河流泥沙起动流速总结与应用

霍中迁，李甲荣

(江苏省淮安市水利勘测设计研究院有限公司，223005，淮安)

我国地域辽阔，水利工程涉及的地质情况千差万别，主要有砂土、黏土、壤土等；河道设计中常常会遇到泥沙河床的河道，而此时河道的冲刷问题就成为首要问题，要想在有限的投资内更好地发挥河道的最大效益，就要对河道断面进行合理的设计，其中一个控制因素就是河道的流速，而流速取决于泥沙的起动流速。本文分析总结了前人对泥沙起动流速的研究成果，并结合工程实际进行应用取得了很好的效果。

一、工程概况

江苏朝东圩港河道工程，河道长11.68 km，设计排涝流量为17.4～216.0 m3/s，设计引水流量 105.0～214.0 m3/s。根据河道断面，河道排涝时流速为0.07 m/s～0.76 m/s， 引水 时 流速为0.51 m/s～0.82 m/s。

根据朝东圩港河道工程地质报告，构成河道边坡的主要土层有第1、2、3、5-1、5-2、6 层。 1 层为素填土或杂填土；2层为重粉质壤土夹中粉质壤土；3层为重粉质砂壤土夹壤土；5-1层为重粉质壤土夹砂壤土；5-2层为粉质黏土夹黏土；6层为粉砂土。

本工程中主要出现的土层为第1、2、5-2、6 层。第 1、2、5-2 层土质相对较好，稳定性及抗冲性能较强，不用护砌；第6层粉砂，易产生渗透破坏，抗冲刷能力差，且粉粒含量占约30%。

根据《水力计算手册》，各土层的不冲流速及设计最大流速见表1。

经计算本工程的水力半径R=1.60～2.20，则 Rα=1.09～1.31。

第6层粉砂的允许不冲流速经计算为：0.13～0.52 m/s。取中间粒径粉砂的允许不冲流速为0.28 m/s。

根据以上结果，本段河道边坡及河道底部均为第6层粉砂，均不能满足河道允许不冲流速的要求，因此需对第6层土采取防护措施。

二、初选河道护砌方案

根据以上结果，需对河道边坡及河底进行护砌。对护砌材料的选用，从生态学的观点出发，优先采用生态材料，其次采用混合材料，最后才考虑采用刚性材料。而本工程的6层粉砂抗冲性能差，经分析即使种植草皮也不能完全改善其抗冲性，故生态护坡方案不予采纳。

因此，本工程河道断面的护砌材料分别选用混合材料及刚性材料进行比较，方案1为换填碎石+混凝土框格，方案2为换填黏土+混凝土框格（黏土主要取自2层重粉质壤土），方案3为浆砌块石护坡，方案4为水泥土护砌，方案5为混凝土混凝土现浇护坡，方案6为联锁式护坡砖护砌，各方案主要优缺点详见表2。

由表2可见，方案1造价适中，该方案采用将6层土表面挖除换填碎石+混凝土框格的护面形式，比较自然、生态，透水性较好，且碎石的抗冲刷能力较强，易满足河道过流要求，施工时可在坡脚处设倒滤层排水，施工相对简单，实施风险较小。但考虑到将来河道疏浚时易将碎石带走，故本方案不予考虑。

方案2利用河道挖出的2层重粉质壤土换填，造价较低，且不影响绿化种植，生态景观性较好，黏性土的抗冲刷能力较强，易满足河道过流要求。但回填黏土需进行强降水以保证基坑干燥，影响河道两岸建筑物的安全使用，实施风险和难度较大。由于是采用上层黏土回填，施工质量不易得到完全保证。故本方案不予考虑。

表1 各土层的不冲流速及设计最大流速

表2 护砌方案比较表

方案3造价较高，且浆砌块石护坡不能为水生植物的生长、水生动物的繁育和栖息创造良好的生态条件，对改善河道水质的良性循环不利，故也不予考虑。

方案4造价略高，该方案直接利用第6层的粉砂土与水泥搅拌后摊铺，为12%的20 cm厚水泥土，河底每隔15 m左右设透水隔埂。该方案施工简便，比较自然、生态，抗冲刷能力强，河底护砌拟采用本方案。

方案5造价偏高，该方案采用C20现浇10 cm厚混凝土护坡，下设7 cm黄砂垫层及一层土工布。由于为全现浇混凝土护坡，生硬呆板，生态性较差。故本方案不予考虑。

方案6造价偏高，采用独特连锁设计的连锁式护坡砖，砖下铺一层土工布作为反滤层。整个护坡在水流作用下可以具有良好的整体稳定性，同时高开孔率一方面可以起到渗水排水的作用，另一方面起到增加植被面积、美化环境的作用，可以调节河道的生态性。故平台以下部分护坡采用本方案。

