新疆融雪型災(zāi)害對(duì)沿河路基局部沖刷深度計(jì)算

吳國(guó)雄，王 韜，周 宇，余 苗

(重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

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新疆融雪型災(zāi)害對(duì)沿河路基局部沖刷深度計(jì)算

吳國(guó)雄，王 韜，周 宇，余 苗

(重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

以新疆山區(qū)小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，在正確估算最大融雪徑流量的基礎(chǔ)上，對(duì)沿河路基結(jié)構(gòu)物在縱橫水流交匯處附近的水流特征、沖刷機(jī)理及沖刷深度和范圍的影響因素進(jìn)行了分析；通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，得到了單個(gè)影響因素與路基邊坡坡底沖刷深度的關(guān)系圖，對(duì)縱、橫兩個(gè)方向的不同流量、流速和河流水深、山坡坡度、路基邊坡、路基寬度和泥沙粒徑等條件下沿河路基的沖刷進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)M，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建立了沿河路基在縱橫水流交匯處最大沖刷深度的計(jì)算公式，驗(yàn)證其有效性。

道路工程；融雪型洪災(zāi)；沿河路基；縱橫水流；沖刷機(jī)理；局部沖刷深度

洪水災(zāi)害是當(dāng)今世界上發(fā)生最頻繁和危害最大的自然災(zāi)害之一[1-5]。我國(guó)南方多雨山區(qū)，暴雨造成的坡面水流和河道水流對(duì)鐵路和公路的沖刷破壞最嚴(yán)重[6]，而在我國(guó)新疆等積雪廣布、春洪和雪災(zāi)多發(fā)的地區(qū)，每到春融季節(jié)融雪型洪災(zāi)頻頻發(fā)生[7]，積雪融化補(bǔ)給河流[8]，常發(fā)生春季融雪形成的大量洪水沖刷路基而造成沿河線路路基大范圍的坍塌破壞，對(duì)河床和路基的沖刷也較為強(qiáng)烈，輕者會(huì)造成線路及其設(shè)施的破壞，影響交通安全，重者直接會(huì)斷道而中斷交通，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)的安全等造成重大的損失。

暴雨或融雪型洪水對(duì)沿河線路路基造成的水毀具有其自身特殊性：既有橫向來(lái)至山坡匯流而形成的洪水，又有縱向來(lái)至河流的洪水，山坡洪水和河流洪水的共同作用對(duì)路面的沖刷及路基邊坡的淘刷而破壞路基的整體穩(wěn)定性。筆者針對(duì)新疆小流域內(nèi)，在正確估算小流域的最大融雪徑流量的基礎(chǔ)上[9]，分析沿河路基沖刷影響因素[10-11]，對(duì)路基在縱橫水流交匯處附近的水流特征、沖刷機(jī)理進(jìn)行了分析。通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)[12-13]，得到了單個(gè)影響因素與路基邊坡坡底沖刷深度的關(guān)系圖，對(duì)縱橫兩個(gè)方向的不同流量、流速和河流水深、山坡坡度、路基邊坡、路基寬度和泥沙粒徑等條件下沿河路基的沖刷進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)M，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合理論分析，建立了縱橫水流交匯處沿河路基最大沖刷深度的計(jì)算公式并進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 沿河路基水流交匯處局部沖刷模型試驗(yàn)

本次試驗(yàn)是室內(nèi)模型試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)為重慶交通大學(xué)內(nèi)河航道國(guó)家工程中心。模型為自行設(shè)計(jì)，主要由主河槽、有機(jī)玻璃水槽和路基組成，如圖1。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾?/p>

