曾 強(qiáng)

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

河道沖刷作用是影響河道岸坡穩(wěn)定性的主要因素。目前，已經(jīng)有較多的專家學(xué)者對河道岸坡沖刷機(jī)理進(jìn)行了相對深入的研究。王浩等考慮單洪峰過程對河道岸坡沖刷量的影響，建立了不同河道形態(tài)河道沖刷量公式；董炳江等認(rèn)為影響三峽水庫下游河道沖刷的主要因素為洪水時(shí)長和泥沙含量；岳志春等以水力學(xué)、泥沙動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，認(rèn)為流量大小是影響河道沖淤的主要因素；王蕊結(jié)合河道沖刷二維數(shù)學(xué)模型對河道沖刷物理模型試驗(yàn)進(jìn)行分析，認(rèn)為河道中部沖刷深度大于兩側(cè)；王功成等結(jié)合府谷縣皇甫川堤防工程，對沖刷及滲流穩(wěn)定性進(jìn)行分析，研究了不同斷面的沖刷結(jié)果。水流在行進(jìn)過程中會對岸坡產(chǎn)生直接的沖刷影響，同時(shí)河水入滲對岸坡穩(wěn)定性的影響也不容忽視。因此，在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，對河道二元結(jié)構(gòu)岸坡在不同水位、水流流速以及含沙量等條件下的橫向沖刷進(jìn)行研究。

1 工程概況

葉爾羌河是新疆一條重要的河流，每年都會發(fā)洪水，且洪水含沙量較高，對河道產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的沖刷，嚴(yán)重威脅到兩岸居民的正常生產(chǎn)生活。以葉爾羌河某段治理工程為例，對該段河道沖刷進(jìn)行分析。

2 岸坡沖刷計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

當(dāng)近岸水流流速大于河道岸坡砂土層的啟動(dòng)流速時(shí)，該土層將會被不斷侵蝕沖刷，直至掏空。當(dāng)河水?dāng)y帶較多泥沙時(shí)，需要考慮泥沙淤積對岸坡形態(tài)的影響。假冬冬等在2011年提出河道沖刷計(jì)算公式，該公式計(jì)算參數(shù)的獲取較為簡單，且可以考慮泥沙淤積的影響，計(jì)算公式如下：

(1)

式中，ωb—河道水平?jīng)_刷速率；u—近岸水流流速；uc—泥沙啟動(dòng)流速；ρb—岸坡土體密度；λ—系數(shù)；γ，γb分別為水、河岸泥沙的重度；ωs—泥沙沉降速率；β—水位以下岸坡坡角。

由式(1)可知，有較多的因素影響河道的沖刷結(jié)果，如岸坡土體密度、岸坡坡度、泥沙啟動(dòng)流速、水流流速、含沙量等。

2.2 參數(shù)獲取

2.2.1葉爾羌河治理段流量和含沙量

根據(jù)喀群站55年月、年實(shí)測徑流系列，其年內(nèi)分配統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。葉爾羌河屬典型冰川補(bǔ)給河流，因此年內(nèi)分配極不均勻，從表1中可以看出，喀群站徑流量主要集中在6—9月，且占全年徑流的79.0%，而最小三個(gè)月徑流量只占年徑流量的5.9%以下。各月徑流量占全年徑流量百分比如圖1所示。

表1 喀群站徑流量年內(nèi)分配表

表2 喀群站多年平均懸移質(zhì)含沙量、輸沙量年內(nèi)分配表

圖1 喀群站年徑流量月分配柱狀圖

根據(jù)喀群站55年徑流統(tǒng)計(jì)資料，多年平均年徑流量為66.14×108m3，年徑流量變差系數(shù)為0.19。最大年徑流量為95.53×108m3(1994年)，最小年徑流量為44.68×108m3(1965年)，最大年徑流量與最小年徑流量的比值為2.14，年徑流量年際變化不大。

喀群站有1957—1967年、1972—2008年共48年完整的連續(xù)懸移質(zhì)泥沙實(shí)測資料，具有一定的代表性，懸移質(zhì)泥沙特征見表2。

