司鵬飛　牛小靜　余錫平

摘要：河道采砂會(huì)對(duì)附近跨/穿河建筑物的安全造成較大影響。針對(duì)實(shí)際工程中跨/穿河建筑物周邊采砂安全距離的確定問題，搜集整理了國(guó)內(nèi)外對(duì)于結(jié)構(gòu)物附近采砂活動(dòng)的相關(guān)規(guī)范，對(duì)采砂坑遷移及其對(duì)河床影響進(jìn)行了系統(tǒng)地分析和綜述，并結(jié)合前人的相關(guān)理論研究及物理實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，提出了計(jì)算跨/穿河建筑物上游安全采砂距離的公式。該公式可根據(jù)水流、泥沙及采沙坑尺寸等特征參數(shù)估算采砂坑的遷移影響范圍，進(jìn)而根據(jù)實(shí)際工程情況確定跨/穿河建筑物周邊的安全采砂范圍。該公式與現(xiàn)有的實(shí)際河道采砂坑遷移觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果良好。最后，利用該公式對(duì)安陽河河段的倒虹吸工程上游河道采砂安全距離進(jìn)行了實(shí)例分析，為規(guī)范工程所在河流上的采砂行為提供參考。

關(guān)鍵詞：跨/穿河建筑物；采砂；沖刷；遷移規(guī)律；安全距離

中圖分類號(hào)：TV8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）02-0143-06

南水北調(diào)中線工程途經(jīng)長(zhǎng)江、淮河、黃河、海河四大流域，與多條河流存在交叉，沿線有眾多跨（穿）河建筑物。跨/穿河建筑物附近的河道采砂嚴(yán)重影響建筑物的穩(wěn)定性，進(jìn)一步可能危害整個(gè)輸水工程的安全。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，南水北調(diào)中線某倒虹吸工程河段，由于過度采砂原本平坦開闊的天然河道，已經(jīng)形成連續(xù)的大坑，最大深度可達(dá)7 m并且局部岸坡塌陷嚴(yán)重，距離倒虹吸管身段最近不足50m。濫采亂挖形成的采砂坑影響河流水沙動(dòng)力特征，危害臨近建筑物安全。而采沙坑在河道水沙動(dòng)力作用下遷移演變，這使得即使其與跨/穿河建筑物相距一段距離也可能形成安全隱患。采砂活動(dòng)對(duì)跨，穿河建筑物的沖刷影響已經(jīng)引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，但大多數(shù)研究集中于采用數(shù)值模型或物理實(shí)驗(yàn)針對(duì)理想問題或者特定河道研究已有采砂坑對(duì)河床形態(tài)、泥沙輸運(yùn)的改變以及采砂對(duì)橋墩的沖刷影響。對(duì)于距離多遠(yuǎn)范圍內(nèi)的采砂坑會(huì)對(duì)跨，穿河建筑物造成顯著影響，并沒有太多研究報(bào)道。本文收集整理了國(guó)內(nèi)外對(duì)于結(jié)構(gòu)物附近采砂活動(dòng)的規(guī)范要求，并通過對(duì)采砂坑附近流動(dòng)形態(tài)以及采砂坑的遷移特征的調(diào)研分析，基于前人對(duì)采砂坑遷移及其對(duì)河床影響的相關(guān)理論研究及物理實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，提出了估算跨，穿河建筑物上游安全采砂距離的經(jīng)驗(yàn)公式，可為管理和規(guī)范交叉河流采砂提供參考。

1目前國(guó)內(nèi)外采砂相關(guān)規(guī)范要求

砂石作為重要的建筑材料，需求量巨大，國(guó)內(nèi)外河道采砂的情況均很普遍，但目前缺乏有關(guān)跨/穿河建筑物附近采砂安全距離的具體規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算方法。在國(guó)內(nèi)外關(guān)于河道采砂的現(xiàn)有相關(guān)文件中，對(duì)跨/穿河建筑物周邊的采砂行為常是原則性的規(guī)定。部分文件中規(guī)定了安全距離的數(shù)值，也各不相同，有時(shí)相差1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。國(guó)內(nèi)外各地對(duì)于安全采砂的規(guī)范要求詳見表1，可以看出國(guó)內(nèi)外對(duì)于采砂安全距離并沒有明確的計(jì)算公式，只是宏觀地給出了粗略的標(biāo)準(zhǔn)。因此，根據(jù)不同河道的具體情況給出相應(yīng)跨/穿河建筑物安全采砂距離的計(jì)算公式，對(duì)保障實(shí)際工程中跨/穿河建筑物的安全具有重要意義，是亟待解決的問題。

