水利工程中巖土抗沖性評價

潘光宜

(安徽省水利水電勘測設(shè)計院，安徽 蚌埠 233000)

1 巖土的抗沖性與水利工程

地表水流沖刷問題在河(渠)道、溢洪道等水利工程中普遍存在。沖刷破壞的表現(xiàn)形式千差萬別，但其決定因素不外乎兩個方面:作為內(nèi)因的受沖刷部位的抗沖性能以及作為外因的沖刷水流的特性與作用方式。

一般而言，在地表水流和波浪的作用下，巖土體抵抗其沖刷變形的能力為巖土的抗沖性。類似于滲透穩(wěn)定性，巖土的抗沖性研究屬于土力學(xué)課題，但其中要用到水力學(xué)的原理。

不包括高流速的水工隧洞的防空蝕設(shè)計，易受地表水沖刷的巖土體主要有三個部位:沖坑、河床和岸坡。水工設(shè)計中常常需要對這些部位進(jìn)行沖刷深度或沖刷程度研究。與巖土的抗沖性有關(guān)的水工設(shè)計課題有:①泄水建筑物沖刷坑深度計算;②渠道或河床面上的不沖流速;③河岸的沖刷深度計算;④水庫塌岸的預(yù)測。

2 巖土抗沖性分析

沖刷深度公式目前已有很多，它們之間的計算差別也很大(幾倍)，主要原因是所依據(jù)的分析理論、研究方法手段、資料來源等的不同，因而得出不同的公式形式和計算結(jié)果。一般建立沖刷公式的理論基礎(chǔ)為水力學(xué)的基本原理，研究手段多采用水工模型試驗或結(jié)合野外觀測資料的分析。

2.1 巖體抗沖性分析

如果是新鮮巖體為河床和岸坡的河流和渠道，一般不存在普遍沖刷問題，只有局部沖刷問題如在泄水建筑物沖刷坑深度計算時，要對各種巖石的抗沖性作出評價。影響基巖沖刷坑發(fā)展程度的工程地質(zhì)因素主要有:巖石的堅硬程度和完整程度，以及均一性，有無軟弱夾層，裂隙的產(chǎn)狀及組合等。

2.2 土抗沖性分析

水力學(xué)的均勻流基本方程，給出了沿程水頭損失與水流對河底的剪切應(yīng)力關(guān)系;而達(dá)西公式為均勻流沿程水頭損失與平均流速的普遍計算式，由此可以得出沿底水流的流速為u 時沿程剪應(yīng)力τ=ρwu2，水平面上顆粒自重所能提供的抗沖正應(yīng)力σ=(ρs－ρw)gd(ρs為顆粒密度)，如果土的內(nèi)摩擦角為φ，則抗沖正應(yīng)力σ 所提供的抗剪力σtgφ 與剪應(yīng)力τ 相等時土顆粒處于極限平衡狀態(tài)，此時的沿底水流的流速即河床的抗沖臨界流速或起動流速，ρwu2=(ρs－ρw)d，因為顆粒比重Gs=ρs/ρw，所以上式可以寫成u2=(Gs－1)dtgφ，由此可見，砂性土起動流速主要與土的粒徑、顆粒比重與內(nèi)摩擦角有關(guān)。

對于具體的某種砂性土河床而言，在具有起動流速的水流作用下，其中的較細(xì)砂粒將被水流沖走，而部分直徑較大的顆粒將留在原地，如果這部分顆粒能形成骨架，則可以阻止土層的進(jìn)一步?jīng)_刷，能形成骨架的土粒含量取d85，即小于該粒徑的土粒含量占總土重的85%，所以上式中的d 根據(jù)土的顆分曲線取d85比效合適。

如果河床是粘性土則上式可以寫成u2=C/ρw+(Gs－1)dtgφ，很顯然，此時土的抗剪強(qiáng)度應(yīng)為不固結(jié)不排水(UU)強(qiáng)度CU，而φ=0，即u2=CU/ρw式。由此可見，粘性土起動流速主要與土的粘聚力有關(guān)，而與摩擦分量無關(guān)。

另外上式中的u 為沿底水流的流速而不是河流或渠道的平均流速，根據(jù)水力學(xué)原理，沿底水流的流速與平均流速的關(guān)系由河流或渠道的過水?dāng)嗝媾c水力半徑?jīng)Q定。目前用的比較普遍的水平河床上顆粒的起動流速V0(m/s)計算公式［1］為:V0=4.6d1/3h1/6，式中d 為顆粒直徑(m)，h 為水深(m)。

3 巖土抗沖性評價

《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487—2008)［2］多處要求對巖土體的抗沖性能進(jìn)行評價，但目前并無相應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)，《水利水電工程地質(zhì)手冊》對巖土體的抗沖性和允許不沖流速有較詳細(xì)的列表，并被《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》GB50288—99 引用為附錄F—渠道允許不沖流速。

這是從渠道水流的平均流速的角度提出各種巖土體的允許不沖流速，不得不考慮水深和水力半徑的因素，如果從巖土體的工程地質(zhì)性質(zhì)角度，對其評價主要指沿底水流的流速即河床的抗沖臨界流速或起動流速，在《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286—98)［3］的附錄D 中稱為河床面上允許不沖流速和河岸上的局部沖刷流速，而不是河渠的平均流速。

3.1 巖體抗沖性評價

如果是新鮮巖體為河床和岸坡的河流和渠道，一般不存在普遍沖刷問題，只有局部沖刷問題如在泄水建筑物沖刷坑深度計算時，要對各種巖石的抗沖性作出評價。影響基巖沖刷坑發(fā)展程度的工程地質(zhì)因素主要有:巖石的堅硬程度和完整程度，以及均一性，有無軟弱夾層，裂隙的產(chǎn)狀及組合等。

