跨/穿河建筑物上游河道采砂安全距離

司鵬飛　牛小靜　余錫平

摘要：河道采砂會對附近跨/穿河建筑物的安全造成較大影響。針對實際工程中跨/穿河建筑物周邊采砂安全距離的確定問題，搜集整理了國內(nèi)外對于結(jié)構(gòu)物附近采砂活動的相關(guān)規(guī)范，對采砂坑遷移及其對河床影響進行了系統(tǒng)地分析和綜述，并結(jié)合前人的相關(guān)理論研究及物理實驗研究結(jié)果，提出了計算跨/穿河建筑物上游安全采砂距離的公式。該公式可根據(jù)水流、泥沙及采沙坑尺寸等特征參數(shù)估算采砂坑的遷移影響范圍，進而根據(jù)實際工程情況確定跨/穿河建筑物周邊的安全采砂范圍。該公式與現(xiàn)有的實際河道采砂坑遷移觀測結(jié)果進行了對比驗證，結(jié)果良好。最后，利用該公式對安陽河河段的倒虹吸工程上游河道采砂安全距離進行了實例分析，為規(guī)范工程所在河流上的采砂行為提供參考。

關(guān)鍵詞：跨/穿河建筑物；采砂；沖刷；遷移規(guī)律；安全距離

中圖分類號：TV8 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）02-0143-06

南水北調(diào)中線工程途經(jīng)長江、淮河、黃河、海河四大流域，與多條河流存在交叉，沿線有眾多跨（穿）河建筑物?？?穿河建筑物附近的河道采砂嚴重影響建筑物的穩(wěn)定性，進一步可能危害整個輸水工程的安全。據(jù)有關(guān)文獻報道，南水北調(diào)中線某倒虹吸工程河段，由于過度采砂原本平坦開闊的天然河道，已經(jīng)形成連續(xù)的大坑，最大深度可達7 m并且局部岸坡塌陷嚴重，距離倒虹吸管身段最近不足50m。濫采亂挖形成的采砂坑影響河流水沙動力特征，危害臨近建筑物安全。而采沙坑在河道水沙動力作用下遷移演變，這使得即使其與跨/穿河建筑物相距一段距離也可能形成安全隱患。采砂活動對跨，穿河建筑物的沖刷影響已經(jīng)引起了學者們的廣泛關(guān)注，但大多數(shù)研究集中于采用數(shù)值模型或物理實驗針對理想問題或者特定河道研究已有采砂坑對河床形態(tài)、泥沙輸運的改變以及采砂對橋墩的沖刷影響。對于距離多遠范圍內(nèi)的采砂坑會對跨，穿河建筑物造成顯著影響，并沒有太多研究報道。本文收集整理了國內(nèi)外對于結(jié)構(gòu)物附近采砂活動的規(guī)范要求，并通過對采砂坑附近流動形態(tài)以及采砂坑的遷移特征的調(diào)研分析，基于前人對采砂坑遷移及其對河床影響的相關(guān)理論研究及物理實驗研究結(jié)果，提出了估算跨，穿河建筑物上游安全采砂距離的經(jīng)驗公式，可為管理和規(guī)范交叉河流采砂提供參考。

1目前國內(nèi)外采砂相關(guān)規(guī)范要求

砂石作為重要的建筑材料，需求量巨大，國內(nèi)外河道采砂的情況均很普遍，但目前缺乏有關(guān)跨/穿河建筑物附近采砂安全距離的具體規(guī)范標準和計算方法。在國內(nèi)外關(guān)于河道采砂的現(xiàn)有相關(guān)文件中，對跨/穿河建筑物周邊的采砂行為常是原則性的規(guī)定。部分文件中規(guī)定了安全距離的數(shù)值，也各不相同，有時相差1～2個數(shù)量級。國內(nèi)外各地對于安全采砂的規(guī)范要求詳見表1，可以看出國內(nèi)外對于采砂安全距離并沒有明確的計算公式，只是宏觀地給出了粗略的標準。因此，根據(jù)不同河道的具體情況給出相應跨/穿河建筑物安全采砂距離的計算公式，對保障實際工程中跨/穿河建筑物的安全具有重要意義，是亟待解決的問題。

