河流泥沙起動(dòng)流速總結(jié)與應(yīng)用

霍中遷，李甲榮

(江蘇省淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，223005，淮安)

我國地域遼闊，水利工程涉及的地質(zhì)情況千差萬別，主要有砂土、黏土、壤土等；河道設(shè)計(jì)中常常會(huì)遇到泥沙河床的河道，而此時(shí)河道的沖刷問題就成為首要問題，要想在有限的投資內(nèi)更好地發(fā)揮河道的最大效益，就要對(duì)河道斷面進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，其中一個(gè)控制因素就是河道的流速，而流速取決于泥沙的起動(dòng)流速。本文分析總結(jié)了前人對(duì)泥沙起動(dòng)流速的研究成果，并結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行應(yīng)用取得了很好的效果。

一、工程概況

江蘇朝東圩港河道工程，河道長11.68 km，設(shè)計(jì)排澇流量為17.4～216.0 m3/s，設(shè)計(jì)引水流量 105.0～214.0 m3/s。根據(jù)河道斷面，河道排澇時(shí)流速為0.07 m/s～0.76 m/s， 引水 時(shí) 流速為0.51 m/s～0.82 m/s。

根據(jù)朝東圩港河道工程地質(zhì)報(bào)告，構(gòu)成河道邊坡的主要土層有第1、2、3、5-1、5-2、6 層。 1 層為素填土或雜填土；2層為重粉質(zhì)壤土夾中粉質(zhì)壤土；3層為重粉質(zhì)砂壤土夾壤土；5-1層為重粉質(zhì)壤土夾砂壤土；5-2層為粉質(zhì)黏土夾黏土；6層為粉砂土。

本工程中主要出現(xiàn)的土層為第1、2、5-2、6 層。第 1、2、5-2 層土質(zhì)相對(duì)較好，穩(wěn)定性及抗沖性能較強(qiáng)，不用護(hù)砌；第6層粉砂，易產(chǎn)生滲透破壞，抗沖刷能力差，且粉粒含量占約30%。

根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》，各土層的不沖流速及設(shè)計(jì)最大流速見表1。

經(jīng)計(jì)算本工程的水力半徑R=1.60～2.20，則 Rα=1.09～1.31。

第6層粉砂的允許不沖流速經(jīng)計(jì)算為：0.13～0.52 m/s。取中間粒徑粉砂的允許不沖流速為0.28 m/s。

根據(jù)以上結(jié)果，本段河道邊坡及河道底部均為第6層粉砂，均不能滿足河道允許不沖流速的要求，因此需對(duì)第6層土采取防護(hù)措施。

二、初選河道護(hù)砌方案

根據(jù)以上結(jié)果，需對(duì)河道邊坡及河底進(jìn)行護(hù)砌。對(duì)護(hù)砌材料的選用，從生態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)先采用生態(tài)材料，其次采用混合材料，最后才考慮采用剛性材料。而本工程的6層粉砂抗沖性能差，經(jīng)分析即使種植草皮也不能完全改善其抗沖性，故生態(tài)護(hù)坡方案不予采納。

因此，本工程河道斷面的護(hù)砌材料分別選用混合材料及剛性材料進(jìn)行比較，方案1為換填碎石+混凝土框格，方案2為換填黏土+混凝土框格（黏土主要取自2層重粉質(zhì)壤土），方案3為漿砌塊石護(hù)坡，方案4為水泥土護(hù)砌，方案5為混凝土混凝土現(xiàn)澆護(hù)坡，方案6為聯(lián)鎖式護(hù)坡磚護(hù)砌，各方案主要優(yōu)缺點(diǎn)詳見表2。

由表2可見，方案1造價(jià)適中，該方案采用將6層土表面挖除換填碎石+混凝土框格的護(hù)面形式，比較自然、生態(tài)，透水性較好，且碎石的抗沖刷能力較強(qiáng)，易滿足河道過流要求，施工時(shí)可在坡腳處設(shè)倒濾層排水，施工相對(duì)簡單，實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)較小。但考慮到將來河道疏浚時(shí)易將碎石帶走，故本方案不予考慮。