《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL253—2000)［4］附錄A 中A.4.2 沖刷坑最大水墊深度公式中用k 值——綜合沖刷系數(shù)來區(qū)分不同巖體的抗沖能力，但其巖體類別的劃分方法與現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，且沒有考慮巖石的類別和堅硬程度指標(biāo)，最好與國家標(biāo)準(zhǔn)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218—94)［5］統(tǒng)一，進(jìn)行巖體基本質(zhì)量分級，同時給出各級巖體的綜合沖刷系數(shù)的經(jīng)驗值，并進(jìn)行巖體抗沖性分類。

3.2 土抗沖性評價

綜上所述，由于砂性土和粘性土沖刷作用的力學(xué)機(jī)理不同，砂性土的抗沖性主要取決于其顆分粒徑，比較直觀，所以粘性土的抗沖性評價時，可以轉(zhuǎn)換成抗沖性相等的砂性土的粒徑即等效粒徑，也就是說如果某砂性土的抗沖性與某粘性土的抗沖性相同，那么該砂性土的粒徑就是該粘性土的抗沖等效粒徑，在《堤防工程設(shè)計規(guī)范》稱為當(dāng)量粒徑。

巖土的抗沖等效粒徑d 的取值，對土質(zhì)河床，砂性土取d85，抗沖能力由差到好分為六級。粘性土可按土質(zhì)分類，其相應(yīng)等效粒徑在d=0.5～10 mm 范圍內(nèi)變化，采取與砂性土對等原則，抗沖能力由較差到較好分為三級。

粘性土等效粒徑也可用近似公式d=0.022C3/2計算，式中C 為不固結(jié)不排水(UU)抗剪強(qiáng)度CU值。

3.2.1 砂性土抗沖性評價

砂性土起動流速主要與土的粒徑與內(nèi)摩擦角有關(guān)，砂土的內(nèi)摩擦角受其粒徑、孔隙比、密度、顆粒形狀和級配等因素的影響，對于一定的砂土來說，影響抗剪強(qiáng)度的主要因素是其粒徑和初始孔隙比，無論是何種孔隙比的松砂或緊砂，處在河床或岸坡的表面時，由于臨空面的影響由咬合作用引起的強(qiáng)度將不存在，所以這時的抗剪強(qiáng)度不應(yīng)用峰值強(qiáng)度，而應(yīng)為殘余強(qiáng)度，或者用松散強(qiáng)度或休止角。故決定砂性土起動流速的主要是砂性土的顆粒粒徑，尤其是形成骨架的d85。

根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50145—2008)［6］給出各類粗粒土在水平河床上(水深1 m 時)的抗沖臨界流速或稱允許不沖流速范圍與抗沖性分類，見表2。

表1 巖基綜合沖刷系數(shù)k 值與抗沖性分類表Table 1 Classification of complex scouring coefficient K of bathylith and impact resistance

細(xì)粒土的分類根據(jù)水利行業(yè)習(xí)慣，采用三角坐標(biāo)圖［7］按顆粒級配分類。細(xì)粒砂性土中的輕粉質(zhì)砂壤土、輕壤土(粘粒含量3%～6%)與粉土的抗沖性相近，可以歸并為上表中粉土或細(xì)砂欄中。細(xì)粒砂性土中的重粉質(zhì)砂壤土、重壤土，由于有一定的粘聚力(粘粒含量6%～10%)，抗沖性增強(qiáng)，可以歸并為上表中的細(xì)砂或中砂欄中。

3.2.2 粘性土評價

粘性土的分類也采用三角坐標(biāo)圖按顆粒級配分類，按照上節(jié)分析粘性土的抗沖性，決定因素是土的不固結(jié)不排水(UU)抗剪強(qiáng)度CU值。按其允許不沖流速和等效粒徑對其抗沖性分類見表3。

至于礫類土，其抗沖性決定于粗顆粒是否架空，細(xì)粒土是否有粘性，如果架空或細(xì)粒土無粘性則按粗顆粒的d85分類，比如含細(xì)粒土質(zhì)礫和粉土質(zhì)礫;如果膠結(jié)良好，則其抗沖性決定于細(xì)粒土的凝聚力，可按細(xì)粒土的方法分類，比如粘土質(zhì)礫。

表2 粗粒土不沖流速與抗沖性分類表Table 2 Classifications table of non－scouring velocity of coarse－grained soils and impact resistance

表3 粘性土(按顆粒組成分類)不沖流速與抗沖性分類表Table 3 Classification table of non-scouring velocity of cohesive soil and erosion resistance

4 結(jié)語

巖體為河床和岸坡的河流和渠道，一般不存在普遍沖刷問題，只有局部沖刷問題如在泄水建筑物沖刷坑深度計算時要作出評價，對巖石的抗沖性分類的標(biāo)準(zhǔn)與土體的抗沖性分類的標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的。

土體的抗沖性分類，至于砂性土根據(jù)顆粒級配和內(nèi)摩擦角范圍，可以分為極差、差、較差、中等、較好和好共六類;至于粘性土，利用等效粒徑與砂性土相對應(yīng)，其抗沖性可以分為中等、較好和好共三類。

［1］水利水電工程地質(zhì)手冊［M］.北京:水利電力出版社，1985.

［2］GB50487—2008，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［3］SL253—2000，溢洪道設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］GB50286—98，堤防工程設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］GB50218—94，工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［6］GB/T50145—2008，土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［7］SL265—2001，水閘設(shè)計規(guī)范［S］.