堤防工程基礎(chǔ)沖刷深度的計算與應(yīng)用探討

曹 潔

（安徽省懷寧長江河道管理局，安徽 安慶 246003）

堤防工程沖刷深度是堤防工程設(shè)計所涉及的重要參數(shù)，其與堤頂超高、水面線推算、堤身護坡穩(wěn)定計算共同構(gòu)成堤防工程斷面設(shè)計的計算要素，合理選擇計算公式確定不同沖刷形勢下的沖刷深度計算是堤防工程防護及防洪的關(guān)鍵。

1 工程概況

安徽省懷寧長江河道左岸的同馬大堤起于湖北黃光大堤末端，止于成渝隔堤樁號K173+255～K174+258段，全長155.23 km，屬于長江干流國家二級堤防工程，與江西湖口和安徽東至縣隔河相望。同馬大堤發(fā)揮著華陽河流域圩畈區(qū)和皖河下游圩畈區(qū)御長江防洪的作用，對于京九、合九鐵路及滬蓉高速等建筑物防洪安全十分重要。同馬大堤沿長江堤段主要根據(jù)防御長江1954年型洪水設(shè)計，沿皖河流域堤段則按皖河50年一遇洪水防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計加固。同馬大堤當(dāng)前穿堤建筑物19座，其中包括楊灣閘、華陽閘和皖河閘等3座中型水閘，同馬大堤對應(yīng)外灘圩15個，圩堤長度78.8 km。

2 堤防沖刷深度計算

堤防工程沖刷計算包括水流平行于岸坡和水流斜沖岸坡兩種不同工況，由于堤防工程建設(shè)的特殊性，在其堤防沖刷深度計算過程中兩種工況均有所涉及。同馬大堤堤防工程堤身型式為碾壓砂礫石梯形斷面，迎水面1∶1.5且采用C15砼防護，厚度0.25 m～0.50 m，堤頂寬3.5 m，背水面邊坡1∶1.25，堤腳防護采用寬×高為1.0 m×0.7 m的C15砼。堤防沖刷深度計算沿用《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB50286-2013）所給出的堤岸沖刷深度公式，并選擇工程15個斷面計算沖刷深度。

2.1 水流平行岸坡沖刷深度計算

2.1.1 依據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286-2013）計算

這種沖刷工況通常發(fā)生在兩個彎道過渡段或半徑較大的微彎曲河段。根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286-2013）附錄中D.2.2-1公式，河段水流平行岸坡的沖刷深度按下式計算:

這一公式物理意義不明確，量綱不統(tǒng)一，規(guī)范引用錯誤[1]，如若公式中各變量的物理意義不變，則應(yīng)表示如下:

式中:hB表示局部沖刷深度，應(yīng)從水面線算起，m；hP表示沖刷位置水流深度，m，取設(shè)計水位最大深度；Vcp表示流速均值，m/s；V允表示河床所允許不沖流流速，m/s；n表示防護岸坡平面形狀，取n=1/4。

同馬大堤工程實測河道斷面15個，沖刷深度計算結(jié)果見表2。

表2 依據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》的沖刷深度計算結(jié)果（50年一遇洪水）

2.1.2 依據(jù)一般沖刷深度生產(chǎn)試用公式計算

一般沖刷深度生產(chǎn)試用公式如下:

式中:hP表示水流平行岸坡最大沖刷深度，m；Q表示設(shè)計流量，m3/s；L表示河段寬，m；hmax表示河道最大水深，m；h表示河道水深均值，m；A表示單寬流量集中系數(shù)，取A=1.39；E表示流域汛期月最大含沙量均值相關(guān)參數(shù)，取E=0.59；d表示流域河床土壤粒徑均值，mm；μ則為水流壓縮系數(shù)，取μ=0.987。

