淺談確定防洪堤沖刷深度的幾點體會

張 永

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司 新疆 烏魯木齊 830002）

1 工程概況

本次沖刷深度的討論結合本人設計的云南省南汀河云縣幸福段防洪工程來展開。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，整個流域地勢呈北東向西南方向傾斜。云縣幸福鎮屬中切割中山寬谷區，為河流沖積侵蝕型河谷。堤基位于河漫灘，是粗砂層，表層細顆粒含量較高，堤基承載力較低。工程防洪標準為10年一遇，防洪堤的級別為5級。其斷面結構為：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腳，護腳格賓擋墻高2.0 m～5.0 m；臨水側護坡采用30cm雷諾墊層護坡，背水側護坡采用植草護坡。

2 防洪堤沖刷深度計算

2.1 按《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）推薦公式計算

規范推薦公式如下：

式中，hs——局部沖刷深度，m；

Ho——沖刷處的水深，m；

Ucp——近岸垂線平均流速，m/s；

n——與防護岸坡在平面上的形狀有關，取n=1/4；

η——水流流速不均勻系數，根據水流流向與岸坡坡交角查規范表D.2.2采用；

U——行進流速，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。

計算結果見表1。

表1 《堤防工程設計規范》公式沖刷深度計算結果表

2.2 按《河道整治設計規范》（GB50707-2011）推薦公式計算

該公式對沖刷深度計算分水流平行于防護工程和水流斜沖防護工程兩種情況分別計算。

2.2.1 水流平行于防護工程產生的沖刷深度計算

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——與防護岸坡在平面上的形狀有關，取n=1/4。

計算結果見表2。

表2 《河道整治設計規范》公式平沖沖刷深度計算結果表

2.2.2 水流斜沖防護工程產生的沖刷深度計算公式如下：

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——防護建筑物迎水面邊坡系數，2；

d15——坡腳處土壤計算粒徑，m，0.05；

Vj—水流的局部沖刷流速，m/s，按有無灘地河床分別進行計算。

計算結果見表3。

表3 《河道整治設計規范》公式斜沖沖刷深度計算結果表

3 沖刷深度計算分析

（1）從公式形式來看，《河道整治設計規范》仍沿用舊版的《堤防工程設計規范》（GB50286-98），沖刷深度計算分水流平行于防護工程和水流斜沖防護工程兩種情況進行計算。而新版的《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）則采用一個公式來進行計算，但從其實際計算過程的取值來看，該公式實際上是將平沖和斜沖兩種情況統一考慮，計算過程更為簡單明了。

（2）從計算過程取值來看，部分取值實際操作較困難。

①《河道整治設計規范》中對水流的局部沖刷流速Vj的計算，該規范對Vj的計算分為有無灘地的兩情況。對于灘地界限的劃分本身就比較難確定，而對于很多游蕩搖擺性的河流，灘地又可能會經常發生變化。而這些都將影響沖刷深度計算結果與實際是否相符。

②對于沖刷深度起算位置的確定，在《河道整治設計規范》中，當計算斜沖時，明確是從河底算起的局部沖刷深度；而當計算平沖時，則僅寫為局部沖刷深度，從何處算起并沒有說明。《堤防工程設計規范》也僅寫為局部沖刷深度，沒有明確。本人目前計算時均將其視為從河底算起的局部沖刷深度。

③規范上計算沖刷深度時采用現狀河床面上堤腳處的泥沙粒徑和允許不沖流速或起動流速，而實際操作中，大部分是將原堤腳開挖料再回填至堤腳，對于沖刷深度較大，堤腳基礎下得較深，而河床地層巖性又存在分層的情況，則很可能導致河床面上的粒徑、允許不沖流速和起動流速發生了較大變化，從而使原計算的沖刷深度與實際不符。是否需對新回填的堤腳土的沖刷深度重新計算，如果小于原設計的沖刷深度尚可，但若大于原設計的沖刷深度該如何處理。

（3）從計算結果來看，《河道整治設計規范》沖刷深度計算值要大于《堤防工程設計規范》。

①《河道整治設計規范》的水流平行于防護工程的沖刷深度計算結果比《堤防工程設計規范》的計算結果稍大。究其原因，《河道整治設計規范》采用的是平均流速與河床面上允許不沖流速的比值，《堤防工程設計規范》采用的是平均流速與泥沙起動流速的比值。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。對清水水流可直接從第二版的《水力計算手冊》上查詢，對挾沙水流該手冊上推薦了根據我國部分渠道實測資料總結出來的經驗公式。泥沙起動流速是指靜止于河床表面的泥沙顆粒，當水流強度逐漸增加大某一臨界值時，泥沙顆粒就會開始運動，此時的水流強度即為泥沙起動流速。天然河流中泥沙顆粒的形狀、大小不同，與其他顆粒的相對位置都是隨機的，另外，在天然河流中，水流都具有脈動的性質，即作用在某一指定位置上顆粒的力也完全是隨機的，因此床面上某一指定位置的泥沙顆粒的起動具有雙重的隨機性。起動流速公式其實質就是相對某一起動概率下的起動流速。對于兩本規范分別采用河床面上允許不沖流速和泥沙起動流速來進行沖刷深度的計算到底哪一個更符合實際，由于本人水平有限，目前不敢輕易下結論，有待實踐進一步驗證。

②《河道整治設計規范》水流斜沖防護工程的沖刷深度計算結果則明顯大于《堤防工程設計規范》計算結果。產生較大差異的原因，筆者認為，水流斜沖防護工程沖刷深度計算公式中，當河床坡腳處粒徑較小時，斜沖沖刷深度計算結果幾乎只與水流流向與岸坡的夾角和水流流速有關，而基本與河床地質情況無關，忽視了河床本身抵抗沖刷的能力，導致其計算結果明顯大于《堤防工程設計規范》的計算結果。但從本工程附近已實施的防洪堤實際調查情況來看，《堤防工程設計規范》的計算結果更符合實際。

4 結語

沖刷深度計算是個比較復雜的過程，不能簡單地套公式進行計算，要結合當地的實際情況，對已發生的沖刷水毀情況要進行調查，不能對整個工程沖刷深度的確定搞一刀切。就現行規范中某些參數的取值以及包括推薦的兩種計算公式究竟取哪一種，目前也沒有明確的說法，筆者認為，考慮現在氣候異常，在用兩種公式計算的基礎上結合實際，在滿足規范的前提下取大值以利安全。

［1］《河道整治設計規范》（GB 50707-2011）[S].

［2］《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013）[S].

［3］王興奎等，河流動力學[M]，北京：科學出版社，2004.

［4］李煒等，水力計算手冊[M]，北京：中國水利水電出版社，2006.