水利工程中岩土抗冲性评价

潘光宜

(安徽省水利水电勘测设计院，安徽 蚌埠 233000)

1 岩土的抗冲性与水利工程

地表水流冲刷问题在河(渠)道、溢洪道等水利工程中普遍存在。冲刷破坏的表现形式千差万别，但其决定因素不外乎两个方面:作为内因的受冲刷部位的抗冲性能以及作为外因的冲刷水流的特性与作用方式。

一般而言，在地表水流和波浪的作用下，岩土体抵抗其冲刷变形的能力为岩土的抗冲性。类似于渗透稳定性，岩土的抗冲性研究属于土力学课题，但其中要用到水力学的原理。

不包括高流速的水工隧洞的防空蚀设计，易受地表水冲刷的岩土体主要有三个部位:冲坑、河床和岸坡。水工设计中常常需要对这些部位进行冲刷深度或冲刷程度研究。与岩土的抗冲性有关的水工设计课题有:①泄水建筑物冲刷坑深度计算;②渠道或河床面上的不冲流速;③河岸的冲刷深度计算;④水库塌岸的预测。

2 岩土抗冲性分析

冲刷深度公式目前已有很多，它们之间的计算差别也很大(几倍)，主要原因是所依据的分析理论、研究方法手段、资料来源等的不同，因而得出不同的公式形式和计算结果。一般建立冲刷公式的理论基础为水力学的基本原理，研究手段多采用水工模型试验或结合野外观测资料的分析。

2.1 岩体抗冲性分析

如果是新鲜岩体为河床和岸坡的河流和渠道，一般不存在普遍冲刷问题，只有局部冲刷问题如在泄水建筑物冲刷坑深度计算时，要对各种岩石的抗冲性作出评价。影响基岩冲刷坑发展程度的工程地质因素主要有:岩石的坚硬程度和完整程度，以及均一性，有无软弱夹层，裂隙的产状及组合等。

2.2 土抗冲性分析

水力学的均匀流基本方程，给出了沿程水头损失与水流对河底的剪切应力关系;而达西公式为均匀流沿程水头损失与平均流速的普遍计算式，由此可以得出沿底水流的流速为u 时沿程剪应力τ=ρwu2，水平面上颗粒自重所能提供的抗冲正应力σ=(ρs－ρw)gd(ρs为颗粒密度)，如果土的内摩擦角为φ，则抗冲正应力σ 所提供的抗剪力σtgφ 与剪应力τ 相等时土颗粒处于极限平衡状态，此时的沿底水流的流速即河床的抗冲临界流速或起动流速，ρwu2=(ρs－ρw)d，因为颗粒比重Gs=ρs/ρw，所以上式可以写成u2=(Gs－1)dtgφ，由此可见，砂性土起动流速主要与土的粒径、颗粒比重与内摩擦角有关。

对于具体的某种砂性土河床而言，在具有起动流速的水流作用下，其中的较细砂粒将被水流冲走，而部分直径较大的颗粒将留在原地，如果这部分颗粒能形成骨架，则可以阻止土层的进一步冲刷，能形成骨架的土粒含量取d85，即小于该粒径的土粒含量占总土重的85%，所以上式中的d 根据土的颗分曲线取d85比效合适。

如果河床是粘性土则上式可以写成u2=C/ρw+(Gs－1)dtgφ，很显然，此时土的抗剪强度应为不固结不排水(UU)强度CU，而φ=0，即u2=CU/ρw式。由此可见，粘性土起动流速主要与土的粘聚力有关，而与摩擦分量无关。

另外上式中的u 为沿底水流的流速而不是河流或渠道的平均流速，根据水力学原理，沿底水流的流速与平均流速的关系由河流或渠道的过水断面与水力半径决定。目前用的比较普遍的水平河床上颗粒的起动流速V0(m/s)计算公式［1］为:V0=4.6d1/3h1/6，式中d 为颗粒直径(m)，h 为水深(m)。

3 岩土抗冲性评价

《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487—2008)［2］多处要求对岩土体的抗冲性能进行评价，但目前并无相应的评价标准，《水利水电工程地质手册》对岩土体的抗冲性和允许不冲流速有较详细的列表，并被《灌溉与排水工程设计规范》GB50288—99 引用为附录F—渠道允许不冲流速。

这是从渠道水流的平均流速的角度提出各种岩土体的允许不冲流速，不得不考虑水深和水力半径的因素，如果从岩土体的工程地质性质角度，对其评价主要指沿底水流的流速即河床的抗冲临界流速或起动流速，在《堤防工程设计规范》(GB50286—98)［3］的附录D 中称为河床面上允许不冲流速和河岸上的局部冲刷流速，而不是河渠的平均流速。

3.1 岩体抗冲性评价

如果是新鲜岩体为河床和岸坡的河流和渠道，一般不存在普遍冲刷问题，只有局部冲刷问题如在泄水建筑物冲刷坑深度计算时，要对各种岩石的抗冲性作出评价。影响基岩冲刷坑发展程度的工程地质因素主要有:岩石的坚硬程度和完整程度，以及均一性，有无软弱夹层，裂隙的产状及组合等。

