孟加拉國Arial Khan河護岸工程沖刷深度計算的分析與探討

◎ 王遠峰 中鐵二院（廣東）港航勘察設計有限責任公司

1.工程概況

孟加拉帕德瑪大橋鐵路連接線項目起于達卡站，經帕德瑪大橋最終至魯布迪亞，全線總長約165km。Arial Khan河是Padma河的其中一條支流，鐵路連接線在經Arial Khan河處建設鐵路橋，橋梁建成后，河中橋墩將影響該段河流的局部流向、流速等，對河道岸坡產生不良影響。因此，需對橋址處受影響范圍內的河道岸坡采取防護措施，以確保該河段岸坡穩定。

2.基礎條件及護岸方案

2.1 地形與地質

本河段岸線較為順直，岸頂高程約4.2～6.2m。工程區上覆第四系全新統人工填土，沖洪積軟黏土、黏土、粉細砂、中砂，未見礫石及基巖出露。河道地質主要以人工填土、黏土及粉細砂為主，顆粒細膩。因此，河道泥沙常受洪水強度變化影響，易發沖淤現象。

2.2 水文

水文信息見表1。

2.3 護岸方案

本護岸工程對鐵路橋跨河處兩岸上游65m至下游145m范圍內進行岸坡防護，上游與N8公路既有護岸形成搭接，下游末端處理長度40m，護岸頂高程隨實際地形變化且岸頂前沿線力求平順。

表1 水文信息

表2 取值參照表

護岸坡腳挖槽至-15.0m，邊坡形成后進行護腳及護坡施工。護坡施工完成后，將坡腳開挖的原狀土回填至坡腳基槽，回填高程不低于原河床平均高程。

3.沖刷深度計算公式的分析與選用

3.1 依據《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013）計算

應用附錄D2.2推薦的公式，順壩及平順護岸沖刷深度的計算公式是：

式中：

Uc—泥沙起動流速（m/s），對于黏性與砂質河床可采用張瑞瑾公式（D.2.1-5）計算；

hS—局部沖刷深度（m）；

H0—沖刷處的水深（m)，以近似設計水位最大深度代替；

Ucp—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交角α（見表2），取η=1.00；

d50—床沙的中值粒徑（m），取0.00013m；

U—行近流速（m/s）；

γs、γ—泥沙與水的容重（kN/m3）。

以上公式并不復雜，主要控制參數是泥沙啟動流速、設計流速及水深。其它基礎參數都能從地質、水文報告中獲取，系數也可根據實際情況選擇。但需要注意的是，公式中沖刷處的水深H0在本工程中是一個變量，即每年雨季過后，當地河道底高程因泥沙運動易發生變化。現就收集到不同年份的河底高程數據，采用100年一遇洪水的標準進行沖刷深度計算。

通過計算結果表明（見表3、表4），在流速、河道平面形態、地質保持不變的情況下，影響計算結果的主要參數是沖刷處水深H0，而其又是一個變量，這就給計算帶來問題。因此，本工程不建議采用該沖刷深度計算公式。

3.2 依據《GUIDE TO BRIDGE HYDRAULICS》計算

本指南為孟加拉、印度等國建設護岸工程的常用標準。該指南針對沖積平原的河道沖刷深度計算提出兩種經驗公式，分別為： Lacey公式和Blench公式。

式中：Q-設計流量；f-Lacey泥沙系數，f=1.75（d50）0.5；Dm-設計流量平均深度；Dfo-零床泥沙輸移深度；d50-中值粒徑（mm）；q-單寬流量，q=Q/W；Fb0-河床系數（需查表）；W-設計水位下的水面寬度，這里取河道滿槽寬度。

根據河道彎曲形態，設計水位以下沖刷深度Ds=Dm（Dfo）＊Z，Z為修正系數。

同樣采用100年一遇洪水的標準進行沖刷深度計算，計算結果見表5。

兩個公式分別對應的沖刷高程：Lacey=6.68-15.5=-8.82；

Blench=6.68-20.63=-13.95。

根據當地水務部門對該段河流水深統計數據，該護岸工程上游右岸約500m處出現最大河底高程為-13.32m；參照本工程所在河道上游護岸工程的實踐經驗，護腳底高程為-15m。因此，Blench公式計算結果與實際情況較為接近，本工程推薦選用該公式的沖刷深度計算結果。

表3 本工程河段河底高程統計

表4 計算參數選取及結果

表5 沖刷深度計算結果

4.結語

（1）《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）提供的沖刷計算公式在國內早已廣泛應用，且實踐中證明在多數情況下是比較合理的，特別是對于河道地形穩定、河床土質顆粒較大的河流而言更是準確。但此沖刷計算公式對于沖積平原，水流量大、床沙細膩的游蕩型河流也許還存在一定的局限性，需要慎重對待。

（2）目前國內外研究提出的計算護岸工程沖刷深度的公式繁多，各有側重，各公式計算的差值也較大。因此，需因地制宜，結合當地工程實踐經驗，合理采用相關規范及經驗公式。

（3）Lacey和Blench經驗公式看似簡單，但其通過設計流量與經驗系數的關系得出設計水位下的沖刷深度，簡化了流速、水深等各項因素對沖刷深度的影響，可能較為適合沖積平原河流的沖刷深度計算，值得進一步系統研究。

（4）影響河道沖刷的因素較多、不確定性較大，對沖刷機理需要系統深入的研究，對公式推導過程中引入的經驗假定的合理性進行驗證。建議有條件時應該采取物理模型試驗進行相關驗證，以便更好地服務工程建設。

表6 修正系數Z取值表

圖1 Fb0 與 d50關系對照圖