多沙河流泥沙冲淤埋深确定方法与应用

赵有信

(山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心,山东 济南 250013)

1 引 言

多沙河流淤积层深厚,如何计算泥沙冲淤深度以确定工程埋深,是涉河项目首先要解决的问题。 针对石油、天然气、供水等管道工程穿越河流的埋深问题,一些专家从河道行洪、通航以及自然景观的影响等方面做了研究[1-3]。 已有研究和工程实践表明,涉河工程埋深的确定,受地质条件、水文情况、防洪要求、施工点环境等多因素影响。 涉河工程建成后,需进行人工回填,恢复河床的地貌形态,基本上不改变河流原有的边界条件和水沙运动规律,因此,如何确定涉河工程埋深的问题就转化为河道泥沙冲淤变化计算问题[4]。

目前,涉河工程冲淤计算已有相应的规范。 涉河桥梁等建筑物主要根据交通运输部发布的《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30—2015)执行,涉河堤防等建筑物按照水利部等发布的《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)推荐的公式计算。 为了确保内河航运安全,《内河通航标准》(GB 50139—2014)还明确了穿河建筑物埋设的富裕值、船舶应急抛锚时锚体的入土深度等。 美国在相关管理技术文件中明确,穿河建筑物顶部到河底之间要有垂直0.91m 的安全距离[5]。已有规范及标准明确的相关要求基于两方面考虑:一方面涉河工程建筑物要有较大埋深以避免受河流冲刷而裸露甚至悬空,造成工程运行事故,另一方面要避免由于埋深过大导致工程造价大幅上升。 两者相比,最关键的还是要确保工程运行安全以免造成巨大的经济损失和社会影响[6]。

近年来,受流域水土保持、河湖综合整治以及河道大坝修建等影响,一些河道的水文情势和边界条件发生变化,原有的泥沙冲淤平衡被打破,自然河道则通过河床淤积或冲刷来进行自我调节[7-8],且同一条河流不同河段泥沙冲淤变化规律不同[9]。 根据黄河下游游荡河段1986—2015 年实测大断面资料分析,小浪底水库运行后黄河下游河道累计冲刷量18.6 亿m3,平滩河宽与水深增加,横断面形态总体向窄深方向发展[10]。多沙河流泥沙冲淤规律的变化,对现有标准下按照设计洪水计算单次洪水最大冲刷深度来确定工程埋深的计算方法带来了影响,也为工程正常运行留下了安全隐患。 本文基于现有规范标准的单次洪水冲刷深度计算方法,综合考虑河道多年泥沙冲淤平衡趋势和历史最大洪水冲刷,研究提出涉河建筑物确定埋深的综合计算方法,为科学合理确定涉河工程建筑物埋深提供依据。

2 计算方法

2.1 影响因子分析

影响穿河管道埋深计算的因素有自然因素和人为因素。 自然因素包括河床地质结构、河道形态、河床演变、水文特性等。 人为因素包括河道水工建筑物修建、河道防洪标准设定、航道建设要求等。

在河道水流(包括人为扰动对河流的影响)与河床边界相互作用下,河床在纵向和横向方向上发生变化。 通常情况下,涉河工程在河床横断面剖面上选取重大冲刷深度确定建筑物埋深且保持高程不变,由于泥沙冲淤引起的河床横向变形对确定最大埋深影响不大,河床沿水流方向由于泥沙冲刷或淤积导致的河床变化,是本文重点考虑因素。

在自然河道泥沙冲淤基础上,涉河项目埋深确定还要考虑与一定时期经济社会发展相对应的边界条件,如通航要求、防洪要求等。 有的为了确保建筑物具有足够的安全埋深,还设定了一定的安全埋深要求,如山东省《涉水建设项目防洪与输水影响评价技术规范》(DB37/T 3704—2019)规定,穿河管道的顶高程宜低于相应设计洪(输)水冲刷线以下1.5m。 本文重点考虑河道防洪标准设定对埋深计算的影响。

2.2 埋深计算方法确定

2.2.1 计算模型

基于上述对河道冲淤和埋深确定影响因素的分析,本研究按照如下步骤计算管道埋深:①计算设计洪水冲刷值;②计算历史最大洪水冲刷值;③分析计算河床高程趋势性升高或降低值;④综合分析确定埋深值。计算公式如下:

式中,Hm为涉河建筑物计算埋深,m;Hs为设计洪水计算冲刷深度,m;Hh为历史最大洪水冲刷深度,m;ΔH为河床多年累积冲刷深度,m;河床多年淤积时,ΔH 取值为0;Ha为安全埋深系数,按照各地规范确定值,m。

