河道治理工程中河道沖刷研究

曾 強

(深圳市水務規劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

河道沖刷作用是影響河道岸坡穩定性的主要因素。目前，已經有較多的專家學者對河道岸坡沖刷機理進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河道沖刷量公式；董炳江等認為影響三峽水庫下游河道沖刷的主要因素為洪水時長和泥沙含量；岳志春等以水力學、泥沙動力學為基礎，認為流量大小是影響河道沖淤的主要因素；王蕊結合河道沖刷二維數學模型對河道沖刷物理模型試驗進行分析，認為河道中部沖刷深度大于兩側；王功成等結合府谷縣皇甫川堤防工程，對沖刷及滲流穩定性進行分析，研究了不同斷面的沖刷結果。水流在行進過程中會對岸坡產生直接的沖刷影響，同時河水入滲對岸坡穩定性的影響也不容忽視。因此，在現場調查的基礎上，對河道二元結構岸坡在不同水位、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，每年都會發洪水，且洪水含沙量較高，對河道產生了較為嚴重的沖刷，嚴重威脅到兩岸居民的正常生產生活。以葉爾羌河某段治理工程為例，對該段河道沖刷進行分析。

2 岸坡沖刷計算

2.1 計算方法

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

(1)

式中，ωb—河道水平沖刷速率；u—近岸水流流速；uc—泥沙啟動流速；ρb—岸坡土體密度；λ—系數；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果，如岸坡土體密度、岸坡坡度、泥沙啟動流速、水流流速、含沙量等。

2.2 參數獲取

2.2.1葉爾羌河治理段流量和含沙量

根據喀群站55年月、年實測徑流系列，其年內分配統計結果見表1。葉爾羌河屬典型冰川補給河流，因此年內分配極不均勻，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 喀群站徑流量年內分配表

表2 喀群站多年平均懸移質含沙量、輸沙量年內分配表

圖1 喀群站年徑流量月分配柱狀圖

根據喀群站55年徑流統計資料，多年平均年徑流量為66.14×108m3，年徑流量變差系數為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年完整的連續懸移質泥沙實測資料，具有一定的代表性，懸移質泥沙特征見表2。

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

2.2.2計算水位

天然河道水面曲線計算主要采用試算法，設計洪水位計算結果見表3。

表3 防洪水位設計高程一覽表

2.2.3其他計算參數

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、側蝕系數、泥沙啟動流速等因素也較為重要。葉爾羌河治理段土層主要包括：粉質黏土、砂卵石層。粉質黏土以及砂卵石層中的細砂、中砂的綜合影響系數取值分別為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算[7- 8]：

(2)

式中，v—計算河段河水流速；h—水深；y—計算河段水深；m—經驗相關的系數。葉爾羌河泥沙計算參數見表4。

表4 泥沙計算參數

計算斷面選取此次治理段典型斷面，以葉爾羌河左岸為例，計算斷面示意圖如圖2所示。此次主要計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，計算結果如圖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 計算示意圖(45+427斷面)

圖3 計算結果

葉爾羌河水位是一個動態變化過程，每年都要經歷從低水位到高水位的動態變化，因此，河道沖刷也是一個動態變化過程，計算結果如圖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，當河水位處于較低水平時，岸坡沖刷量處于一個較低的水平，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。當水位達到P=10%洪水位時，洪水的大流量、高流速造成河道沖刷量不斷增大，最大累積沖刷量達到7.8m左右，在粉質黏土層，由于沖刷時間較短，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生塌岸的概率。

圖4 水位上升階段岸坡沖刷結果

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，隨著水位的持續下降，砂層沖刷距離將繼續增大，當水位下降至正常蓄水位后，岸坡坡度已經發生了較大的變化，此時，岸坡的穩定性將變差。

3 結論

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

(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，岸坡表層粉質黏土層、砂層均受到沖刷，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，河道岸坡坡角會產生一定的變化，對岸坡穩定性產生較大的影響，在河道治理工程中應當注意。