夢山水庫順壩沖刷深度的計算與修正

□孫華云　□馮紹好（江西省水利水電建設有限公司）

夢山水庫順壩沖刷深度的計算與修正

□孫華云□馮紹好（江西省水利水電建設有限公司）

順壩沖刷深度是夢山水庫除險加固工程設計中的關鍵參數之一，文章從工程實際出發，首先進行了順壩沖刷深度的計算，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、泥沙級配、透水樁壩的設計、樁柱所承受的土壓力及動水壓力、沖擊偏角等，最后在綜合考慮各因素的基礎上對該工程順壩沖刷深度進行了修正。

順壩；沖刷深度；計算

1　工程概況

夢山水庫位于新建縣西南部石埠鄉境內的夢山腳下，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，庫區距320國道約8 km，并有水泥公路直通壩區，交通尚屬便利。

夢山水庫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)，相應庫容820.40×104m3，設計洪水位(P=2%)69.43m，工程區為沖積盆地，呈狹長條帶狀，四周低山丘陵環抱，山體近東西走向，地勢西北高，東南低，山體較雄厚，河谷較寬闊，兩岸地形較平緩，且較穩定，屬“U”型河谷，下游河床地面高程54～64m。壩址區地下水主要為第四系中更新統層孔隙性潛水及基巖裂隙性潛水，接受大氣降水補給排泄于溝谷、河床。根據水化分析成果，庫水對混凝土具中等溶出性腐蝕，地下水對混凝土無腐蝕。

2　順壩沖刷深度計算

2.1順水流方向順壩沖刷深度

河道單向流（順水流）僅會在迎水面一側引起沖刷坑，而潮流則會在迎水面兩端均引起沖刷坑，結合本工程實際，僅考慮第一種情況。河道水流平行于堤岸時水流軸線與順壩的夾角取α＝90°，夢山水庫壩址以上控制流域槽斷面由灘地及河槽組成，在進行防洪堤設計時，必須根據其特點進行分析，力求計算值與現狀流態相近，本工程河道的水力計算采取《河流泥沙工程學》中的設計洪水流量計算公式進行計算。

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

2.2水流斜沖順壩產生的沖刷

從計算結果來看，在頂沖段河床以下最大沖深計算值為3.23m；2012年9月8日，洪水（300m3/s）過后實測河道頂沖處沖坑底距河床2.20m，根據現場抗洪搶險工作人員介紹，洪水期沖坑較實測值大，因此防洪堤基礎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）、泥沙粒徑對沖刷的影響

在假設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的關系，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高相等地勢時，這種沖刷深度繼續增大的趨勢逐漸減緩，而后保持在一穩定范圍內。

水流流速即為水流進入河道時的平均流速，隨著水流流速逐漸增加達到河床面泥沙起沖流速時，河床便會出現局部沖刷坑，而后隨著水流流速增大，沖刷坑深度也會增大；而當水流流速超過河床面泥沙起沖流速時，大量起沖泥沙對沖刷坑會產生一定的填補作用，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”型關系。

河道水流對沖刷的影響過程與程度還受到沖刷坑內輸沙量及泥沙粒徑等的影響，如果流速過快時間過短，則會導致有效輸沙量迅速減少，進而延長了沖刷過程，增大了沖刷影響程度。本工程中可以在臨水一側的邊坡修建如丁壩、橋臺、防沖樁等防沖構造物，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，泥沙粒徑對沖刷深度有明顯影響，泥沙粒徑越小，則沖刷阻力越小，達到穩定沖刷深度的時間越短，當泥沙粒徑增大時，沖刷流速也增加，沖刷深度減小。最大沖刷坑深度的計算對于泥沙粒徑變化反應敏感，故而本工程中河道的泥沙粒徑范圍應根據河段情況慎重對待。

3.2潰口寬度對沖刷的影響

為了更好的將不同潰口寬度的沖刷結果進行比較，以便找出沖刷坑深度與潰口寬度之間的關系，將不同潰口寬度所對應的最大沖刷坑深度及最深點的位置制成數據表格記錄便于進行比較分析。

從計算結果可以看出，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關系，即潰口寬度增加了，沖刷坑的深度也隨之增加，而沖刷坑最深點離潰口的距離也隨之增加。也可以將上述變動描繪在“沖深隨時間發展過程圖”中，從圖中可以很明顯的看出，沖刷坑在平面上呈現橢圓形形狀，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系，隨著時間的推移，沖刷坑的沖刷率先增加，而后減少，最終趨于零。

3.3不同偏角對沖刷的影響

在此筆者結合透水樁壩長寬比計算，分析了不同水流沖擊角對本工程透水樁壩局部沖刷深度的影響程度。

從計算結果可以看出，當水流沖擊角為0°時，不同沖擊角對本工程透水樁壩局部沖刷深度的影響并無明顯變化，隨著沖擊角度的增加，水流對沖刷深度的影響也在增大，當沖擊角達到90°時，沖刷深度比最初沖擊角為0°透水樁壩長寬比1時增加31.60%。所以要想降低不同水流沖擊角對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寬比兩個因素。

3.4時間對沖刷程度的影響

時間對沖刷坑深度及沖刷程度的影響也較大，根據實驗及相關分析，時間與沖刷坑深度之間存在一條關系曲線：在清水情況下，隨時間發展沖刷坑深度（或沖刷程度）逐漸趨于平衡狀態，而在動床沖刷情況下，隨時間的發展沖刷坑深度（或沖刷程度）起初迅速增大，直到平衡深度（或沖刷程度）出現，才逐漸趨于穩定狀態。

4　修正的順水流方向順壩沖刷深度

常遇洪水流量計算公式不變，并綜合考慮上述影響因素進行計算。修正的順水流方向順壩沖刷深度為：順壩的基礎下深＝1.88-1.70+2.00＝2.18m。

5　結語

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、泥沙級配之外，還有透水樁壩的設計、樁柱所承受的土壓力及動水壓力、沖擊偏角等因素。但是關于沖刷坑的形成和發展與流場水力特性之間的關系等內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算公式來估算水庫除險加固工程順壩沖刷深度，必須將大量實測資料考慮進去建立數學模型并進行多組次小尺度水槽試驗，這也是一直以來很多學者較為熱衷的方法。

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1673-8853（2016）08-0062-02

2016-05-21

（責任編輯：左英勇）

孫華云（1986-），男，工程師，主要從事水利施工工作。