2采砂坑對(duì)河道的影響及遷移特征

由于水流、泥沙及不斷變化的采砂坑邊界的相互作用，河道中采砂坑附近的流場(chǎng)會(huì)呈現(xiàn)較復(fù)雜的流態(tài)，進(jìn)而對(duì)河床形態(tài)產(chǎn)生一系列的影響。本文考慮簡(jiǎn)化的矩形采砂坑情況，參照代爾夫特水力研究所（DHL）的采砂坑實(shí)驗(yàn)設(shè)置，首先通過三維數(shù)值模擬對(duì)采砂坑周圍的流場(chǎng)進(jìn)行了分析，具體的參數(shù)設(shè)置見表2。由圖1（a）、（b）采砂坑所在縱斷面模擬結(jié)果可知，當(dāng)水流流經(jīng)采砂坑區(qū)域，流動(dòng)會(huì)發(fā)生分離，采砂坑上下游緣口處的流速均會(huì)增加，坑內(nèi)緣口附近會(huì)形成回流，特別是當(dāng)局部水流處于急流狀態(tài)（即弗勞德數(shù)Fr>1）時(shí)，采砂坑所在斷面會(huì)產(chǎn)生明顯的壅水現(xiàn)象。由圖1（c）、（d）采砂坑所在橫斷面模擬結(jié)果可知，采砂坑內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一定強(qiáng)度的橫向次生流，沿兩岸邊坡也觀察到微弱的橫向流，同時(shí)采砂坑的存在也會(huì)對(duì)所在斷面的平面流場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響，模擬得到的現(xiàn)象符合前人的實(shí)測(cè)資料以及物理模型中的相關(guān)結(jié)論。由于河床上有了采沙坑的影響，下游緣口水面會(huì)向下跌落呈彎曲狀，水流運(yùn)動(dòng)明顯加速，水流的挾沙能力會(huì)有顯著提高，沖刷能力加強(qiáng)。實(shí)際中采砂坑的存在會(huì)引發(fā)河床的自動(dòng)調(diào)整，即沖刷河床的突出部位而回淤低洼處，在此過程中采沙坑斷面不斷展寬、范圍不斷擴(kuò)大。這一調(diào)整過程在洪水的作用下會(huì)明顯加快，造成采沙坑發(fā)生陜速、大范圍的遷移運(yùn)動(dòng)，可能危及堤岸及跨/穿河建筑物的安全。

根據(jù)河道的水流條件和采砂坑的幾何形態(tài)等不同要素，采砂坑會(huì)沿河道向上、下游遷移。在采砂坑遷移的過程中，一方面由于采砂坑所在位置水流斷面較大，流速較小，所以來自上游的推移質(zhì)和懸移質(zhì)泥沙會(huì)在此沉積，使采砂坑趨于消失；另一方面由于河道各處挾沙力的調(diào)整，因此會(huì)使采砂坑下游邊坡發(fā)生沖刷，進(jìn)一步促進(jìn)了采砂坑的遷移。根據(jù)以往的物理實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，河道中采砂坑的變形和遷移一般可以分為兩個(gè)階段，從采砂坑開始變形遷移開始，到采砂坑的上邊緣遷移到初始采砂坑的下邊緣為第一階段，這一階段主要受對(duì)流作用控制，沙坑最大深度基本保持不變，如圖2（a）所示；從第一階段結(jié)束開始到采砂坑最后的遷移消失為第二階段，這一階段主要受擴(kuò)散作用控制，采砂坑的深度會(huì)隨著遷移過程中泥沙的不斷淤積而逐漸變小，見圖2（b）。

