[科普中國]-沖刷深度

堆積體作用下的河道最大沖刷深度

受地震、暴雨的影響，破碎的山體易發(fā)生滑坡、泥石流等，在河流岸邊形成堆積體，改變了河道水流邊界條件，在堆積體下游附近形成沖坑。通過動床水槽試驗，研究了不同堆積體作用下的最大沖刷深度。結果表明，最大沖刷深度隨流量、堆積體尺寸增大而增大。采用一些常見的丁壩、橋臺最大沖深公式對試驗成果進行了計算，但由于水流結構差異及公式適用范圍限制，計算結果與實測值普遍相差較大。因此，參考丁壩、橋臺沖刷深度計算的研究成果，充分考慮各影響因素作用，采用因次分析法，建立了堆積體作用下河道最大沖刷深度計算公式的基本形式，并根據實測資料擬合了公式參數。1

丁壩、橋臺公式的試算結果比較分析其原因，其中很重要的一 點是水流結構的不同，導致沖刷機理的不同。認為在丁壩、橋墩的背水面存在 劇烈的水流紊動，部分學者認為，繞過丁壩、橋墩的下潛水流也起到了沖刷的作用。而堆積體表面上下端銜接比 較光滑，水流漸變過渡，至使堆積體下游的水流結構與丁壩等有差異，繞流紊動摻混強度降低，且堆積坡度較小 ( 該試驗的坡率為30° )，使得下潛水流對沖坑的影響有限。1

影響堆積體附近局部沖刷深度的因素影響堆積體附近的沖刷深度主要有以下幾個方面： ( 1 ) 水流流動的特征因素，主要包括水深和流速方面的參 數； ( 2 )堆積體的特征因素，主要有堆積體與水流夾角影響系數、堆積體的形狀系數和邊坡系數； ( 3 )河床床沙的 特征因素，主要是床沙粒徑 。1

水流流動的特征因素對沖刷深度的影響水流的流動特征因素主要有流向堆積體邊緣的垂線平均流速 V、起動流速 V0 、起沖流速 Vs和天然水深 h。1

堆積體的特征因素對沖刷深度的影響堆積體的特征因素主要有堆積體與水流夾角影響系數Kα、堆積體的形狀系數Ks、堆積體的邊坡系數Km 。

在總結和借鑒丁壩、橋臺沖刷研究成果的基礎上，充分考慮影響堆積體沖刷的主要因素，利用因次分析法，采用水槽試驗數據建立了堆積作用下河道最大沖刷深度的經驗公式。該公式能夠反映堆積體尺度效應，更適合堆積體最大沖刷深度的計算。1

大橋復合橋墩局部沖刷深度的計算分析橋墩的沖刷毀壞是橋梁失事的重要原因。為保證橋梁安全，需要準確評價橋墩沖刷深度。結合某跨海大橋，使用較為可靠的HEC-18 公式對其復合橋墩的局部沖刷深度進行研究。計算結果表明，該大橋最大的可能局部沖刷深度發(fā)生在主橋主墩，復合橋墩中群樁部分造成的沖刷深度為橋墩沖刷的主要部分，且隨流速增大，其在總沖刷深度中所占比例也增大，總沖刷深度對承臺吃水深度變化不敏感。進一步分析表明，復合橋墩的沖刷深度隨水流斜交角的變化規(guī)律與簡單橋墩有較明顯區(qū)別，關系更為復雜。2

研究背景水域中建造橋梁時，橋墩會對周圍的水流產生顯著的影響。簡單橋墩周圍的水流結構，主要有橋墩前部的下降水流、下部的馬蹄形漩渦、前邊的表層漩滾和下游的激發(fā)漩渦。這些影響使得局部泥沙運移能力增強而導致沖刷，甚至還會威脅結構的安全。2

跨海大橋造價高，長度大，跨度寬，環(huán)境更為復雜，一旦失事，損失極大。為避免因為橋墩局部沖刷造成橋梁水毀，對局部沖刷進行過系統(tǒng)的試驗和理論研究。2

大橋有兩種設計方案，兩方案除承臺厚度有所差異外，其余結構設計基本一致。兩方案的橋墩承臺頂高程相同，但方案二比方案一的橋墩承臺增加了0。5m 厚的護底，吃水較深，將其分別稱為淺吃水方案和深吃水方案。針對兩種設計方案進行計算，分析兩種方案的最大可能沖刷深度，為大橋設計提供依據。并對其做進一步的分析，研究復合橋墩各部分吃水深度與局部沖刷總深度的關系以及水流方向對復合橋墩沖刷深度的影響。2

