跨河建筑物防沖刷設(shè)計(jì)研究

跨河建筑物防沖刷設(shè)計(jì)研究

1自然沖刷深度磨損可分為兩種類型：自然磨損（也稱為自然磨損）和受人類活動(dòng)影響的磨損。受人類活動(dòng)影響引起的沖刷一般是由于修建水工建筑物后改變了水流條件而產(chǎn)生的沖刷,而自然沖刷主要是由于河流在自然發(fā)展過(guò)程中,水流與河床質(zhì)的相互作用以及在相互作用的過(guò)程中伴隨出現(xiàn)的河床演變現(xiàn)象。這種作用完全是按其本身的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行的,也就是說(shuō)自然沖刷是在無(wú)人類活動(dòng)干預(yù)的情況下,河流中的水流與河床質(zhì)在相互作用的過(guò)程中產(chǎn)生的河床演變的現(xiàn)象。河道自然沖刷深度的確定在跨河工程建設(shè)中具有重要作用。例如輸水、輸電、輸油等設(shè)施與河流交叉通過(guò)時(shí),只有采用高架或倒虹建筑措施才能跨越。而跨河建筑物的經(jīng)濟(jì)合理性、運(yùn)行安全性取決于對(duì)河道最大自然沖刷深度規(guī)律的掌握程度。另外河床沖刷深度影響流域產(chǎn)沙量,對(duì)流域水土流失研究也有重要意義。但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)自然沖刷研究卻很少,因此開(kāi)展自然沖刷規(guī)律的研究,特別是對(duì)最大自然沖刷深度的研究是非常必要的。2影響自然清潔的因素2.1影響沖刷的因素天然河道水流形態(tài)比較復(fù)雜,是一種不穩(wěn)定流運(yùn)動(dòng),其中有上下擾動(dòng)的紊流、左右兩岸的環(huán)流及行進(jìn)中的渦流以及大洪水時(shí)波、浪的沖擊,構(gòu)成影響沖刷的主要因素。其主要反映指標(biāo)是流速、水深和坡降。2.2礦床物質(zhì)沖刷及流變形態(tài)河床是水流的邊界條件,是水流的沖刷對(duì)象。河床由松散的泥土、沙、礫石等物質(zhì)組成,河床質(zhì)中各物質(zhì)組成比例不同,其沖刷深度和演變形態(tài)亦不盡相同。2.3流域形設(shè)計(jì)斷面以上流域的地形、地質(zhì)、地貌對(duì)沖刷的影響亦較大,如流域坡度、土壤質(zhì)地、地面覆蓋等都影響沖刷。2.4河流的上游段設(shè)計(jì)斷面所處的位置不同,河段的沖刷情況亦不相同。在河流的上游段,一般表現(xiàn)為河床將逐年下切;而在下游段,則河床將逐年淤高;中游段,其多年沖淤結(jié)果近似平衡。2.5其他因素如洪水歷時(shí)、洪水過(guò)程線形狀等對(duì)自然沖刷亦有一定影響。3自然沖刷觀測(cè)為使復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化,遼寧省水文水資源勘測(cè)局以狹義概念上的自然沖刷為基礎(chǔ),根據(jù)水流因素的主要指標(biāo),對(duì)大凌河水文單站實(shí)測(cè)斷面處縱向最大自然沖刷變形(最大天然沖刷深度)進(jìn)行了多年觀測(cè)研究。3.1山地、丘陵水土流失區(qū)大凌河全長(zhǎng)397km,流域面積23550km2。