河道治理工程中河道冲刷研究

曾 强

(深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518000)

河道冲刷作用是影响河道岸坡稳定性的主要因素。目前，已经有较多的专家学者对河道岸坡冲刷机理进行了相对深入的研究。王浩等考虑单洪峰过程对河道岸坡冲刷量的影响，建立了不同河道形态河道冲刷量公式；董炳江等认为影响三峡水库下游河道冲刷的主要因素为洪水时长和泥沙含量；岳志春等以水力学、泥沙动力学为基础，认为流量大小是影响河道冲淤的主要因素；王蕊结合河道冲刷二维数学模型对河道冲刷物理模型试验进行分析，认为河道中部冲刷深度大于两侧；王功成等结合府谷县皇甫川堤防工程，对冲刷及渗流稳定性进行分析，研究了不同断面的冲刷结果。水流在行进过程中会对岸坡产生直接的冲刷影响，同时河水入渗对岸坡稳定性的影响也不容忽视。因此，在现场调查的基础上，对河道二元结构岸坡在不同水位、水流流速以及含沙量等条件下的横向冲刷进行研究。

1 工程概况

叶尔羌河是新疆一条重要的河流，每年都会发洪水，且洪水含沙量较高，对河道产生了较为严重的冲刷，严重威胁到两岸居民的正常生产生活。以叶尔羌河某段治理工程为例，对该段河道冲刷进行分析。

2 岸坡冲刷计算

2.1 计算方法

当近岸水流流速大于河道岸坡砂土层的启动流速时，该土层将会被不断侵蚀冲刷，直至掏空。当河水携带较多泥沙时，需要考虑泥沙淤积对岸坡形态的影响。假冬冬等在2011年提出河道冲刷计算公式，该公式计算参数的获取较为简单，且可以考虑泥沙淤积的影响，计算公式如下：

(1)

式中，ωb—河道水平冲刷速率；u—近岸水流流速；uc—泥沙启动流速；ρb—岸坡土体密度；λ—系数；γ，γb分别为水、河岸泥沙的重度；ωs—泥沙沉降速率；β—水位以下岸坡坡角。

由式(1)可知，有较多的因素影响河道的冲刷结果，如岸坡土体密度、岸坡坡度、泥沙启动流速、水流流速、含沙量等。

2.2 参数获取

2.2.1叶尔羌河治理段流量和含沙量

根据喀群站55年月、年实测径流系列，其年内分配统计结果见表1。叶尔羌河属典型冰川补给河流，因此年内分配极不均匀，从表1中可以看出，喀群站径流量主要集中在6—9月，且占全年径流的79.0%，而最小三个月径流量只占年径流量的5.9%以下。各月径流量占全年径流量百分比如图1所示。

表1 喀群站径流量年内分配表

表2 喀群站多年平均悬移质含沙量、输沙量年内分配表

图1 喀群站年径流量月分配柱状图

根据喀群站55年径流统计资料，多年平均年径流量为66.14×108m3，年径流量变差系数为0.19。最大年径流量为95.53×108m3(1994年)，最小年径流量为44.68×108m3(1965年)，最大年径流量与最小年径流量的比值为2.14，年径流量年际变化不大。

喀群站有1957—1967年、1972—2008年共48年完整的连续悬移质泥沙实测资料，具有一定的代表性，悬移质泥沙特征见表2。

喀群站多年平均悬移质含沙量为4.58kg/m3，最大日含沙量为1998年6月3日，达698kg/m3；多年平均最大月含沙量为8月的6.41kg/m3。多年平均悬移质输沙量为3028×104t，悬移质输沙模数为603t/km2。

2.2.2计算水位

天然河道水面曲线计算主要采用试算法，设计洪水位计算结果见表3。

表3 防洪水位设计高程一览表

2.2.3其他计算参数

影响岸坡冲刷情况的因素极多，除了水位、泥沙含量、水流量外，土体密度、侧蚀系数、泥沙启动流速等因素也较为重要。叶尔羌河治理段土层主要包括：粉质黏土、砂卵石层。粉质黏土以及砂卵石层中的细砂、中砂的综合影响系数取值分别为5.1×10-6和1.9×10-6。不同水位深度的河水流速可按下式计算[7- 8]：

(2)

式中，v—计算河段河水流速；h—水深；y—计算河段水深；m—经验相关的系数。叶尔羌河泥沙计算参数见表4。

表4 泥沙计算参数

计算断面选取此次治理段典型断面，以叶尔羌河左岸为例，计算断面示意图如图2所示。此次主要计算河道水位从正常水位上升至P=10%洪水水位，以及两种含沙量(0.1、0.2kg/m3)情况下，河道的冲刷，计算结果如图3所示。从图3中可知，正常水位情况下，水流流速较小，叶尔羌河的河水冲刷程度较低，在水位不断上涨的过程中，水流流速不断增大，此时河水冲刷程度也在不断加大。在水位从正常水位上升至P=10%洪水位的过程中，不同含沙量(0.1、0.2kg/m3)河水横向冲刷距离分别为5.2、7.1m，这表明，在河道水位相同的情况下，河水中含沙量越大，河水横向冲刷距离越小。

图2 计算示意图(45+427断面)

图3 计算结果

叶尔羌河水位是一个动态变化过程，每年都要经历从低水位到高水位的动态变化，因此，河道冲刷也是一个动态变化过程，计算结果如图4所示。由图4可知，河水对岸坡的冲刷一般是从坡脚开始的，当河水位处于较低水平时，岸坡冲刷量处于一个较低的水平，随着河道水位的不断上升，岸坡冲刷范围以及累积冲刷量在不断增大。当水位达到P=10%洪水位时，洪水的大流量、高流速造成河道冲刷量不断增大，最大累积冲刷量达到7.8m左右，在粉质黏土层，由于冲刷时间较短，该层的冲刷量较少，而下部卵石层中的砂层被侵蚀、被冲刷而造成上部粉质黏土层底部悬空，也可以从一定程度上增大河道岸坡的坡度，这将增大河道岸坡发生塌岸的概率。

图4 水位上升阶段岸坡冲刷结果

在河水下降的过程中，初期水位仍处于较高的水平，但砂卵石层中的砂层冲刷距离较大，随着水位的持续下降，砂层冲刷距离将继续增大，当水位下降至正常蓄水位后，岸坡坡度已经发生了较大的变化，此时，岸坡的稳定性将变差。

3 结论

(1)通过资料收集获取叶尔羌河的岸坡冲刷计算参数，由计算结果可知，岸坡冲刷程度与河水流速、含沙量等因素关系密切。

(2)在河水位上升过程中，岸坡冲刷范围和累积冲刷量不断增大，在水位下降的初期，水位处于较高的水平，岸坡表层粉质黏土层、砂层均受到冲刷，随着水位的不断下降，冲刷距离逐渐增大。

(3)在河道冲刷影响下，河道岸坡坡角会产生一定的变化，对岸坡稳定性产生较大的影响，在河道治理工程中应当注意。