跨河建筑物防沖刷設計研究

跨河建筑物防沖刷設計研究

1自然沖刷深度磨損可分為兩種類型：自然磨損（也稱為自然磨損）和受人類活動影響的磨損。受人類活動影響引起的沖刷一般是由于修建水工建筑物后改變了水流條件而產生的沖刷,而自然沖刷主要是由于河流在自然發(fā)展過程中,水流與河床質的相互作用以及在相互作用的過程中伴隨出現(xiàn)的河床演變現(xiàn)象。這種作用完全是按其本身的運動規(guī)律進行的,也就是說自然沖刷是在無人類活動干預的情況下,河流中的水流與河床質在相互作用的過程中產生的河床演變的現(xiàn)象。河道自然沖刷深度的確定在跨河工程建設中具有重要作用。例如輸水、輸電、輸油等設施與河流交叉通過時,只有采用高架或倒虹建筑措施才能跨越。而跨河建筑物的經濟合理性、運行安全性取決于對河道最大自然沖刷深度規(guī)律的掌握程度。另外河床沖刷深度影響流域產沙量,對流域水土流失研究也有重要意義。但目前國內外對自然沖刷研究卻很少,因此開展自然沖刷規(guī)律的研究,特別是對最大自然沖刷深度的研究是非常必要的。2影響自然清潔的因素2.1影響沖刷的因素天然河道水流形態(tài)比較復雜,是一種不穩(wěn)定流運動,其中有上下擾動的紊流、左右兩岸的環(huán)流及行進中的渦流以及大洪水時波、浪的沖擊,構成影響沖刷的主要因素。其主要反映指標是流速、水深和坡降。2.2礦床物質沖刷及流變形態(tài)河床是水流的邊界條件,是水流的沖刷對象。河床由松散的泥土、沙、礫石等物質組成,河床質中各物質組成比例不同,其沖刷深度和演變形態(tài)亦不盡相同。2.3流域形設計斷面以上流域的地形、地質、地貌對沖刷的影響亦較大,如流域坡度、土壤質地、地面覆蓋等都影響沖刷。2.4河流的上游段設計斷面所處的位置不同,河段的沖刷情況亦不相同。在河流的上游段,一般表現(xiàn)為河床將逐年下切;而在下游段,則河床將逐年淤高;中游段,其多年沖淤結果近似平衡。2.5其他因素如洪水歷時、洪水過程線形狀等對自然沖刷亦有一定影響。3自然沖刷觀測為使復雜問題簡單化,遼寧省水文水資源勘測局以狹義概念上的自然沖刷為基礎,根據水流因素的主要指標,對大凌河水文單站實測斷面處縱向最大自然沖刷變形(最大天然沖刷深度)進行了多年觀測研究。3.1山地、丘陵水土流失區(qū)大凌河全長397km,流域面積23550km2。流域地貌分3種類型:(1)土石丘陵區(qū),多分布在大凌河中部,由土石丘陵區(qū)和黃土丘陵區(qū)組成,坡面多為黃(紅)土覆蓋,土層較薄,溝坡巖石裸露,土壤侵蝕比較嚴重;(2)石質山地,分布在大凌河上游,努魯爾虎山山脈東南側的上腹,山高坡陡,裸巖較多,土層瘠薄,植被稀疏;(3)黃土丘陵風沙區(qū),多分布在大凌河支流的上游,此區(qū)除部分山地和少量丘陵區(qū)土層較薄外,大部分丘陵地具有較厚的黃土層,風蝕比較嚴重。大凌河流域多年來由于過度放牧、亂砍濫伐、開荒種地,大大減少了植被覆蓋率,降低了水源涵養(yǎng)能力及保持水土的性能,水土流失較為嚴重。大凌河流域的降水量由南向北遞減,南部高值區(qū)年降水量可達600mm,建平縣北部年降水量在450mm以下,450～550mm等雨量線穿過整個大凌河流域。降水量的年內年際變化較大,正常年份連續(xù)最大4個月的降水量約占全年降水量的70%～80%,最大年降水量為最小年降水量的3倍。汛期暴雨集中,降雨強度大,歷時短。河水陡漲陡落,洪旱災害頻繁。3.2次洪水過程中最大路徑hsvme,hm主要是通過分析最大有效沖刷流速[最大流速(vm)、始沖流速(vI)之差]與最大沖刷深度的關系,尋求自然沖刷規(guī)律。不同粒徑顆粒的始沖流速vI值見表1。分別收集大凌河上游、中游、下游的上窩堡、朝陽、錦縣三水文站的次洪水流速、流量、水深、泥沙等有關數(shù)據,計算最大沖刷深度、始沖流速(vI)等相關因子。分析建立最大沖刷深度Hs與相應流速v、水深h之間的相關關系,建立直線相關方程:Hs=mv+b(1)式中:v為流速;m為斜率;b為截距。3.2.1建立Hs～vme直線相關方程三站方程為:Hs上窩堡=0.205vme+0.38(2)Hs朝陽=0.72vme+0.28(3)Hs錦縣=0.788vme-0.03(4)式中:vme為最大有效沖刷流速,vme=vm-vmI,vm為一次洪水過程中實測最大流速中的最大流速,vmI為最大流速中的始沖流速。3.2.2建立Hs～vme、hm直線方程三站方程為:Hs上窩堡=0.159vmeh0.15m0.15m+0.40(5)Hs朝陽=0.479vmeh0.15m0.15m-0.07(6)Hs錦縣=0.604vmeh0.15m0.15m+0.04(7)式中:hm為一次洪水過程中實測最大水深中的最大水深。3.2.3建立Hs～ˉvvˉMI直線方程三站方程為:Ηs上窩堡=0.341ˉvΜΙ+0.4(8)Ηs朝陽=1.62ˉvΜΙ-0.9(9)Ηs錦縣=1.437ˉvΜΙ-0.28(10)式中:ˉvMI為平均最大始沖流速,ˉvΜΙ=ˉvΜ-ˉvΙ3.2.4建立Hs～ˉvMI、ˉhm直線方程三站方程為:Ηs上窩堡=0.3ˉvΜΙˉh0.15m+0.04(11)Ηs朝陽=1.4ˉvΜΙˉh0.15m-0.8(12)Ηs錦縣=1.161ˉvΜΙˉh0.15m-0.10(13)式中:ˉhm為一次洪水過程中實測平均最大水深。4數(shù)據分析此次分析均采用大洪水資料,最大流速多為浮標測驗,始沖流速在取值上可能受慣性作用和不連續(xù)測驗的影響等,對