采砂坑的遷移會(huì)受到水流條件和采砂坑性質(zhì)等眾多因素的影響。假設(shè)采砂坑為標(biāo)準(zhǔn)矩形采砂坑，則采砂坑的幾何形態(tài)參數(shù)包括寬度（W）、長(zhǎng)度（L）和深度（H）；考慮順直河道的情7兄水力要素包括水深（h）、上游摩阻流速（u*）；另外還包括泥沙的屬性參數(shù)，如泥沙的密度（ρ_s）、中值粒徑（D50）。另外水流的粘性、河道縱向坡度也會(huì)影響采砂坑的遷移過程。相關(guān)研究結(jié)果表明采砂坑在對(duì)流階段和擴(kuò)散階段的遷移速度都可以近似為常數(shù)，采砂坑的最大沖刷深度隨水流挾沙力的增加而減小，有效遷移長(zhǎng)度隨水流挾沙力的增加而增加。

3跨/穿河建筑物上游安全采砂距離的確定

3.1安全采砂距離的經(jīng)驗(yàn)公式與驗(yàn)證

目前在跨/穿河建筑物的設(shè)計(jì)規(guī)范中，并沒有考慮采砂對(duì)跨，穿河建筑物的沖刷影響，因此為保證跨/穿河建筑物的穩(wěn)定性安全，要確保采砂坑的運(yùn)移不會(huì)影響到跨/穿河建筑物所在斷面，即采砂坑的存在只改變跨/穿河建筑物斷面的泥沙來量條件，水位及相應(yīng)的水力要素（如流速、挾沙力等）認(rèn)為基本不變。這種情況下便能滿足跨/穿河建筑物相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中的前提條件，使得跨/穿河建筑物不會(huì)因采砂坑的存在而過度沖刷。通常認(rèn)為當(dāng)采砂坑的深度小于當(dāng)?shù)厮畹?%時(shí)，即可忽略采砂坑對(duì)該斷面河床的沖刷影響，見圖2（b），即滿足H_d<0 01h，此時(shí)采砂坑遷移所經(jīng)歷的總時(shí)間為T_e。目前對(duì)于采砂坑遷移普遍規(guī)律的定量研究十分匱乏，最具應(yīng)用價(jià)值的工作是Lee在1993年、1995年分別針對(duì)均勻沙和非均勻沙河床的采砂坑遷移進(jìn)行了一系列物理實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了采砂坑的遷移速度、最大沖刷深度和對(duì)流階段遷移距離等與水力因素、采砂坑基本參數(shù)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，各無量綱化之后的特征參數(shù)適用范圍見表3。

采砂坑的遷移發(fā)展（包括最大深度、遷移距離）主要受水力、泥沙、采砂坑尺寸這幾方面因素共同影響。對(duì)于采砂坑遷移這樣一個(gè)比較復(fù)雜的現(xiàn)象，由于眾多影響參數(shù)都具有較大的不確定性，因此目前較多研究采用量綱分析的方法來分析解釋采砂坑的遷移規(guī)律，具體的理論推導(dǎo)詳見Lee等人的采砂坑遷移實(shí)驗(yàn)。通常河床的最大沖刷深度出現(xiàn)在采砂坑對(duì)流遷移階段結(jié)束時(shí)，即采砂坑的上邊緣遷移到初始采砂坑的下邊緣，基于Lee對(duì)采砂坑遷移的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，無量綱化之后的采砂坑最大沖刷深度可表示為：

（1）

（2）

（3）

（4）

本文綜合Lee對(duì)各研究變量的擬合經(jīng)驗(yàn)公式，提出對(duì)于跨/穿河建筑物上游的采砂安全距離L_s的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

