河道一般沖刷深度分析計(jì)算孫雙元要求

闡明：本摘抄來自水規(guī)總院的孫雙元，目的在于將沖刷計(jì)算用于水調(diào)工程的設(shè)計(jì)之中。本摘抄共有兩部分有關(guān)沖刷計(jì)算的內(nèi)容第一部分6．河道普通沖刷深度分析計(jì)算6．1沖刷深度計(jì)算辦法在天然河道上修建建筑物后，由于縮窄了河道寬度，增加了單寬流量和過水?dāng)嗝媪魉?，從而引發(fā)的河床沖刷和變形可稱為普通沖刷。根據(jù)水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)<南水北調(diào)中線工程渠道倒虹吸土建部分初步設(shè)計(jì)大綱》中的規(guī)定，普通沖刷按《鐵路橋渡勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》TBJl7—86(鐵道鄯1987年7月)規(guī)定的辦法進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)對(duì)青沙菏南、北兩汊過水?dāng)嗝嫘螒B(tài)和河床質(zhì)分析，應(yīng)按“規(guī)范”中規(guī)定的非粘性土河床及單—河槽計(jì)算。非粘性土河床的河槽普通沖刷公式以下：E系數(shù)表含沙量(kg／m3)<1．O1～10>10EO．46O．66O．866．2交叉斷面附近河床質(zhì)及平均粒徑應(yīng)用上述公式計(jì)算河道普通沖刷時(shí)，需分析擬定交叉斷面河床質(zhì)的平均粒徑。根據(jù)我院地勘隊(duì)提供資料，南沙河與總干渠交叉河段南槽倒虹吸長(zhǎng)1200m，有一種地質(zhì)縱剖面(沿建筑物軸線地質(zhì)縱剖面和三個(gè)地質(zhì)橫剖面)，布孔17個(gè)，孔深20～62．2m，孔距24～150m。河床巖性為粗、細(xì)粒雙層構(gòu)造，分屬第二工程地質(zhì)單元和第三工程地質(zhì)單元。第二工程地質(zhì)單元分布亍河床0～18m，其上部為砂卵石含漂石，卵石磨圓度較好，大部分砂較純凈；下部砂卵石、中卵石含量偏低，普通無漂石，砂中含土質(zhì)較多。經(jīng)篩分平均粒徑d50=52．9mm。北槽倒虹吸全長(zhǎng)800m，共布有19個(gè)鉆孔，構(gòu)成建筑物軸線縱剖面和四條橫剖面、孔距25～150m，孔深20～40m，自地表至lom深度內(nèi)屬第二工程地質(zhì)單元，河床質(zhì)由砂卵石構(gòu)成，砂卵石中含漂石，卵石含量約60～70％，次磨圓度。經(jīng)篩分平均粒徑d50=84．3mm。6．3計(jì)算成果根據(jù)上述南沙河南、北槽河床質(zhì)平均粒徑等數(shù)據(jù)和普通沖刷公式，對(duì)南北槽不同方案、不同原則洪水進(jìn)行沖刷分析計(jì)算，成果見表6一l在計(jì)算中，對(duì)亍南沙河南槽倒虹吸的設(shè)計(jì)方案和補(bǔ)充方案1，考慮不同原則洪水的主槽流量約占河槽總過流量的85％～95％左右，為了工程安全，無視灘地行洪，總過流量全部計(jì)入主槽內(nèi)，推算河槽部分的沖刷深度。第二部分水流阻力相似、水流挾沙相似、泥沙懸移質(zhì)相似、泥沙起動(dòng)相似、懸移質(zhì)引發(fā)的河床沖淤變形相似和河型相似七個(gè)方面。另外，為確保模型與原型水流流態(tài)相似，還需滿足下列兩個(gè)限制條件：(1)模型水流必須是紊流；(2)水流不受表面張力的干擾。穿河工程所在河段河槽寬淺，模型必須通過幾何變態(tài)來滿足模型處在紊流區(qū)且使水深滿足不受表面張力影響的規(guī)定。根據(jù)場(chǎng)地條件，擬定水平比尺為500，垂直比尺為80，幾何變率為6．25。根據(jù)水流相似條件，求得流速比尺為8～4，流量比尺為357771，由水流阻力相似條件求得糙率比尺為0．83，水流運(yùn)動(dòng)時(shí)間比尺為56等。(4)壅水計(jì)算法壅水計(jì)算涉及壅水高度與壅水長(zhǎng)度計(jì)算。