伯彥萍 安美運 張春雷 黃澄 趙松波

摘 要：本文對河流演變規(guī)律和穿河管道沖刷機理進行了分析，并指出了目前工程上常用沖刷公式的局限性。本文在研究沖刷機理的基礎上，通過對現有的一般沖刷和局部沖刷公式進行總結分析，根據不同河形對國內外沖刷公式進行歸納整理，得到了非粘性土河床不同河形一般沖刷深度公式的適用條件，以及局部沖刷情況下非粘性土河床和粘性土河床的沖刷公式的適用條件。研究成果可為工程設計中算管道埋設深度選用計算公式提供一定的參考依據。

關鍵詞：穿河管道;河形;沖刷公式

中圖分類號：TV135? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）12-0130-03

1引言

管道運輸作為一種長距離運輸工具，越來越普遍地運用在輸送氣體、液體等領域，給人們的生活帶來了極大的便利。由于管道運輸距離一般較長，所以在運輸過程中經常會遇到需要穿江過河的情況，這就需要架設管線橋或者河底穿越，目前工程上采用最多的仍然是河底穿越的形式。穿河管道需要埋設在河底的一定深度才能保障運輸安全，但由于國內外均沒有專門適用于計算穿河管道沖刷深度的規(guī)范公式，所以目前我國在計算其埋設深度時普遍采用橋渡沖刷公式。穿河管道的埋設深度至關重要，如果埋設過淺管道易受沖刷而暴露，甚至懸空，管道在水壓力等多方面因素影響下易泄露造成安全隱患;如果埋設過深則施工成本增加，甚至可能造成管道無法穿越。

2 穿河管道沖刷機理分析

2.1河流分類與演變規(guī)律

河床在演變過程中平面擺動的情況對于管道埋設有著不可忽視的影響。根據國內外學者研究表明，根據河床的平面形態(tài)及演變規(guī)律可以將天然河流劃分成不同類型，根據不同河形分類可以進一步對其共同特征進行研究，研究成果可為穿河管道選取穿越位置和計算埋設深度提供一定的理論依據。目前，對于河形的研究主要有以下幾類：錢寧等將河流分為游蕩型、分汊型、彎曲型和順直型;武漢水利電力學院將河流分為游蕩型、分汊型和順直微曲型;方宗岱將河流分為擺動型、江心洲型和彎曲型;Leopold等將河流分為辮狀型、彎曲型和順直型;Kypaeb等將河流分為自由彎曲型、分汊型和單股型;K，N，Poccnhcknn等將河流分為游蕩型、彎曲型和周期增寬型。

從穩(wěn)定性出發(fā)，天然河流也可以分為兩類：穩(wěn)定型河流和不穩(wěn)定型河流。游蕩型和彎曲型就屬于典型的不穩(wěn)定型河流，這類河流在進行埋管設計時應特殊考慮。游蕩型河流的不穩(wěn)定性有的不僅體現在河床不穩(wěn)定，還有一部分河流河岸也不穩(wěn)定，這就造成河流縱向坡陡、橫向寬深比較大的問題，在進行埋管設計要綜合多年數據資料全面分析。彎曲型河流的河床和河岸相對游蕩型河流一般來說河流的形態(tài)是不變的，但在河形發(fā)育過程中具有迂回曲折和蜿蜒蠕動的特征。

2.2穿河管道常見形式

穿河管道主要的施工方法有：溝埋鋪設法、盾構法、頂管法、定向鉆穿越法等。國內外最常采用的方法是溝埋鋪設法，因為相較于其他方法具有穩(wěn)定性好、安全系數高的優(yōu)點。從管道穿越的水平投影上可以將其分為直線式和曲線式兩大類，具體見表1。

2.3穿河管道沖刷機理

當河床地層堅硬且穩(wěn)定時，穿河管道一般可以直接鋪設;當河床地層泥沙較多且沖淤劇烈時，穿河管道一般埋設在河床下。穿河埋設的管道如果埋設深度不夠，在水流的持續(xù)沖刷下河床以下埋設部位會逐漸暴露出來，或因河流的平面演變會使邊灘的縱向部位管道受到沖刷。

河床的特性影響沖刷的形成和發(fā)展，一般來說非粘性土的抗沖刷能力要低于粘性土，故非粘性土河床沖刷更劇烈。我國在計算穿河管道沖刷深度時參考的主要是橋梁墩臺、河床、河岸等公式。橋梁墩臺沖刷公式根據沖刷形成機理將其分為：河床自然演變沖刷、橋下斷面一般沖刷、墩臺局部沖刷，在計算過程中雖然將其分類、分步計算，但實際上這三種沖刷的形成過程是復雜且持續(xù)的。

3 沖刷公式分析

3.1埋深計算

根據前面的分析可以得知，河道河床沖淤過程十分復雜，目前國內外沒有專門適用于計算穿河管道沖刷深度的規(guī)范公式。在計算管道埋深時多采用橋渡附近的沖刷公式，通常稱為（64-1）式：

（1）

式中：Q——計算時采用的設計流量（造床流量），m3/s;

L——平灘水位時的河面寬度，m;