試驗(yàn)采用循環(huán)供水系統(tǒng)模式，實(shí)驗(yàn)室水泵最大可提供100 L/s的流量。整個(gè)試驗(yàn)循環(huán)系統(tǒng)有2 m×2 m的穩(wěn)流蓄水池、量水堰、尾部調(diào)節(jié)閥門、循環(huán)水道、水位測(cè)針等系列裝置。模型水槽的槽頭設(shè)有前池和穩(wěn)流柵，槽尾設(shè)有尾水池(沉沙池)，以保證水流的穩(wěn)定。流量由水槽槽首的三角薄壁堰和槽尾調(diào)節(jié)閥門來(lái)調(diào)控，試驗(yàn)水位采用水位測(cè)針進(jìn)行監(jiān)控與測(cè)量，水流流速采用LS-6級(jí)流速儀測(cè)量，水深、路基沖刷深度和路基邊坡坡底局部沖刷深度采用光纖式Ⅱ型測(cè)深儀進(jìn)行量測(cè)。

1)流量。河流縱向水流量由底寬為60 cm的直角三角形薄壁堰來(lái)控制，如圖2。

圖2 直角三角形薄壁堰

山坡橫向水流量由底寬為30 cm的直角三角形薄壁堰來(lái)控制，其流量計(jì)算式如式(1)：

Q=C0H5/2

(1)

(2)

式中：C0為直角三角形薄壁堰的流量系數(shù)；Q為流量，m3/s；H為堰頂水頭，m；P1為上游堰高，m；B為堰上游引渠寬，m。

2)水深。為了研究不同水深情況下縱橫水流交匯處的沖刷特點(diǎn)，河流縱向水流量的堰頂水深分別采用0.123 3，0.142 0，0.166 0m。山坡橫向水流量的堰頂水深分別采用0.065，0.081，0.096m。

3)坡底。由于山區(qū)河流河床比降較大，并結(jié)合場(chǎng)地，水槽坡底縱比降采取2%。

4)泥沙。試驗(yàn)采用無(wú)黏性砂作為試驗(yàn)砂，中值粒徑d50=0.5，1.5，7.75，29.5mm。

此試驗(yàn)主要是在不同的橫向山坡流量、縱向河流水深、泥沙、流速和幾何邊界條件下，觀測(cè)路基沖毀程度、護(hù)墻墻底的沖刷范圍及深度、沖刷發(fā)展的過(guò)程及護(hù)墻附近的水流形態(tài)。在水流沖刷的作用下，山坡水流直接沖毀路面、交匯處形成螺旋水流對(duì)護(hù)墻墻底被淘刷的效果很明顯。

從沖刷的時(shí)程來(lái)看，沖刷深度在前1h左右變化較大，之后增加速率逐漸變小，試驗(yàn)沖刷5～6h后，沖刷深度基本穩(wěn)定，之后沖刷發(fā)展就十分緩慢，且變化程度很小。可見，采用5～6h的沖刷歷時(shí)是比較合理的。

2 沿河路基水流交匯處局部沖刷特征及沖刷深度影響因素分析

2.1 水流交匯處局部沖刷特征

橫向融雪水流沿山坡沖向路基，在慣性力的作用下沿著路基邊坡流向河道，受到縱向河道水流的制約，兩個(gè)方向水流在路基坡腳處匯合，使得交匯處水流形態(tài)發(fā)生變化。如圖3，山坡水流經(jīng)過(guò)邊坡、路面緩沖和路基后，若以山坡溝心為中心線，會(huì)形成中間水流流量和流速較大、兩端較小的態(tài)勢(shì)。河流中的縱向行進(jìn)靠近交匯處，由于橫向山坡水流O1到O段的流速和流量逐漸增大，兩向水流結(jié)合后會(huì)形成A1到A2段成型螺旋水流，橫向水流的一部分將縱向水流表層推開至遠(yuǎn)離坡腳，減小橫向水流向坡腳的下蝕阻力，兩方向大部分水流形成逐漸增大并向下侵蝕淘坡腳的螺旋流。同時(shí)，由于O1到O段縱向流表層已被推開，而A2到B1段的表層螺旋水流還來(lái)不及回到坡面，且O到O2段的水流流量和流速最大，導(dǎo)致A2到B1段比A1到A2段的表層水離墻面更遠(yuǎn)，縱向流對(duì)橫向流下蝕坡腳的阻力就更小，故形成的螺旋水流對(duì)墻底的沖刷能力比O1到O段大。從A2到B1段下層水流的沖刷力將出現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，整個(gè)坡底被沖刷淘蝕的最大地點(diǎn)將會(huì)出現(xiàn)在A2偏后位置。隨著上游兩方向形成的螺旋水流對(duì)坡腳的淘刷，使得部分泥沙下移，逐漸堆積在B1到B2段，加上O2到O3的橫向流量和流速逐漸減小，且有泥沙的阻擋作用，因而該段交匯水流對(duì)坡腳淘刷能力較小。