喀群站多年平均懸移質(zhì)含沙量為4.58kg/m3，最大日含沙量為1998年6月3日，達(dá)698kg/m3；多年平均最大月含沙量為8月的6.41kg/m3。多年平均懸移質(zhì)輸沙量為3028×104t，懸移質(zhì)輸沙模數(shù)為603t/km2。

2.2.2計(jì)算水位

天然河道水面曲線計(jì)算主要采用試算法，設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 防洪水位設(shè)計(jì)高程一覽表

2.2.3其他計(jì)算參數(shù)

影響岸坡沖刷情況的因素極多，除了水位、泥沙含量、水流量外，土體密度、側(cè)蝕系數(shù)、泥沙啟動(dòng)流速等因素也較為重要。葉爾羌河治理段土層主要包括：粉質(zhì)黏土、砂卵石層。粉質(zhì)黏土以及砂卵石層中的細(xì)砂、中砂的綜合影響系數(shù)取值分別為5.1×10-6和1.9×10-6。不同水位深度的河水流速可按下式計(jì)算[7- 8]：

(2)

式中，v—計(jì)算河段河水流速；h—水深；y—計(jì)算河段水深；m—經(jīng)驗(yàn)相關(guān)的系數(shù)。葉爾羌河泥沙計(jì)算參數(shù)見表4。

表4 泥沙計(jì)算參數(shù)

計(jì)算斷面選取此次治理段典型斷面，以葉爾羌河左岸為例，計(jì)算斷面示意圖如圖2所示。此次主要計(jì)算河道水位從正常水位上升至P=10%洪水水位，以及兩種含沙量(0.1、0.2kg/m3)情況下，河道的沖刷，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。從圖3中可知，正常水位情況下，水流流速較小，葉爾羌河的河水沖刷程度較低，在水位不斷上漲的過程中，水流流速不斷增大，此時(shí)河水沖刷程度也在不斷加大。在水位從正常水位上升至P=10%洪水位的過程中，不同含沙量(0.1、0.2kg/m3)河水橫向沖刷距離分別為5.2、7.1m，這表明，在河道水位相同的情況下，河水中含沙量越大，河水橫向沖刷距離越小。

圖2 計(jì)算示意圖(45+427斷面)

圖3 計(jì)算結(jié)果

葉爾羌河水位是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程，每年都要經(jīng)歷從低水位到高水位的動(dòng)態(tài)變化，因此，河道沖刷也是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，河水對岸坡的沖刷一般是從坡腳開始的，當(dāng)河水位處于較低水平時(shí)，岸坡沖刷量處于一個(gè)較低的水平，隨著河道水位的不斷上升，岸坡沖刷范圍以及累積沖刷量在不斷增大。當(dāng)水位達(dá)到P=10%洪水位時(shí)，洪水的大流量、高流速造成河道沖刷量不斷增大，最大累積沖刷量達(dá)到7.8m左右，在粉質(zhì)黏土層，由于沖刷時(shí)間較短，該層的沖刷量較少，而下部卵石層中的砂層被侵蝕、被沖刷而造成上部粉質(zhì)黏土層底部懸空，也可以從一定程度上增大河道岸坡的坡度，這將增大河道岸坡發(fā)生塌岸的概率。

圖4 水位上升階段岸坡沖刷結(jié)果

在河水下降的過程中，初期水位仍處于較高的水平，但砂卵石層中的砂層沖刷距離較大，隨著水位的持續(xù)下降，砂層沖刷距離將繼續(xù)增大，當(dāng)水位下降至正常蓄水位后，岸坡坡度已經(jīng)發(fā)生了較大的變化，此時(shí)，岸坡的穩(wěn)定性將變差。

3 結(jié)論

(1)通過資料收集獲取葉爾羌河的岸坡沖刷計(jì)算參數(shù)，由計(jì)算結(jié)果可知，岸坡沖刷程度與河水流速、含沙量等因素關(guān)系密切。

(2)在河水位上升過程中，岸坡沖刷范圍和累積沖刷量不斷增大，在水位下降的初期，水位處于較高的水平，岸坡表層粉質(zhì)黏土層、砂層均受到?jīng)_刷，隨著水位的不斷下降，沖刷距離逐漸增大。

(3)在河道沖刷影響下，河道岸坡坡角會產(chǎn)生一定的變化，對岸坡穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，在河道治理工程中應(yīng)當(dāng)注意。