《溢洪道设计规范》(SL253—2000)［4］附录A 中A.4.2 冲刷坑最大水垫深度公式中用k 值——综合冲刷系数来区分不同岩体的抗冲能力，但其岩体类别的划分方法与现行的国家标准不统一，且没有考虑岩石的类别和坚硬程度指标，最好与国家标准《工程岩体分级标准》(GB50218—94)［5］统一，进行岩体基本质量分级，同时给出各级岩体的综合冲刷系数的经验值，并进行岩体抗冲性分类。

3.2 土抗冲性评价

综上所述，由于砂性土和粘性土冲刷作用的力学机理不同，砂性土的抗冲性主要取决于其颗分粒径，比较直观，所以粘性土的抗冲性评价时，可以转换成抗冲性相等的砂性土的粒径即等效粒径，也就是说如果某砂性土的抗冲性与某粘性土的抗冲性相同，那么该砂性土的粒径就是该粘性土的抗冲等效粒径，在《堤防工程设计规范》称为当量粒径。

岩土的抗冲等效粒径d 的取值，对土质河床，砂性土取d85，抗冲能力由差到好分为六级。粘性土可按土质分类，其相应等效粒径在d=0.5～10 mm 范围内变化，采取与砂性土对等原则，抗冲能力由较差到较好分为三级。

粘性土等效粒径也可用近似公式d=0.022C3/2计算，式中C 为不固结不排水(UU)抗剪强度CU值。

3.2.1 砂性土抗冲性评价

砂性土起动流速主要与土的粒径与内摩擦角有关，砂土的内摩擦角受其粒径、孔隙比、密度、颗粒形状和级配等因素的影响，对于一定的砂土来说，影响抗剪强度的主要因素是其粒径和初始孔隙比，无论是何种孔隙比的松砂或紧砂，处在河床或岸坡的表面时，由于临空面的影响由咬合作用引起的强度将不存在，所以这时的抗剪强度不应用峰值强度，而应为残余强度，或者用松散强度或休止角。故决定砂性土起动流速的主要是砂性土的颗粒粒径，尤其是形成骨架的d85。

根据《土的工程分类标准》(GB/T50145—2008)［6］给出各类粗粒土在水平河床上(水深1 m 时)的抗冲临界流速或称允许不冲流速范围与抗冲性分类，见表2。

表1 岩基综合冲刷系数k 值与抗冲性分类表Table 1 Classification of complex scouring coefficient K of bathylith and impact resistance

细粒土的分类根据水利行业习惯，采用三角坐标图［7］按颗粒级配分类。细粒砂性土中的轻粉质砂壤土、轻壤土(粘粒含量3%～6%)与粉土的抗冲性相近，可以归并为上表中粉土或细砂栏中。细粒砂性土中的重粉质砂壤土、重壤土，由于有一定的粘聚力(粘粒含量6%～10%)，抗冲性增强，可以归并为上表中的细砂或中砂栏中。

3.2.2 粘性土评价

粘性土的分类也采用三角坐标图按颗粒级配分类，按照上节分析粘性土的抗冲性，决定因素是土的不固结不排水(UU)抗剪强度CU值。按其允许不冲流速和等效粒径对其抗冲性分类见表3。

至于砾类土，其抗冲性决定于粗颗粒是否架空，细粒土是否有粘性，如果架空或细粒土无粘性则按粗颗粒的d85分类，比如含细粒土质砾和粉土质砾;如果胶结良好，则其抗冲性决定于细粒土的凝聚力，可按细粒土的方法分类，比如粘土质砾。

表2 粗粒土不冲流速与抗冲性分类表Table 2 Classifications table of non－scouring velocity of coarse－grained soils and impact resistance

表3 粘性土(按颗粒组成分类)不冲流速与抗冲性分类表Table 3 Classification table of non-scouring velocity of cohesive soil and erosion resistance

4 结语

岩体为河床和岸坡的河流和渠道，一般不存在普遍冲刷问题，只有局部冲刷问题如在泄水建筑物冲刷坑深度计算时要作出评价，对岩石的抗冲性分类的标准与土体的抗冲性分类的标准是不一样的。

土体的抗冲性分类，至于砂性土根据颗粒级配和内摩擦角范围，可以分为极差、差、较差、中等、较好和好共六类;至于粘性土，利用等效粒径与砂性土相对应，其抗冲性可以分为中等、较好和好共三类。

［1］水利水电工程地质手册［M］.北京:水利电力出版社，1985.

［2］GB50487—2008，水利水电工程地质勘察规范［S］.

［3］SL253—2000，溢洪道设计规范［S］.

［4］GB50286—98，堤防工程设计规范［S］.

［5］GB50218—94，工程岩体分级标准［S］.

［6］GB/T50145—2008，土的工程分类标准［S］.

［7］SL265—2001，水闸设计规范［S］.