圖3 交匯處的水流形態(tài)

2.2 水流交匯處沖刷深度的影響因素

水流交匯處路基的局部沖刷由路基邊坡和防護(hù)工程、水流、河床泥沙共同作用，使附近河床產(chǎn)生局部變形，因此，影響局部沖刷深度的因素可以歸納為水流、河床質(zhì)和幾何邊界條件等3個(gè)方面。

2.2.1 水流因素

1)河流上游行進(jìn)水深h

試驗(yàn)表明，在其它條件不變的情況下，河流中上游的行進(jìn)水深較小時(shí)，交匯處局部最大沖刷深度隨水深的增加而增加。但當(dāng)水深增大到一定程度時(shí)，由于河流對(duì)山坡水流的阻擋作用，局部最大沖刷深度不再隨上游水深的增加而增大，如圖4。

圖4 行進(jìn)水深與路基邊坡坡底沖刷深度關(guān)系

2)流速V

當(dāng)水流行進(jìn)流速達(dá)到床面泥沙起沖流速時(shí)，開始產(chǎn)生局部沖刷，以后沖刷坑深度隨流速的增大而增加。但當(dāng)行進(jìn)流速大于床面泥沙的起動(dòng)流速以后，由于床面泥沙對(duì)沖刷坑產(chǎn)生某種補(bǔ)償作用，使得局部沖刷深度隨流速的增大而增加的趨勢(shì)明顯減緩。國(guó)內(nèi)外對(duì)橋墩和丁壩局部沖刷研究已證明，當(dāng)V達(dá)到起動(dòng)流速后，泥沙開始以沙坡形式向前推移。因此，進(jìn)入沖刷坑的泥沙時(shí)多時(shí)少，導(dǎo)致沖刷坑也相應(yīng)地時(shí)深時(shí)淺(hs值是波動(dòng)的)，當(dāng)V增大到一定數(shù)值，沙坡消失，泥沙以層狀向前移動(dòng)，此時(shí)，hs的增大才停止，隨后有所減少。

3)流量Q

此處流量是指交匯處山坡橫向最大融雪徑流量，主要與融雪面積和積雪厚度、降雨量大小和地形特征等因素有關(guān)。在其他條件不變情況下，流量越大，通過(guò)路面后形成的單寬流量和勢(shì)能愈大，沖刷的范圍和坡腳的沖刷深度愈大，如圖5。

圖5 山坡流量與路基邊坡坡底的沖刷深度關(guān)系

2.2.2 河床質(zhì)因素

河床泥沙可分為非黏性泥沙和黏性泥沙。非黏性泥沙對(duì)沖刷深度的影響因素主要是泥沙的粒徑，包括級(jí)配、平均粒徑等，而黏性泥沙還與黏性土的含量、特性、類型、黏土的固結(jié)和壓縮狀態(tài)有關(guān)[14]。

目前普遍認(rèn)為，泥沙特征對(duì)沖刷的過(guò)程影響很大。如果泥沙很粗，實(shí)際水流未達(dá)到使其起動(dòng)條件，就不會(huì)發(fā)生沖刷；或者河床由粒徑不同的礫石和泥沙組成，細(xì)的顆?？赡鼙凰鳑_走，粗的顆粒不能起動(dòng)而被留下來(lái)，逐漸形成一個(gè)覆蓋層，當(dāng)其覆蓋層達(dá)到一定厚度時(shí)，足以保護(hù)下層泥沙不會(huì)被沖走，此時(shí)停止沖刷；或河床泥沙比較細(xì)，能全部起動(dòng)，則沖刷現(xiàn)象會(huì)迅速發(fā)生，但沖刷達(dá)到一定程度之后，流速降低，水深增加，水流條件不會(huì)使泥沙繼續(xù)起動(dòng)時(shí)，則停止沖刷。