2.2.2 设计洪水冲刷值(Hs)计算

对于河道一般冲刷计算,已有大量的研究成果。不同研究者总结出相应的经验公式且得到一定的应用,如lacey 公式、谢鉴衡公式、HEC-18 公式等。 根据长期生产实践和研究,《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30—2015)给出了非黏性土和黏性土河槽、河滩的一般冲刷计算公式,也就是通常说的64-2 简化公式(输沙平衡原理)和64-1 修正公式(冲止流速原理);在总结多年研究和实践的基础上,《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)给出了主槽及滩地一般冲刷深度的计算公式。 为了严格引用相关规范设计公式表述,本文中的设计供水冲刷值(Hs)在下列公式中用hp或hs表示。

非黏性土河槽一般冲刷64-2 简化公式如下:

式中,hp为桥下一般冲刷后的最大水深,m;Qp为设计流量,m3/s;Q2为桥下河槽部分通过的设计流量,m3/s;Qc为天然河槽部分设计流量,m3/s;Qt1为天然状态下桥下河滩部分设计流量,m3/s;Bc为计算断面天然河槽宽度,m;Bcg为桥长范围内河槽宽度,m;Bz为造床流量下河槽宽度,m;λ 为设计水位下,在Bcg宽度范围内,桥墩阻水总水面与桥下过水面积的比值;μ 为桥墩水流侧向压缩系数;hcm为河槽最大水深,m;Ad为单宽流量集中系数;Hz为造床流量下河槽平均水深,m。

非黏性土河槽一般冲刷64-1 修正公式如下:

式中,Bcj为河槽部分过水净宽,m;hcq为桥下河槽平均

《堤防工程设计规范》计算公式:

式中,hs为局部冲刷深度,m;H0为冲刷处的水深,m;Ucp为近岸垂线平均流速,m/s;n 与防护岸坡在平面上的形状有关,取n =1/4 ~1/6;η 为水流流速不均匀系数;U 为行近流速,m/s;Uc为泥沙起动流速,m/s。 黏性土与砂质河床泥沙起动流速采用张瑞瑾公式计算:

式中:γ 为水的重度;γs为泥沙重度;d50为泥沙中值粒径。

lacey 公式表达式如下:

式中,hs为设计断面的最大冲刷坑深度,m;k 为冲刷坑系数,一般取0.25;Qf为设计洪水流量,m3/s;Dm为床沙粒径,mm。

上述单次洪水冲刷计算公式在不同的生产领域得到应用,但不同公式计算结果差异较大。 如根据对某工程最大可能冲刷深度分析[11],按lacey 公式计算水流局部冲刷坑深度为5.9m,按公路规范64-1 修正公式计算河床冲刷深度为11.8m。 徐世明等[12]对不同计算公式作了分析比较,认为跨河桥梁工程桥墩处局部水流变化大,宜采用行业推荐的公式计算,而路堤结合工程以及穿河管道工程,可采用水利行业推荐的冲刷计算公式。 总体而言,桥渡计算冲刷深度较水利行业设计规范对应的冲刷深度计算成果均偏大,采用桥渡冲刷计算成果偏于工程安全。 本研究中采用多种方式进行计算比较,按照有利于工程安全的要求选取计算结果。

2.2.3 河床多年冲淤值(Δ)计算

对于一些河流,多年持续的冲刷或淤积,将会整体性降低或抬高河底高程,特别是近年来随着流域综合治理,大部分河道水流含沙量减少,对河道形成冲刷,河槽下切,在进行管道埋深计算时应予以考虑。 计算年份按照工程设计年限设定,起始年份为工程开工年份。 通过已有监测资料,采用统计学方法预测今后一段时期内(设计年限)河床最低点高程可能的变化,确保工程安全运行。 具体根据施工断面河道及水文监测资料可获得性进行分析计算:

a. 施工河段有河床高程实测资料时,采用统计学方法如5 年滑动平均法等,分析计算河床高程升高或降低的数值。

b. 施工河段上下游断面有实测含沙量(输沙量)资料时,可根据上下游断面之间的输沙量变化分析计算河床高程升高或降低的数值。

c. 施工河段附近有水位流量资料时,根据水位流量关系曲线分析计算河床高程升高或降低的数值。

3 实例计算

选取徒骇河的堡集闸断面和大汶河的楼德断面进行实例计算。 堡集闸断面位于山东省滨州市,徒骇河中下游;楼德断面位于山东省新泰市,大汶河南支。 这两个断面都设有水文站点,相应的监测资料丰富,且多年泥沙冲淤变化大,相应河段经济社会发展快,涉河建筑物多,具有一定的代表性。