方案2利用河道挖出的2層重粉質(zhì)壤土換填，造價(jià)較低，且不影響綠化種植，生態(tài)景觀性較好，黏性土的抗沖刷能力較強(qiáng)，易滿足河道過流要求。但回填黏土需進(jìn)行強(qiáng)降水以保證基坑干燥，影響河道兩岸建筑物的安全使用，實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)和難度較大。由于是采用上層黏土回填，施工質(zhì)量不易得到完全保證。故本方案不予考慮。

表1 各土層的不沖流速及設(shè)計(jì)最大流速

表2 護(hù)砌方案比較表

方案3造價(jià)較高，且漿砌塊石護(hù)坡不能為水生植物的生長、水生動(dòng)物的繁育和棲息創(chuàng)造良好的生態(tài)條件，對(duì)改善河道水質(zhì)的良性循環(huán)不利，故也不予考慮。

方案4造價(jià)略高，該方案直接利用第6層的粉砂土與水泥攪拌后攤鋪，為12%的20 cm厚水泥土，河底每隔15 m左右設(shè)透水隔埂。該方案施工簡便，比較自然、生態(tài)，抗沖刷能力強(qiáng)，河底護(hù)砌擬采用本方案。

方案5造價(jià)偏高，該方案采用C20現(xiàn)澆10 cm厚混凝土護(hù)坡，下設(shè)7 cm黃砂墊層及一層土工布。由于為全現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡，生硬呆板，生態(tài)性較差。故本方案不予考慮。

方案6造價(jià)偏高，采用獨(dú)特連鎖設(shè)計(jì)的連鎖式護(hù)坡磚，磚下鋪一層土工布作為反濾層。整個(gè)護(hù)坡在水流作用下可以具有良好的整體穩(wěn)定性，同時(shí)高開孔率一方面可以起到滲水排水的作用，另一方面起到增加植被面積、美化環(huán)境的作用，可以調(diào)節(jié)河道的生態(tài)性。故平臺(tái)以下部分護(hù)坡采用本方案。

經(jīng)過初步比選，采用方案4和方案6結(jié)合的護(hù)砌措施。

三、前人研究成果總結(jié)

對(duì)泥沙的研究有很多研究方向，而泥沙的起動(dòng)條件是泥沙研究的最基本課題之一。國內(nèi)外學(xué)者曾進(jìn)行過大量的研究，取得了很多成果。到目前為止，所提出的無黏性顆粒的起動(dòng)公式不下百個(gè)，但由于各自采用的研究方式的不同、選取的邊界條件的差異、采用的起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)不同，加上各自實(shí)測(cè)資料的差異，盡管各自公式基本上都通過了理論分析及實(shí)測(cè)資料的驗(yàn)證，但公式在形式及計(jì)算結(jié)果上也有較大的差異，并且很多差異也無法解釋，之前也很少有學(xué)者對(duì)這些差異進(jìn)行分析研究。但是總結(jié)多數(shù)學(xué)者的研究成果，其中也會(huì)找到一定的規(guī)律，把一些計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，也可總結(jié)出一些相對(duì)統(tǒng)一的成果。

1.不同學(xué)者研究成果的統(tǒng)一

泥沙開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的水力學(xué)指標(biāo)一般用剪切力與垂線平均流速來表示，而垂線平均流速一般又有指數(shù)型與對(duì)數(shù)型兩種表達(dá)形式。國內(nèi)學(xué)者針對(duì)長江上游及川江卵石推移質(zhì)問題，開展了許多研究，提出了一系列起動(dòng)流速公式，最終可統(tǒng)一為泥沙起動(dòng)流速公式：

式中，U為起動(dòng)流速，d為顆粒粒徑，h為水深，K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

2.對(duì)國內(nèi)外數(shù)十種研究經(jīng)驗(yàn)數(shù)值的總結(jié)

雖然國內(nèi)外研究泥沙起動(dòng)流速的方法有很大差異，有通過實(shí)驗(yàn)室研究、野外多年觀測(cè)總結(jié)、計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)等方式，總結(jié)出來的公式千差萬別，但經(jīng)過統(tǒng)一與轉(zhuǎn)換，可得國內(nèi)外多種經(jīng)驗(yàn)公式，K值一般在3.37～7.86之間，見表3。