泥沙的粒徑對(duì)局部最大沖刷深度和起動(dòng)流速有著明顯影響，當(dāng)中值粒徑增大時(shí)，起動(dòng)流速也會(huì)增大，對(duì)應(yīng)的沖刷深度反而減小，如圖6。

圖6 河沙中值粒徑d50與路基邊坡坡底沖刷深度關(guān)系

2.2.3 幾何邊界因素

幾何邊界特征因素主要有山坡坡度m1、山坡主水流與道路路基的交角θ、路基寬度W和路基邊坡坡度m2。試驗(yàn)表明：山坡坡度愈陡，匯成水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成勢(shì)能就越大，沖刷強(qiáng)度就越大；路基越寬，對(duì)水流的緩流作用就越強(qiáng)，對(duì)坡腳的沖刷相對(duì)愈??；路基邊坡愈緩，對(duì)于減小局部最大沖刷深度作用就越明顯。除了這些以外，防護(hù)措施的結(jié)構(gòu)形式、幾何尺寸等對(duì)沖刷深度也有影響，如設(shè)置階梯，逐步減小橫向山坡水流的沖刷能量等，如圖7、圖8。

圖7 邊坡坡度與路基邊坡坡底沖刷深度關(guān)系

圖8 路基寬度與路基邊坡坡底沖刷深度關(guān)系

3 沿河路基水流交匯處局部沖刷深度計(jì)算公式

根據(jù)完成的不同幾何邊界、水流和泥沙條件下的路基邊坡坡腳交匯水流處局部沖刷試驗(yàn)的資料來(lái)看，影響縱橫水流交匯處沖刷深度的因素較多。初步可用式(3)來(lái)表示：

hs=f(Q,m1,m2,W,h,d50,V,θ)

(3)

式中：hs為交匯處局部最大沖刷深度，從平均河床面高程計(jì)，m；m1為山坡坡度系數(shù)；m2為路基邊坡坡度系數(shù)；W為路基寬度系數(shù)；h為交匯處上游水深，m；d50為河沙中值粒徑，mm；Q為山坡橫向最大融雪徑流量，L/s；V為交匯處上游行進(jìn)流速，m/s；θ為主水流與道路路基的交角，(°)。

通過(guò)對(duì)局部沖刷影響因素的多元逐步回歸分析和量綱分析，剔除影響不顯著的影響因素，尋求沿河路基橫縱水流交匯處局部最大沖刷深度hs與主要影響因素的關(guān)系，如式(4)：

(4)

式中：km1為山坡坡度系數(shù)；km2為路基邊坡坡度系數(shù)；kW為路面寬度系數(shù)；Fr為行進(jìn)水深佛汝德數(shù)，F(xiàn)r=V2/gh；a，b，c，k分別為待定指數(shù)、系數(shù)；其他參數(shù)同前。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，圖9分別為對(duì)山坡坡度系數(shù)、路基邊坡坡度系數(shù)、路基寬度系數(shù)分析的結(jié)果，得到各自與縱橫交匯處路基局部沖刷深度關(guān)系曲線，關(guān)系如式(5)～式(7)：

km1=0.083 1e-1.003 9m1

(5)

km2=0.295 8e-1.339 9m2

(6)

kW=0.062 9e-0.398m2

(7)

圖9 山坡坡度系數(shù)、路基邊坡坡度系數(shù)、路基寬度系數(shù)與局部最大沖刷深度的關(guān)系

對(duì)式(4)兩邊取對(duì)數(shù)，則有式(8)：

(8)