3.1 设计洪水和历史洪水最大冲刷深度计算

根据历年实测资料及《山东省海河流域防洪规划报告》等分析计算,堡集闸断面50 年一遇洪峰流量为1380m3/s,调查历史最大洪峰流量1180m3/s(2010 年8月)。 采用堡集闸(闸下游)2020 年6 月实测大断面成果,依据曼宁公式计算堡集闸相应洪水位,即50 年一遇洪水位为7.43m,历史最大流量对应洪水位为6.91m。

计算水文要素见表1,冲刷计算结果见表2。

表1 堡集闸站计算水文要素

表2 堡集闸站冲刷计算结果

根据历年实测资料及《山东省黄河流域大汶河河道防洪规划报告》等分析计算,楼德断面50 年一遇洪峰流量为4218m3/s,调查历史最大流量2660m3/s(2001 年8 月)。 采用楼德站2020 年3 月实测大断面成果,依据曼宁公式计算楼德站相应洪水位,即50 年一遇洪水位为117.09m,历史最大流量对应洪水位为116.23m。 计算水文要素见表3,冲刷计算结果见表4。

表3 楼德站计算水文要素

表4 楼德站冲刷计算结果

3.2 河床高程趋势性冲刷或淤积值计算

堡集闸断面和楼德断面均有多年实测河床高程数据,图1 和图2 为两个断面1990—2020 年河床高程变化过程。 1990 年以来堡集闸断面河床高程相对稳定,但是2020 年主河槽冲刷明显,和1990 年相比,2020 年河底最低点下切1.67m,年均下降0.056m。 楼德断面2009 年以来河床趋势性下切过程明显,和1990 年相比,2020 年河底最低点下切达3.27m,年均下降0.109m。 按照工程设计年限20 年计,堡集闸断面和楼德断面主槽将累积冲刷1.12m 和2.18m。

图1 堡集闸水文站河床高程变化

图2 楼德水文站河床高程变化

3.3 埋深值计算

根据上述设计洪水和历史洪水最大冲刷深度计算结果,可以看出,堡集闸断面和楼德断面在50 年一遇设计洪水条件下计算的最大冲刷深度,均大于等于历史最大洪水计算的冲刷深度,因此按照设计洪水计算结果取值。 堡集闸断面采用4 种公式计算,其中Lacey公式计算的冲刷深度最大;楼德断面采用4 种公式计算,其中《堤防工程设计规范》推荐的计算公式计算的冲刷深度最大。 从保证工程最大安全角度出发,分别选取不同计算结果中冲刷深度最大值,即堡集闸断面和楼德断面取值分别为1.79m 和2.66m。 按照山东省《涉水建设项目防洪与输水影响评价技术规范》(DB 37/T 3704—2019),Ha取值为1.5m,堡集闸断面多年累积冲刷深度1.12m,在安全范围之内,按照1.5m 取值;楼德断面多年累积冲刷深度2.18m,超过安全范围,按照2.18m 取值。 综合上述分析,按照本研究提出的计算模型,考虑多年泥沙冲淤,堡集闸断面和楼德断面计算埋深分别为3.29m 和4.84m。

4 结论与讨论

根据泥沙冲淤平衡原理计算多沙河流涉水工程埋深,在生产实践中具有重要意义。 本文研究提出了设计洪水多种计算公式最大冲刷结果比较、历史最大洪水冲刷复核以及引入泥沙多年冲淤数值的涉河工程埋深计算模型,并选取典型河流进行了实例计算。 结果表明,按照本文研究模型计算涉河工程埋深,能够更好地确保工程安全,减少河流泥沙长期冲刷可能造成的安全隐患甚至重大事故。

随着生态文明建设深入推进,流域综合治理加速,未来一段时期我国大多数河道将会出现入河泥沙总体下降趋势,可能导致一些河段河床处于长期冲刷状态,综合考虑多种因素计算涉河工程埋深,对保障工程安全具有现实意义。

泥沙冲淤机理十分复杂,目前大多研究和工程实践中采用经验公式计算洪水冲刷深度。 由于不同河流不同河段泥沙颗粒组成、水文情势、水流力学特性等处于动态变化状态,采用不同的公式计算结果差异较大,而且不同的研究者选取不同的断面计算结果完全不同,因此,采用《公路工程水文勘测设计规范》《堤防工程设计规范》等规范标准中推荐的公式和一些比较成熟的经验公式进行综合比较分析,能更有利于确保工程安全。 另外,本文仅探讨了顺直河段的涉河工程埋深计算问题,对于弯曲河道或者游荡性河道等,还要根据实际情况考虑其他因素以科学计算穿河管道埋深。