河道一般沖刷深度分析計算-孫雙元要求

1、說明：本摘抄來自水規(guī)總院的孫雙元，目的在于將沖刷計算用于水調(diào)工程的設計之中。本摘抄共有兩部分關(guān)于沖刷計算的內(nèi)容第一部分6河道一般沖刷深度分析計算61沖刷深度計算方法在天然河道上修建建筑物后，由于縮窄了河道寬度，增加了單寬流量 和過水斷面流速，從而引起的河床沖刷和變形可稱為一般沖刷。根據(jù)水利 部長江水利委員會V南水北調(diào)中線工程渠道倒虹吸土建部分初步設 計大綱中的要求，一般沖刷按鐵路橋渡勘測設計規(guī)范TBJ17 86 （鐵道鄯1987年7月）規(guī)定的方法進行計算。經(jīng)對青沙荷南、北兩汊過水斷 面形態(tài)和河床所分析，應按“規(guī)范”中規(guī)定的非粘性土河床及單一河槽計非粘性土河床的河槽一般沖刷公式如下:E系數(shù)表含沙

2、量（kg / m3）10O66O866.2交叉斷面附近河床所及平均粒徑應用上述公式計算河道一般沖刷時，需分析確定交叉斷面河床質(zhì)的平 均粒徑。根據(jù)我院地勘隊提供資料，南沙河與總干渠交叉河段南槽倒虹吸 長1200m，有一個地質(zhì)縱剖面（沿建筑物軸線地質(zhì)縱剖面和三個地質(zhì)橫 剖面），布孔17個，孔深2062. 2m,孔距24一150m。河床巖性為 粗、細粒雙層結(jié)構(gòu)，分屬第二工程地質(zhì)單元和第三工程地質(zhì)單元。第二工 程地質(zhì)單元分布亍河床0 18m，其上部為砂卵石含漂石，卵石磨圓度較 好，大部分砂較純凈；下部砂卵石、中卵石含量偏低，一般無漂石，砂中含 土質(zhì)較多。經(jīng)篩分平均粒徑d50=52. 9mm。北槽倒虹吸

3、全長800m，共布有19個鉆孔，組成建筑物軸線縱剖面和 四條橫剖面、孔距25 150m，孔深2040m，自地表至lom深度內(nèi)屬第 二工程地質(zhì)單元，河床質(zhì)由砂卵石組成，砂卵石中含漂石，卵石含量約 60 70%，次磨圓度。經(jīng)篩分平均粒徑d50=84. 3mm。6 . 3計算成果6一 l根據(jù)上述南沙河南、北槽河床質(zhì)平均粒徑等數(shù)據(jù)和一般沖刷公式，對南北槽不同方案、不同標準洪水進行沖刷分析計算，成果見表同標準洪水的主槽流量約占河槽總過流量的85% 95%左右，為了工 程 安全，忽略灘地行洪，總過流量全部計入主槽內(nèi)，推算河槽部分的沖刷深 度。第二部分水流阻力相似、水流挾沙相似、泥沙懸移質(zhì)相似、泥沙起動相似

4、、 懸移質(zhì)引起的河床沖淤變形相似和河型相似七個方面。此外，為保證模型 與原型水流流態(tài)相似，還需滿足以下兩個限制條件：（1）模型水流必須是紊 流；（2）水流不受表面張力的干擾。穿河工程所在河段河槽寬淺，模型必須通過幾何變態(tài)來滿足模型處于紊流區(qū)且使水深滿足不受表面張力影響的要求。根據(jù)場地條件，確定水平比尺為500，垂直比尺為80，幾何變率為6. 25。根據(jù)水流相似條件，求得流速比尺為8一4,流量比尺為357771，由水流阻力相似條件求得糙率比尺為0. 83，水流運動時間比尺為56（4）壅水計算法壅水計算包括壅水高度與壅水長度計算根據(jù)建筑物的類型，大型渠穿河工程的壅水高度計算采用兩種公式，對于板梁式