從表3可以看出，系數(shù)K取值范圍還是比較大的，最大值與最小值之間相差較大。出現(xiàn)這樣大的差異主要原因還是各自所采用的研究方法、選取的邊界條件以及假設(shè)條件等不同造成的，所以雖然公式能夠得到基本的統(tǒng)一，但是人們?cè)趨⒖?、選用時(shí)就很難，選擇參考的不同就會(huì)造成結(jié)果存在很大的差異性。

表3 起動(dòng)條件統(tǒng)一公式系數(shù)表

3.前人的經(jīng)驗(yàn)和建議

①普遍規(guī)律：在水力條件、相對(duì)暴露度及河床泥沙組成一定時(shí)，起動(dòng)流速隨起動(dòng)級(jí)別的增大而增大；在水力條件、泥沙組成及起動(dòng)級(jí)別一定時(shí)，起動(dòng)流速隨河床表面顆粒暴露度的減小而增大；在水力條件、相對(duì)暴露度及起動(dòng)級(jí)別一定時(shí)，起動(dòng)流速隨泥沙組成而變，對(duì)同一粒徑級(jí)而言，泥沙組成愈粗起動(dòng)流速越大。

②總結(jié)大多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果，同一級(jí)配泥沙，起動(dòng)流速并非一個(gè)常數(shù)，而是一個(gè)區(qū)間值，原因是多方面的，但河床表面因素是主要因素。

③在起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)、水力條件及相對(duì)暴露度一定時(shí)，非均勻沙顆粒同均勻沙中同粒徑沙相比較，較粗顆粒容易起動(dòng)，較細(xì)顆粒恰好相反，同粒徑顆粒則基本相同，即在同等條件下非均勻沙起動(dòng)流速比均勻沙小。

④所有外界條件相同時(shí)，平順河道及水流穩(wěn)定區(qū)泥沙的起動(dòng)流速大于其他情況。比如在水面線附近、河道轉(zhuǎn)彎處、河流交匯口處等，水流條件很復(fù)雜，泥沙是否會(huì)起動(dòng)就不單單由順河向的流速?zèng)Q定了，還與其他多方面因素有密切的關(guān)系；但是目前，對(duì)于整個(gè)河流斷面從上至下不同區(qū)域的研究還不夠完善，故隨著學(xué)者研究的進(jìn)一步深入，泥沙顆粒起動(dòng)公式的精度將進(jìn)一步提升。

四、工程應(yīng)用

根據(jù)前人的研究成果，結(jié)合本工程地質(zhì)情況，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入泥沙起動(dòng)公式進(jìn)行計(jì)算。

結(jié)果可知，本河道工程泥沙起動(dòng)流速比常規(guī)方法選擇的起動(dòng)流速有較大的提高，大約能提高30%，與河道實(shí)際流速更接近了。

結(jié)合計(jì)算結(jié)果及前人的研究成果及經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過分析研究，對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化：

①本工程河道最北端與長江交匯處，水流條件較復(fù)雜，容易形成沖刷，故將河道最北端約1km河道設(shè)計(jì)斷面加大，河底加寬，邊坡放緩，這樣有效地降低了河道流速，減小了沖刷的可能性。

②由于本工程河道較為順直，河道流速相對(duì)平穩(wěn)，雖然根據(jù)計(jì)算結(jié)果引、排水時(shí)流速仍大于河床泥沙的起動(dòng)流速，但是根據(jù)學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)，本河道河床泥沙較為均勻，較不均勻泥沙起動(dòng)流速將更大，故僅對(duì)水位變動(dòng)區(qū)、河坡坡腳以及有支流河口處河坡進(jìn)行護(hù)砌，其他部分不采取護(hù)砌措施。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后與原方案相比，投資節(jié)省很多，現(xiàn)在工程已經(jīng)投入運(yùn)行2年多，河道邊坡穩(wěn)定，沒有發(fā)生大面積的沖刷問題，運(yùn)行情況良好，得到了業(yè)主的好評(píng)。

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