A——單寬流量集中系數，按下式計算。

（64-1）式是鐵道科學院在實測和模型試驗的基礎上建立的，計算依據的是橋梁壓縮水流引起水、沙運動變化。該公式是目前應用最廣泛的，但仍有以下三點局限性：①只適用于河床有底沙運動的非粘性土河流;②只能反映洪水過程中洪峰式瞬時沖淤大小，不能反映出整個過程沖淤變化;③未考慮河床形態(tài)對沖淤變化的影響。

3.2一般沖刷計算

3.2.1非粘性土河床一般沖刷計算

3.2.1.1? 64-1修正式

（2）

（2）

64-1修正式是根據沖止流速建立的，適用于單式斷面的橋下全部為河床或復式斷面的橋下河床部分。該公式中有泥沙平均粒徑這一參數，故需有準確的地質勘探資料才能保證計算結果可靠性，應找大顆粒密集部位取樣，如橋址附近陡峭處、邊灘交界處或深泓中。

3.2.1.2? 64-2簡化式

（3）

（3）

64-2簡化式是根據輸沙平衡關系建立的，適用于沙質（非粘性土）河床且橋下全部為河床或橋下河床部分。該公式的計算原理是：當上游來沙量小于水流挾沙能力時河床產生沖刷;當上游來沙量等于水流挾沙能力時達到輸沙平衡狀態(tài)，河床沖刷隨即停止，一般沖刷達到最大值。

3.2.1.3 包爾達可夫公式

（4）

包爾達可夫公式假定在有底沙運動的河流上，但只適用于平原及山區(qū)穩(wěn)定河段。包式公式未考慮河床土質、水流集中沖刷等因素，認為沖刷與水深成正比，這與一些容易發(fā)生集中沖刷的河流所表現出的沖刷規(guī)律是相違背的。該公式結構過于簡單、適用性較窄，不常用于一般沖刷計算。

根據對以上公式計算原理和適用性進行分析整理，歸納出非粘性土河床一般沖刷公式適用條件，詳見表2。

根據表2可以看出雖然64-1修正式比較常用，但作為經驗公式上在使用時需要注意一下幾點：

（1）64 - 1修正式不適于高含沙水流條件;

（2）使用64 - 1修正式時需注意邊界條件的選取，計算斷面和河床顆粒直徑是影響計算較大的兩個因素。在淺水、粗顆粒河床組成條件下計算結果偏大;在深水、細顆粒河床組成條件下則偏小。

（3）使用64 - 1修正式計算一般沖刷最大沖深時，若計算結果出現負值，則說明雖然部分或大部分垂線平均流速降低到該垂線的沖止流速了，但一般沖刷沒有達到最大。

3.2.2粘性土河床一般沖刷計算

粘性土顆粒很細，一般平均粒徑小于0.05mm。粘性土顆粒通過在其表面形成很薄且結合緊密的薄膜水使得顆粒之間具有一定的粘性力。對于粘性土河床沖刷通常采用如下公式：

（5）

適用范圍：=0.16～0.19。

3.3局部沖刷計算

3.3.1非粘性土河床局部沖刷深度計算

3.3.1.1經驗公式

早期非粘性土河床局部沖刷經驗公式主要有由美國水力工程通報（HEC-18）推薦公式早期的經驗公式、由印度河流實測資料建立的Lacey公式和由模型試驗資料建立Jain.s.c公式等。這些公式雖然說有一定針對性，但難以推廣的原因是結構比較簡單，考慮也不夠全面。后期非粘性土河床局部沖刷經驗公式雖然考慮的因素比較全面，但其參數、系數要根據具體情況而定，也難以大范圍推廣。

3.3.1.2半經驗半理論公式

在早期研究成果中大部分有關沖刷的公式是半經驗半理論公式，在實際應用和研究中常采用的就是這類公式。半經驗半理論公式常以理論為基礎加以假定進行推導得來的，其優(yōu)點是考慮因素比較全面，采用的系數一般通過試驗或實測資料來確定。其中，65-2式、65-1修正式就是現在廣泛應用于我國諸多非粘性土河床局部沖刷計算的，這兩個公式均經過大量試驗和實測數據驗證，結果相對比較準確。

65-2公式：

當≤，（6）

當>，（7）

（8）

65-1修正式：

當≤，? ?（9）

當>，（10）

3.3.2粘性土河床橋墩局部沖刷

目前，國內外有關于粘性土河床一般沖刷和局部沖刷的研究成果都比較少，通常都是采用液性指數作為粘性土抗沖能力指標進行計算。粘性土河床橋墩局部沖刷常用的以下兩個公式均是針對順直水流的，認為彎曲水流局部沖刷很小或沒有，公式如下：

（1）前蘇聯規(guī)范公式：

（11）

（2）我國規(guī)范公式：

當2.5時，（12）

當<2.5時，（13）

4 結語

穿河管道的埋深是一個重要的理論和工程問題，其有效合理的預測可以更好地進行工程設計，減少因沖刷暴露河底管道的安全風險。通過本文對沖刷公式的研究可以看出，根據河床形態(tài)和演變規(guī)律可以將河流劃分成若干類型，不同類型的河流沖刷特性有區(qū)別，這對于研究管道埋設來說具有重要意義。鑒于目前對于穿河管道的埋深沒有規(guī)范計算公式，因此，應進一步加強對于穿河沖刷機理和沖刷過程的研究，探索出專門適用于穿河管道埋深的沖刷公式。

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基金項目：貴州省水利廳科研項目（KT202011）。