5、渡槽的壅水高度采用中國工程師手冊水利類（上）中提供的公式計算，對于渠穿河倒虹吸的壅水高度計算則采用鐵路工程水文勘測設計規(guī)范（TBI000 1 99）中的有關(guān)公式進行。中國工程師手冊水利類（上）中壅水高度計算公式形式如下：式中AZ一建筑物前最大壅水高度（m）；Q 設計流量（m3 / s）；H系數(shù)，與槽墩形狀有關(guān)，園弧形槽墩職四=0. 92；Az 一渡槽布置后過水斷面面積（m2）:A1 最高壅水位對應天然河道斷面面積(m2)；a一動能校正系數(shù)，鐵路工程水文勘測設計規(guī)范(TB10001 一 99)中的計算公式：公路工程水文勘測設計規(guī)范提供的公式，計算不考慮進出口長度。其公式如下：建筑物前河道壅水長度

6、計算公式同前。(5)調(diào)蓄法由于河穿渠交叉建筑物泄洪口門相對較小，壓縮了河道原來的過水斷面，或是由于河槽有一定的調(diào)蓄能力，使得上游部分洪水延遲下 泄，滯蓄于 上游河道甚至溢出河道到兩岸的耕地中，使上游水位壅高，因此，建筑物修 建后建筑物上游洪水位宜采用河槽調(diào)蓄法進行計算；此外，規(guī)劃為大型渠穿 河工程的沁河河道，由于交叉斷面下游有齊村大壩，洪水通過溢洪道匯入輸 元河，齊村大壩上游形成具有一定調(diào)蓄能力的水庫庫區(qū)，溢洪道作為沁河 的導流工程，而交叉斷面正處于庫區(qū)，所以其現(xiàn)狀及工程修建后的河道洪水 位也采用河槽調(diào)蓄法計算。河槽調(diào)蓄是在水量平衡和動力平衡的支配下進行的。水量平衡用蓄洪 區(qū)水量平衡方程表示，

7、動力平衡可由建筑物蓄泄方程或蓄泄曲線表示。調(diào)洪 計算從起調(diào)水位開始，逐時段連續(xù)求解這兩個方程。建筑物蓄泄方程即水位庫容、水位一泄量關(guān)系。由于其難以用連續(xù) 的數(shù)學方程式表達，通常用離散型表格形式描述。1. 4. 3沖刷分析為了對大型渠穿河工程的防沖安全性進行分析評價，需要計算工程修 建后不同標準洪水的河床最大沖刷深度。河床沖刷包括一般沖刷和局部沖 刷，根據(jù)建筑物設計大綱的規(guī)定，對于渠穿河渡槽需要計算河床一般沖刷 和槽墩處的局部沖刷，對于倒虹吸則主要是計算河床一般沖刷。一般沖刷在天然河道上修建建筑物后，由于縮窄了河道寬度和壓縮水流，增加了 過水斷面的單寬流量，水流挾沙能力隨之增大，引起河床沖刷，這

8、種沖刷稱 為一般沖刷。一般沖刷深度的計算方法較多，本次采用鐵路工程水文勘 測設計規(guī)范中有關(guān)公式進行。由此公式計算的一般沖刷既包括建筑物壓 縮水流引起的沖刷，也包括河槽在天然演變中深泓線擺動形成的集中沖刷和隨水位、流量周期變化產(chǎn)生的天然沖刷。根 據(jù)河 床質(zhì)的特性不同，計算公式分為非粘性土和粘性土兩種型式。1)非粘性土主槽的一般沖刷計算公式如下:A一單寬流量壓縮系數(shù)，上式中，B為河槽寬度，即通過造床流量時的水面寬度(m) H 一造床流量對應的平均水深(m)2)粘性土主槽的一般沖刷公式。應用上式計算河床的最大沖刷深度時，需要分析確定交叉斷面河床質(zhì) 組成及其平均粒徑，為此，我院曾于1994年2004年先后進行了各河的地 質(zhì)勘測工作，并編制了各河的地質(zhì)勘測報告。據(jù)此分析可知，交叉斷面附近 各河的河床