水流平行岸坡沖刷深度計算結(jié)果見表3。

表3 一般沖刷深度生產(chǎn)試用公式計算結(jié)果（50年一遇洪水）

通過采用上述兩種計算方式計算同馬大堤工程堤防沖刷深度及計算結(jié)果的對比可知，依據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》的沖刷深度計算結(jié)果偏小，主要原因在于該公式對于平原和山區(qū)穩(wěn)定河段水位大、流速小的流域更為適用，而對于本工程河段水深小、流速大的情況則結(jié)果偏小，存在一定誤差[2]。工程所在皖河流域呈變遷性河流態(tài)勢，河道水量小，河床在長期造床流量的影響下引發(fā)河相的變化，使河流蜿蜒曲折，主流搖擺變動，水流斜沖頻繁，淘蝕護岸。而采用一般沖刷深度生產(chǎn)試用公式對于平原、山區(qū)穩(wěn)定河流，變遷游蕩型河流不同水位和流速均適用，所得基礎(chǔ)沖刷深度計算結(jié)果和流域歷年河堤治理基礎(chǔ)埋深完全吻合[3]。

根據(jù)一般沖刷深度生產(chǎn)試用公式計算結(jié)果，從水面起算的基礎(chǔ)沖刷深度hP=3.16 m～3.95 m，河灘以下沖刷深度為2.23 m～2.73 m。為確保計算結(jié)果的合理性與適用性，依據(jù)《安徽省懷寧長江河道堤防工程初步設(shè)計報告》，本堤防工程設(shè)計復(fù)核基礎(chǔ)沖刷深度選用一般沖刷深度生產(chǎn)試用公式計算結(jié)果，即河灘以下沖刷深度設(shè)計值2.73 m。

2.2 水流斜沖岸坡沖刷深度計算

此種沖刷工況一般出現(xiàn)在河流彎道凹岸，淘蝕嚴(yán)重河段。本堤防工程水流斜沖岸坡沖刷深度按照《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286-2013）中公式D.2.2-2進行計算，具體如下:

式中:ΔhP表示由河堤起算的局部沖刷深度，m；α表示水流流向與岸坡夾角，°；m表示堤防工程建筑物迎水面邊坡系數(shù)；d表示坡腳位置土壤計算粒徑，m，對于非粘性土而言，重量＞15%的篩孔直徑取0.02 m；Vj表示局部沖刷水流流速，m/s。

結(jié)合本堤防工程平面布置圖，水流斜沖岸坡沖刷深度計算結(jié)果見表4，局部沖刷深度取1.5 m。

表4 依據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》的水流斜沖岸坡沖刷深度計算結(jié)果（50年一遇洪水）

由表4可知，水流斜沖岸坡沖刷深度值比水流平行岸坡沖刷深度值大，而且斜沖岸坡沖刷深度與斜沖角度存在直接關(guān)系，皖河河流富有變遷游蕩型特征，主流遷徙變換，擺動幅度很大，堤防工程恰恰位于河段彎曲性河道位置，水流沖刷主要表現(xiàn)為斜沖。借鑒皖河流域現(xiàn)有堤防沖刷深度并考慮一定的堤防安全值，其實際基礎(chǔ)埋深應(yīng)為深泓線以下4.0 m。

3 結(jié)語

基于安徽懷寧長江河道左岸同馬大堤堤防工程現(xiàn)狀，分析所提出的沖刷深度運行實施效果良好，但是為了有效解決河堤基礎(chǔ)沖刷所顯現(xiàn)出的外露現(xiàn)象及其對河堤運行安全可能造成的不利影響，必須在各斷面平斜沖值及沖刷深度計算值選取的基礎(chǔ)上以斜沖結(jié)果為依據(jù)，根據(jù)主河槽的分析確定夾角α的取值，而非根據(jù)設(shè)計堤線平順度進行水流斜沖岸坡沖刷深度計算，同時必須充分參考近似河段已建堤防工程運行現(xiàn)狀綜合考慮原基礎(chǔ)埋深設(shè)計值是否滿足堤防運行要求。