黃土地區(qū)沿河路基護(hù)坦防護(hù)應(yīng)用初探

摘 要：文章對黃土地區(qū)，季節(jié)性游蕩河流，彎道沖刷，護(hù)坦防護(hù)，護(hù)坦埋深這幾個(gè)方面進(jìn)行了分析和探討，希望通過文章的分析，能夠?yàn)橄嚓P(guān)人士提供一定的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞；沖刷；螺旋流；護(hù)坦；埋深

1 概述

黃土地區(qū)主要分布于我國西北部干旱、半干旱地區(qū)，年平均降雨量較少，蒸發(fā)量較大，地表植被也較少，年降雨量分布不均?？菟竟?jié)流量小，河床穩(wěn)定，每年6～9月份為暴雨頻發(fā)期，形成大量的隨季節(jié)變化的，具有游蕩性、變遷性的中小流域。更由于黃土具有濕陷性、浸水崩解性以及形成的泥沙顆粒細(xì)小，洪水一旦發(fā)生，寬淺的河床游蕩不定，凹凸岸頻繁交換，股流、汊流眾多，主流擺動(dòng)很大，主流沖溝很深，導(dǎo)致沿河路基床面下切，坡腳淘刷嚴(yán)重，經(jīng)常造成路基防護(hù)水毀破壞，影響正常的交通秩序并造成大量的經(jīng)濟(jì)損失。因此，選擇合理的防護(hù)形式，是應(yīng)對季節(jié)性河流水毀破壞，保證沿河路基安全穩(wěn)定的有效辦法。

2 河流的沖刷特點(diǎn)

公路路基水毀容易發(fā)生的段落，一般位于河流彎道的凹岸段，由于受彎道挑流的頂沖和彎道螺旋流及彎道斷面環(huán)流的共同作用，河流凹岸段的沖刷破壞比凸岸段和直河段要嚴(yán)重的多，河灣洪水直接決定公路安危。所以，分析彎道水流作用和泥沙沖淤變化，是公路沿河路基防護(hù)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。

2.1 彎道螺旋流主要規(guī)律

水流由直河段進(jìn)入彎道，因慣性而流向凹岸。受凹岸制約，水流沿凹岸曲線流動(dòng)。在過水?dāng)嗝嫔系膬蓚€(gè)橫向力和重力沿流動(dòng)方向的分力共同作用下，形成彎道螺旋流，面流流向凹岸，而底流流向凸岸。螺旋流在過水?dāng)嗝嫔系耐队?，即三維螺旋流在過水?dāng)嗝嫔系牧魉俜至?，稱為斷面環(huán)流。一般斷面上徑向（橫向）流速分量較縱向流速分量，在數(shù)值上要小的多，一般為斷面平均流速的5%～10%。水流進(jìn)入彎道后，在離心力作用下，出現(xiàn)橫向流速分量，逐漸引起流速流向的重新分布，大約到彎頂斷面（θ），主流逼向凹岸，在θ到θ斷面之間，逐漸形成較完整，較明顯的斷面環(huán)流。而且在彎道出口（θ）斷面下游接近一個(gè)彎道寬度B的范圍內(nèi)，環(huán)流還在發(fā)展。然后在河床阻力作用下，經(jīng)過相當(dāng)長的距離（8B～10B范圍），逐漸衰減而消失。彎道水流都存在橫向流速分量流速ur，ur大小與流態(tài)緩急（弗汝德數(shù)大小，F(xiàn)r=）和相對曲率（）有關(guān)，F(xiàn)r和愈大，ur也愈大；反之亦然。但是Fr愈大，流態(tài)愈急，前進(jìn)的慣性愈大，流線愈不易彎曲，完整的斷面環(huán)流的形成就愈出現(xiàn)在下游。反之，F(xiàn)r愈小，流態(tài)愈緩，前進(jìn)的慣性力小，流線愈易彎曲，完整的斷面環(huán)流愈易出現(xiàn)在上游。常說：“洪水走灘，枯水坐彎”，“洪水凹岸頂沖點(diǎn)下挫，枯水頂沖點(diǎn)上提”就是這種規(guī)律的具體表現(xiàn)。