根據(jù)本次試驗(yàn)搜集到的局部資料進(jìn)行多元線性回歸，可得到各參數(shù)結(jié)果：k=357.889，a=0.207，b=0.218，c=0.674 1。

將上述參數(shù)代入式(4)得：

hs=357.889(0.083 1e-1.003 9m1)(0.295 8e-1.339 9m2)·

(9)

簡(jiǎn)化得：

(10)

式(10)考慮了流速、水深、路基寬度、粒徑因素、山坡坡度系數(shù)、路基邊坡坡度系數(shù)、山坡融雪流量，但式(10)只適用于山坡洪水與河流交匯沖刷處路基尚未沖斷情況下的坡腳局部沖刷深度的計(jì)算。

圖10是實(shí)測(cè)沖刷深度與利用式(10)預(yù)測(cè)沖刷深度的對(duì)比，其相關(guān)系數(shù)R= 0.907 3，可見兩者吻合較好。

圖10 hs實(shí)測(cè)值與hs預(yù)測(cè)值的對(duì)比

4 結(jié) 論

1)試驗(yàn)分析表明，山坡洪水與河流交匯處的沿河路基坡腳沖刷深度的影響因素較為復(fù)雜，主要有河道水流條件、河床質(zhì)特征、山坡洪水流量和道路幾何邊界等，其中，山坡洪水流量和道路幾何邊界影響較為顯著，由此而形成的路基交匯處局部沖刷特征與一般河道路基的沖刷特征差異較大。

2)室內(nèi)水槽模型試驗(yàn)表明，山坡水流直接沖毀路面、交匯處形成螺旋水流，對(duì)護(hù)墻墻底淘刷效果較為明顯。從沖刷時(shí)程看，沖刷深度在前1 h左右變化較大，而在其以后增加速率逐漸變小，沖刷5～6 h后沖刷深度基本穩(wěn)定，之后沖刷發(fā)展十分緩慢，可見，采用5～6 h的沖刷歷時(shí)是比較合理的。

3)通過(guò)對(duì)多因素條件下沿河路基交匯處坡腳局部沖刷進(jìn)行分析，運(yùn)用量綱理論和回歸分析方法得出了沿河路基坡腳的局部最大沖刷深度計(jì)算公式，利用該公式計(jì)算的交匯處局部沖刷深度與實(shí)測(cè)值吻合較好。同時(shí)，該公式考慮了流速、行進(jìn)水深、路基寬度、粒徑因素、山坡坡度、路堤邊坡、山坡洪水流量等因素，能估算山洪和河水綜合作用下路基局部沖刷深度并指導(dǎo)路基防護(hù)設(shè)計(jì)。

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Local Scour Depth Calculation of Roadbed along River Causing by Snowmelt Disasters in Xinjiang

Wu Guoxiong, Wang Tao, Zhou Yu,Yu Miao

(School of Civil Engineering & Architecture, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Xinjiang mountain watershed was taken as the object of the research. On the foundation of exactly estimating the max snowflow discharge, the influence factors of structures along the river embankment in the aspect of water flow characteristics, scour mechanism and scour depth and scope near the junction were analyzed. Indoor lab experiments were carried out to simulate the scour. Firstly, the relationship between each influence factor and the slop erosion depth was found out. Then the slop erosion under different flow quantity, flow rate, water depth, hill slop gradients, side slope gradient, subgrade depth and sand particle size were simulated. Finally the maximum erosion depth was gained by the above lab results and theoretical analysis, and its validity was checked.

road engineering; snowmelt floods; river side subgrade; water from longitudinal and lateral direction; scour mechanism; local scour depth

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.12

2014-04-09；

2014-04-11

重慶交通大學(xué)交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(LHSYS-2012-006)；重慶市高校優(yōu)秀成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(KJZH14104)

吳國(guó)雄(1966—)，男，湖北崇陽(yáng)人，教授，博士，主要從事道路工程方面的研究。E-mail: wgx_ph.d@163.com。

U416.1

A

1674-0696(2015)03-057-06