（5）

針對(duì)得出的安全采砂距離公式，本文采用Ney-shabouri的實(shí)地觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單地驗(yàn)證。觀測(cè)河道位于伊朗西北部，采砂坑長(zhǎng)1.2 m，寬2 m，深1.2 m，當(dāng)?shù)厮?.6 m，流速2 m/s，相關(guān)參數(shù)設(shè)置、計(jì)算結(jié)果以及觀測(cè)到的實(shí)際數(shù)據(jù)詳見表4。由于觀測(cè)期較短，并沒有觀測(cè)到采砂坑的整個(gè)遷移過程（即H_d=0.01h），所以計(jì)算得到的采砂坑遷移距離大于觀測(cè)值（21 d），通過對(duì)比可知，由式（5）所得的采砂坑遷移時(shí)間和遷移距離估算結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)值相比還是可以接受的。這在一定程度上反映了該計(jì)算公式在實(shí)際河流中應(yīng)用的可行性。

3.2實(shí)際工程安全采砂距離計(jì)算分析

根據(jù)表5的計(jì)算結(jié)果，可以初步得知安陽河段的水力特征參數(shù)及一般采砂坑幾何參數(shù)基本處于經(jīng)驗(yàn)公式（5）的涵蓋范圍內(nèi)，由于不同水流條件和采砂坑幾何尺寸設(shè)置，采用經(jīng)驗(yàn)公式（5）計(jì)算所得的安陽河段采砂安全距離范圍為282.9～2 821.4 m，基本符合現(xiàn)行采砂實(shí)踐中的一般要求，因此式（5）作為工程實(shí)踐中安全采砂距離確定的經(jīng)驗(yàn)公式是具有一定指導(dǎo)參考價(jià)值的。從計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析可知，當(dāng)水流條件一定時(shí)，采砂坑長(zhǎng)度是決定遷移距離的關(guān)鍵因素，坑長(zhǎng)的增加會(huì)較大程度地增加采砂坑的遷移速度和遷移時(shí)間，加大采砂坑的影響范圍；而采砂坑的初始深度對(duì)采砂坑沿河道縱向的遷移距離影響較小，但由公式（2）可知，采砂坑遷移過程中的最大深度會(huì)隨初始深度的增加而增加，因此會(huì)對(duì)河道兩岸的穩(wěn)定性造成較大影響，這也是在現(xiàn)行采砂工程中限制采砂深度的主要原因。當(dāng)保持采砂坑尺寸不變時(shí)，采砂坑的遷移影響范圍主要由摩阻流速與當(dāng)?shù)厮罟餐瑳Q定，當(dāng)采砂坑周圍水流的摩阻流速確定的情況下，水深的增加會(huì)減小采砂坑的影響范圍，有利于跨/穿河建筑物的安全穩(wěn)定性。但在實(shí)際河流中，當(dāng)?shù)厮钆c摩阻流速之間相互影響，水深的增加有利于抑制采砂坑的遷移，而摩阻流速的增加又會(huì)加速采砂坑的遷移過程，加大遷移影響范圍。因此本文分別針對(duì)安陽河倒虹吸交叉河段不同重現(xiàn)期流量情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明流量越大，即水深和摩阻流速共同增加的情況下，采砂坑的遷移范圍會(huì)隨之增加，安全采砂距離也會(huì)相應(yīng)增大。

4結(jié)論

本文綜述了采砂坑對(duì)河道的影響、采砂坑的遷移特征以及跨，穿河建筑物上游安全采砂距離的研究現(xiàn)狀，基于前人對(duì)采砂坑遷移及其對(duì)河床影響的相關(guān)理論研究及物理實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，針對(duì)工程中跨/穿河建筑物周邊采砂規(guī)范的實(shí)際問題，提出了計(jì)算跨/穿河建筑物上游安全采砂距離的經(jīng)驗(yàn)公式，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。針對(duì)實(shí)際河段的水流、泥沙條件及采砂坑的具體布置情況，可通過公式計(jì)算得到采砂坑的影響范圍，進(jìn)而根據(jù)實(shí)際工程情況確定跨，穿河建筑物周邊的安全采砂范圍。本文提出的經(jīng)驗(yàn)公式有利于指導(dǎo)采砂工程的有序規(guī)范進(jìn)行，以保障跨/穿河建筑物的安全穩(wěn)定性。