復合橋墩沖刷深度使用HEC-18 公式計算并分析了某跨海大橋淺吃水和深吃水兩種方案的復合橋墩沖刷深度，1）2 種方案的最大局部沖刷深度均發(fā)生在主橋主墩，淺吃水方案為4。37m，深吃水方案為4。45m，但2 種方案的沖刷深度對承臺的吃水深度變化并不敏感。2）2 種方案從局部沖刷深度的角度相比較，承臺深吃水方案沖刷深度略大，但差別小，沒有明顯的優(yōu)劣之分。3）群樁在沖刷深度的總量中貢獻最大，與群樁長度占橋墩在水體中浸沒深度的百分比有著明顯的正相關關系。但隨著流速的增大，群樁在總沖刷深度中的貢獻比例顯著增加。4）復合橋墩的局部沖刷深度與水流斜交角的相互關系較為復雜，與簡單橋墩局部沖刷深度隨水流斜交角變化規(guī)律有著較明顯的區(qū)別，需要使用相應的計算方法才能較好的體現其變化規(guī)律。5）僅討論了復合橋墩承臺較高情況時的沖刷深度，由于工程中將承臺位置安置在河床（海床）面附近的設計逐漸增多，需要對這種結構布置的沖刷情況進行進一步的研究。2

洪水沖刷深度的預測沖刷深度：總沖刷深度為自河床面算起的河床自然演變沖刷、一般沖刷與局部沖刷深度之和。

在洪潮水流共同作用下河床沖淤劇烈 ， 極端洪水條件下河床的沖刷深度是過江隧道工程的關鍵問題之一 。基于河床演變分析 、 動床數值模擬和動床物理模型等研究手 段 ， 建立 了河口過江隧道河段洪水沖刷深度的預測模型 ， 分別經河口的典型實測地形、水流泥沙及河床沖淤等實測資料進行驗證 。在此基礎上預測了某過江隧道河段在極端洪水作用下河床最大沖刷深度 ， 三種研究方法所得的結果定性定量基本合理 ， 且與地質詳勘的沉積分析成果基本一致 ， 進一步表明了預測模型的可靠性 ， 預測的最大沖刷深度可為過江隧道的合理埋設提供科學依據 。3

過江隧道河床極端洪水沖刷深度的預測根據河床演變分析 ， 隧道所在河段的河床沖刷一般發(fā)生在流域汛期 4 ～7 月 ， 系洪水沖刷所致 。洪水沖刷深度不僅與洪峰流量有關 ，而且與汛期的洪水總量有關 。因此隧道斷面設計條件下河床沖刷的水流邊界條件應是流域發(fā)生的洪水過程 ， 以及汛期 4 ～7 月的洪量也基本達到這樣極端的洪水過程 。為此根據建立的 3 種預測方法 ，進行隧道河段在極端洪水作用下沖刷深度的預測研究 。3

河床演變分析洪潮水流作用下對河床沖淤幅度大 ， 在此河段埋設過江隧道 ， 極端洪水作用下的沖刷深度是工程設計的關鍵參數之一 。單一的研究方法難以保證結果的可靠性 ， 采用多學科的研究手段綜合分析確定非常必要 。3

1）基于河床演變分析的方法 ， 根據河口河相關系式建立隧道斷面洪水沖刷面積與錢塘江河口汛期平均流量 、最大月平均流量和洪水洪峰流量的回歸預報關系 ， 通過實測地形資料進行相關性和顯著性檢驗 ， 結果表明基于河床演變分析的預報模型的精度可用于實際預報 。3

2）基于建立的洪水沖刷深度預報模型 ， 綜合研究了河段在極端洪水作用下的沖刷深度 ， 探討了模型水沙邊界條件的確定 ， 并對各預測模型的成果進行了討論 ?；诤哟惭葑兎治龅姆椒?、動床數學模型及動床物理模型的預測成果與地質詳勘的實測資料基本吻合 ， 表明了預測模型的可靠性 ， 綜合研究得到的預測成果可為過江隧道的合理埋設提供科學依據 。3