根據(jù)建筑物的類型，大型渠穿河工程的壅水高度計(jì)算采用兩種公式，對(duì)于板梁式渡槽的壅水高度采用《中國(guó)工程師手冊(cè)》水利類(上)中提供的公式計(jì)算，對(duì)于渠穿河倒虹吸的壅水高度計(jì)算則采用《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TBl0001—99)中的有關(guān)公式進(jìn)行?！吨袊?guó)工程師手冊(cè)》水利類(上)中壅水高度計(jì)算公式形式以下：式中△Z—建筑物前最大壅水高度(m)；Q—設(shè)計(jì)流量(m3／s)；μ～系數(shù)，與槽墩形狀有關(guān)，園弧形槽墩職μ=O．92；Az～渡槽布置后過水?dāng)嗝婷娣e(m2)：A1～最高壅水位對(duì)應(yīng)天然河道斷面面積(m2)；α一動(dòng)能校正系數(shù)，《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TBl000l一99)中的計(jì)算公式：《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》提供的公式，計(jì)算不考慮進(jìn)出口長(zhǎng)度。其公式以下：建筑物前河道壅水長(zhǎng)度計(jì)算公式同前。(5)調(diào)蓄法由于河穿渠交叉建筑物泄洪口門相對(duì)較小，壓縮了河道原來的過水?dāng)嗝妫蚴怯捎诤硬塾幸欢ǖ恼{(diào)蓄能力，使得上游部分洪水延遲下泄，滯蓄于上游河道甚至溢出河道到兩岸的耕地中，使上游水位壅高，因此，建筑物修建后建筑物上游洪水位宜采用河槽調(diào)蓄法進(jìn)行計(jì)算；另外，規(guī)劃為大型渠穿河工程的沁河河道，由于交叉斷面下游有齊村大壩，洪水通過溢洪道匯入輸元河，齊村大壩上游形成含有一定調(diào)蓄能力的水庫(kù)庫(kù)區(qū)，溢洪道作為沁河的導(dǎo)流工程，而交叉斷面正處在庫(kù)區(qū)，因此其現(xiàn)狀及工程修建后的河道洪水位也采用河槽調(diào)蓄法計(jì)算。河槽調(diào)蓄是在水量平衡和動(dòng)力平衡的支配下進(jìn)行的。水量平衡用蓄洪區(qū)水量平衡方程表達(dá)，動(dòng)力平衡可由建筑物蓄泄方程或蓄泄曲線表達(dá)。調(diào)洪計(jì)算從起調(diào)水位開始，逐時(shí)段持續(xù)求解這兩個(gè)方程。建筑物蓄泄方程即水位～庫(kù)容、水位～泄量關(guān)系。由于其難以用持續(xù)的數(shù)學(xué)方程式體現(xiàn)，普通用離散型表格形式描述。1．4．3沖刷分析為了對(duì)大型渠穿河工程的防沖安全性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，需要計(jì)算工程修建后不同原則洪水的河床最大沖刷深度。河床沖刷涉及普通沖刷和局部沖刷，根據(jù)建筑物設(shè)計(jì)大綱的規(guī)定，對(duì)于渠穿河渡槽需要計(jì)算河床普通沖刷和槽墩處的局部沖刷，對(duì)于倒虹吸則重要是計(jì)算河床普通沖刷。①普通沖刷在天然河道上修建建筑物后，由于縮窄了河道寬度和壓縮水流，增加了過水?dāng)嗝娴膯螌捔髁浚鲯渡衬芰﹄S之增大，引發(fā)河床沖刷，這種沖刷稱為普通沖刷。普通沖刷深度的計(jì)算辦法較多，本次采用《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)公式進(jìn)行。由此公式計(jì)算的普通沖刷既涉及建筑物壓縮水流引發(fā)的沖刷，也涉及河槽在天然演變中深泓線擺動(dòng)形成的集中沖刷和隨水位、流量周期變化產(chǎn)生的天然沖刷。根據(jù)河床質(zhì)的特性不同，計(jì)算公式分為非粘性土和粘性土兩種型式。1)非粘性土主槽的普通沖刷計(jì)算公式以下：A～單寬流量壓縮系數(shù)，上式中，B為河槽寬度，即通過造床流量時(shí)的水面寬度(m)H～造床流量對(duì)應(yīng)的平均水深(m)2)粘性土主槽的普通沖刷公式。應(yīng)用上式計(jì)算河床的最大沖刷深度時(shí)，需要分析擬定交叉斷面河床質(zhì)構(gòu)成及其平均粒徑，為此，我院曾于1994年～先后進(jìn)行了各河的地質(zhì)勘測(cè)工作，并編制了各河的地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告。據(jù)此分析