2.2 彎道水流沖刷深度的計(jì)算

河床的演變，主要受三個(gè)方面的因素影響：（1）流域的產(chǎn)沙條件。（2）流量的大小和變化。河流的水力條件是隨流量而變化的，流量越大，水流挾沙能力就越強(qiáng)，流量變化越大，泥沙運(yùn)動(dòng)和河床變形就越激烈。一年四季隨著流量的變化，河床形態(tài)也隨之發(fā)生季節(jié)性的變化。（3）河床的土質(zhì)和比降。河床土質(zhì)決定河床抵抗沖刷的能力。土質(zhì)堅(jiān)實(shí)的河床較為穩(wěn)定，變形緩慢，而土質(zhì)松軟的河床容易沖刷，變形急劇。河床比降大，水流急，易沖刷；而比降小，則水流緩，易淤積。黃土地區(qū)流域內(nèi)有大量的細(xì)粒泥沙被水流沖入河道，河水的含沙量一般都很大，年內(nèi)徑流差別巨大，河床土質(zhì)松軟，而且黃土高原地區(qū)河床比降一般都較大，遂使河床形態(tài)發(fā)生非常顯著的季節(jié)性變化。河床的演變，實(shí)質(zhì)是河流沖刷的累積，河流的沖刷強(qiáng)度，直接影響防護(hù)工程的安全穩(wěn)定性，黃土地區(qū)河灣彎道由于天然的地質(zhì)地貌，沖刷更為嚴(yán)重。彎道螺旋流的形成，引起沿程各斷面流速和流量的急劇變化。由于水具有粘滯力和紊流水團(tuán)混摻的動(dòng)量交換，水流內(nèi)部不同深度之間、水流和床面之間存在切應(yīng)力τ。切應(yīng)力τ推動(dòng)床面泥沙運(yùn)動(dòng)。床面上輸沙不平衡，產(chǎn)生沖淤變形。

彎道凹岸最大沖刷處水深，可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

hmax=1.48（）0.24（）0.17（）0.05hCm

3 護(hù)坦的防護(hù)效果

洪水治理和沖刷防護(hù)工程的原則必須是因勢利導(dǎo)，我們通常所說的：“順其性、挫其鋒、分其勢、調(diào)其向、穩(wěn)其流?！笔紫?，要順應(yīng)洪水流勢，保證泄流順暢；然后，利用防護(hù)工程逐漸消耗洪水動(dòng)能，改變沖刷水流方向，最后使洪水平穩(wěn)地流向下游。護(hù)坦是近年來公路建設(shè)開始普及推廣的非常有效的防護(hù)形式。護(hù)坦防護(hù)機(jī)理，可以簡單描述為：彎道凹岸螺旋流沿護(hù)坦壁面向前下方發(fā)展，形成斷面環(huán)流（螺旋流的橫向分力）在彎頂（θ）附近到達(dá)床面開始沖刷坡腳，帶走坡腳泥沙，形成沖溝露出護(hù)坦頂面。這時(shí)水深增大，流速減小，水流動(dòng)能在這一過程中消耗了一部分；沿護(hù)坦頂水平向下的水流流向指向下游河心，在護(hù)坦垂裙形成次生漩渦，并掏刷垂裙處泥沙。由于此時(shí)的水流已經(jīng)被護(hù)坦頂挫其鋒（河床泥沙和護(hù)坦頂面已消耗大部分能量）、調(diào)其向（斷面環(huán)流流向已平穩(wěn)指向下游河心），次生平軸漩渦體系較螺旋流直接作用于河面要小的多，沖刷也大大減弱，成功達(dá)到分其勢的目的，水流平穩(wěn)流向下游。

4 護(hù)坦的埋置深度

依據(jù)護(hù)坦的防護(hù)機(jī)理，護(hù)坦頂面的埋置深度，對防護(hù)設(shè)置成功與否，起著至關(guān)重要的作用。護(hù)坦頂面若與河床床面齊平，雖然可起到將螺旋流改變成水平流動(dòng)的作用，但失去了頂面以上沖刷消能的作用，護(hù)坦的沖刷hSH將加大；同時(shí)，護(hù)坦上游和下游端會(huì)被洪水沖出局部沖刷坑，易被沖毀。相反，如果護(hù)坦頂面埋置過深，彎道螺旋流無法改變?yōu)樗搅鳎樗南苤荒芸亢哟材嗌?，對下游彎道出口端繼續(xù)進(jìn)行嚴(yán)重的沖刷，這無疑加大了防護(hù)長度和防護(hù)高度，護(hù)坦作用也發(fā)揮不出來，造成浪費(fèi)。由于天然床面的螺旋流的比能是一定的，護(hù)坦頂面埋置淺，水流沖刷帶走頂面泥沙耗能就少，剩余動(dòng)能沿護(hù)坦垂裙沖刷就深，反之亦然。

近年來，依據(jù)我省護(hù)坦在多條高速公路及地方道路的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，以及護(hù)坦有效防護(hù)的沖刷機(jī)理，認(rèn)為在洪水流速<5m/s時(shí)，護(hù)坦頂距離最大沖刷線下1m左右是護(hù)坦的作用能有效發(fā)揮，當(dāng)洪水流速≥5m/s時(shí)，為減小hSH值，建議增大護(hù)坦頂寬，并將埋深控制在1.5～2倍的hSH。

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