经过初步比选，采用方案4和方案6结合的护砌措施。

三、前人研究成果总结

对泥沙的研究有很多研究方向，而泥沙的起动条件是泥沙研究的最基本课题之一。国内外学者曾进行过大量的研究，取得了很多成果。到目前为止，所提出的无黏性颗粒的起动公式不下百个，但由于各自采用的研究方式的不同、选取的边界条件的差异、采用的起动标准不同，加上各自实测资料的差异，尽管各自公式基本上都通过了理论分析及实测资料的验证，但公式在形式及计算结果上也有较大的差异，并且很多差异也无法解释，之前也很少有学者对这些差异进行分析研究。但是总结多数学者的研究成果，其中也会找到一定的规律，把一些计算结果进行对比分析，也可总结出一些相对统一的成果。

1.不同学者研究成果的统一

泥沙开始运动时的水力学指标一般用剪切力与垂线平均流速来表示，而垂线平均流速一般又有指数型与对数型两种表达形式。国内学者针对长江上游及川江卵石推移质问题，开展了许多研究，提出了一系列起动流速公式，最终可统一为泥沙起动流速公式：

式中，U为起动流速，d为颗粒粒径，h为水深，K为经验系数。

2.对国内外数十种研究经验数值的总结

虽然国内外研究泥沙起动流速的方法有很大差异，有通过实验室研究、野外多年观测总结、计算机模拟试验等方式，总结出来的公式千差万别，但经过统一与转换，可得国内外多种经验公式，K值一般在3.37～7.86之间，见表3。

从表3可以看出，系数K取值范围还是比较大的，最大值与最小值之间相差较大。出现这样大的差异主要原因还是各自所采用的研究方法、选取的边界条件以及假设条件等不同造成的，所以虽然公式能够得到基本的统一，但是人们在参考、选用时就很难，选择参考的不同就会造成结果存在很大的差异性。

表3 起动条件统一公式系数表

3.前人的经验和建议

①普遍规律：在水力条件、相对暴露度及河床泥沙组成一定时，起动流速随起动级别的增大而增大；在水力条件、泥沙组成及起动级别一定时，起动流速随河床表面颗粒暴露度的减小而增大；在水力条件、相对暴露度及起动级别一定时，起动流速随泥沙组成而变，对同一粒径级而言，泥沙组成愈粗起动流速越大。

②总结大多数学者的研究结果，同一级配泥沙，起动流速并非一个常数，而是一个区间值，原因是多方面的，但河床表面因素是主要因素。

③在起动标准、水力条件及相对暴露度一定时，非均匀沙颗粒同均匀沙中同粒径沙相比较，较粗颗粒容易起动，较细颗粒恰好相反，同粒径颗粒则基本相同，即在同等条件下非均匀沙起动流速比均匀沙小。

④所有外界条件相同时，平顺河道及水流稳定区泥沙的起动流速大于其他情况。比如在水面线附近、河道转弯处、河流交汇口处等，水流条件很复杂，泥沙是否会起动就不单单由顺河向的流速决定了，还与其他多方面因素有密切的关系；但是目前，对于整个河流断面从上至下不同区域的研究还不够完善，故随着学者研究的进一步深入，泥沙颗粒起动公式的精度将进一步提升。

四、工程应用

根据前人的研究成果，结合本工程地质情况，将相关数据代入泥沙起动公式进行计算。

结果可知，本河道工程泥沙起动流速比常规方法选择的起动流速有较大的提高，大约能提高30%，与河道实际流速更接近了。

结合计算结果及前人的研究成果及经验，经过分析研究，对原设计方案进行进一步的优化：

①本工程河道最北端与长江交汇处，水流条件较复杂，容易形成冲刷，故将河道最北端约1km河道设计断面加大，河底加宽，边坡放缓，这样有效地降低了河道流速，减小了冲刷的可能性。

②由于本工程河道较为顺直，河道流速相对平稳，虽然根据计算结果引、排水时流速仍大于河床泥沙的起动流速，但是根据学者的经验，本河道河床泥沙较为均匀，较不均匀泥沙起动流速将更大，故仅对水位变动区、河坡坡脚以及有支流河口处河坡进行护砌，其他部分不采取护砌措施。

优化设计后与原方案相比，投资节省很多，现在工程已经投入运行2年多，河道边坡稳定，没有发生大面积的冲刷问题，运行情况良好，得到了业主的好评。

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