孫華云（1986-），男，工程師，主要從事水利施工工作。