流域地貌分3種類型:(1)土石丘陵區(qū),多分布在大凌河中部,由土石丘陵區(qū)和黃土丘陵區(qū)組成,坡面多為黃(紅)土覆蓋,土層較薄,溝坡巖石裸露,土壤侵蝕比較嚴(yán)重;(2)石質(zhì)山地,分布在大凌河上游,努魯爾虎山山脈東南側(cè)的上腹,山高坡陡,裸巖較多,土層瘠薄,植被稀疏;(3)黃土丘陵風(fēng)沙區(qū),多分布在大凌河支流的上游,此區(qū)除部分山地和少量丘陵區(qū)土層較薄外,大部分丘陵地具有較厚的黃土層,風(fēng)蝕比較嚴(yán)重。大凌河流域多年來(lái)由于過(guò)度放牧、亂砍濫伐、開(kāi)荒種地,大大減少了植被覆蓋率,降低了水源涵養(yǎng)能力及保持水土的性能,水土流失較為嚴(yán)重。大凌河流域的降水量由南向北遞減,南部高值區(qū)年降水量可達(dá)600mm,建平縣北部年降水量在450mm以下,450～550mm等雨量線穿過(guò)整個(gè)大凌河流域。降水量的年內(nèi)年際變化較大,正常年份連續(xù)最大4個(gè)月的降水量約占全年降水量的70%～80%,最大年降水量為最小年降水量的3倍。汛期暴雨集中,降雨強(qiáng)度大,歷時(shí)短。河水陡漲陡落,洪旱災(zāi)害頻繁。3.2次洪水過(guò)程中最大路徑hsvme,hm主要是通過(guò)分析最大有效沖刷流速[最大流速(vm)、始沖流速(vI)之差]與最大沖刷深度的關(guān)系,尋求自然沖刷規(guī)律。不同粒徑顆粒的始沖流速vI值見(jiàn)表1。分別收集大凌河上游、中游、下游的上窩堡、朝陽(yáng)、錦縣三水文站的次洪水流速、流量、水深、泥沙等有關(guān)數(shù)據(jù),計(jì)算最大沖刷深度、始沖流速(vI)等相關(guān)因子。分析建立最大沖刷深度Hs與相應(yīng)流速v、水深h之間的相關(guān)關(guān)系,建立直線相關(guān)方程:Hs=mv+b(1)式中:v為流速;m為斜率;b為截距。3.2.1建立Hs～vme直線相關(guān)方程三站方程為:Hs上窩堡=0.205vme+0.38(2)Hs朝陽(yáng)=0.72vme+0.28(3)Hs錦縣=0.788vme-0.03(4)式中:vme為最大有效沖刷流速,vme=vm-vmI,vm為一次洪水過(guò)程中實(shí)測(cè)最大流速中的最大流速,vmI為最大流速中的始沖流速。3.2.2建立Hs～vme、hm直線方程三站方程為:Hs上窩堡=0.159vmeh0.15m0.15m+0.40(5)Hs朝陽(yáng)=0.479vmeh0.15m0.15m-0.07(6)Hs錦縣=0.604vmeh0.15m0.15m+0.04(7)式中:hm為一次洪水過(guò)程中實(shí)測(cè)最大水深中的最大水深。3.2.3建立Hs～ˉvvˉMI直線方程三站方程為:Ηs上窩堡=0.341ˉvΜΙ+0.4(8)Ηs朝陽(yáng)=1.62ˉvΜΙ-0.9(9)Ηs錦縣=1.437ˉvΜΙ-0.28(10)式中:ˉvMI為平均最大始沖流速,ˉvΜΙ=ˉvΜ-ˉvΙ3.2.4建立Hs～ˉvMI、ˉhm直線方程三站方程為:Ηs上窩堡=0.3ˉvΜΙˉh0.15m+0.04(11)Ηs朝陽(yáng)=1.4ˉvΜΙˉh0.15m-0.8(12)Ηs錦縣=1.161ˉvΜΙˉh0.15m-0.10(13)式中:ˉhm為一次洪水過(guò)程中實(shí)測(cè)平均最大水深。4數(shù)據(jù)分析此次分析均采用大洪水資料,最大流速多為浮標(biāo)測(cè)驗(yàn),始沖流速在取值上可能受慣性作用和不連續(xù)測(cè)驗(yàn)的影響等,對(duì)