2采砂坑對河道的影響及遷移特征

由于水流、泥沙及不斷變化的采砂坑邊界的相互作用，河道中采砂坑附近的流場會呈現(xiàn)較復雜的流態(tài)，進而對河床形態(tài)產(chǎn)生一系列的影響。本文考慮簡化的矩形采砂坑情況，參照代爾夫特水力研究所（DHL）的采砂坑實驗設(shè)置，首先通過三維數(shù)值模擬對采砂坑周圍的流場進行了分析，具體的參數(shù)設(shè)置見表2。由圖1（a）、（b）采砂坑所在縱斷面模擬結(jié)果可知，當水流流經(jīng)采砂坑區(qū)域，流動會發(fā)生分離，采砂坑上下游緣口處的流速均會增加，坑內(nèi)緣口附近會形成回流，特別是當局部水流處于急流狀態(tài)（即弗勞德數(shù)Fr>1）時，采砂坑所在斷面會產(chǎn)生明顯的壅水現(xiàn)象。由圖1（c）、（d）采砂坑所在橫斷面模擬結(jié)果可知，采砂坑內(nèi)部會產(chǎn)生一定強度的橫向次生流，沿兩岸邊坡也觀察到微弱的橫向流，同時采砂坑的存在也會對所在斷面的平面流場產(chǎn)生一定的影響，模擬得到的現(xiàn)象符合前人的實測資料以及物理模型中的相關(guān)結(jié)論。由于河床上有了采沙坑的影響，下游緣口水面會向下跌落呈彎曲狀，水流運動明顯加速，水流的挾沙能力會有顯著提高，沖刷能力加強。實際中采砂坑的存在會引發(fā)河床的自動調(diào)整，即沖刷河床的突出部位而回淤低洼處，在此過程中采沙坑斷面不斷展寬、范圍不斷擴大。這一調(diào)整過程在洪水的作用下會明顯加快，造成采沙坑發(fā)生陜速、大范圍的遷移運動，可能危及堤岸及跨/穿河建筑物的安全。

根據(jù)河道的水流條件和采砂坑的幾何形態(tài)等不同要素，采砂坑會沿河道向上、下游遷移。在采砂坑遷移的過程中，一方面由于采砂坑所在位置水流斷面較大，流速較小，所以來自上游的推移質(zhì)和懸移質(zhì)泥沙會在此沉積，使采砂坑趨于消失；另一方面由于河道各處挾沙力的調(diào)整，因此會使采砂坑下游邊坡發(fā)生沖刷，進一步促進了采砂坑的遷移。根據(jù)以往的物理實驗和現(xiàn)場觀測結(jié)果，河道中采砂坑的變形和遷移一般可以分為兩個階段，從采砂坑開始變形遷移開始，到采砂坑的上邊緣遷移到初始采砂坑的下邊緣為第一階段，這一階段主要受對流作用控制，沙坑最大深度基本保持不變，如圖2（a）所示；從第一階段結(jié)束開始到采砂坑最后的遷移消失為第二階段，這一階段主要受擴散作用控制，采砂坑的深度會隨著遷移過程中泥沙的不斷淤積而逐漸變小，見圖2（b）。

采砂坑的遷移會受到水流條件和采砂坑性質(zhì)等眾多因素的影響。假設(shè)采砂坑為標準矩形采砂坑，則采砂坑的幾何形態(tài)參數(shù)包括寬度（W）、長度（L）和深度（H）；考慮順直河道的情7兄水力要素包括水深（h）、上游摩阻流速（u*）；另外還包括泥沙的屬性參數(shù)，如泥沙的密度（ρ_s）、中值粒徑（D50）。另外水流的粘性、河道縱向坡度也會影響采砂坑的遷移過程。相關(guān)研究結(jié)果表明采砂坑在對流階段和擴散階段的遷移速度都可以近似為常數(shù)，采砂坑的最大沖刷深度隨水流挾沙力的增加而減小，有效遷移長度隨水流挾沙力的增加而增加。

3跨/穿河建筑物上游安全采砂距離的確定

3.1安全采砂距離的經(jīng)驗公式與驗證

目前在跨/穿河建筑物的設(shè)計規(guī)范中，并沒有考慮采砂對跨，穿河建筑物的沖刷影響，因此為保證跨/穿河建筑物的穩(wěn)定性安全，要確保采砂坑的運移不會影響到跨/穿河建筑物所在斷面，即采砂坑的存在只改變跨/穿河建筑物斷面的泥沙來量條件，水位及相應的水力要素（如流速、挾沙力等）認為基本不變。這種情況下便能滿足跨/穿河建筑物相關(guān)設(shè)計規(guī)范中的前提條件，使得跨/穿河建筑物不會因采砂坑的存在而過度沖刷。通常認為當采砂坑的深度小于當?shù)厮畹?%時，即可忽略采砂坑對該斷面河床的沖刷影響，見圖2（b），即滿足H_d<0 01h，此時采砂坑遷移所經(jīng)歷的總時間為T_e。目前對于采砂坑遷移普遍規(guī)律的定量研究十分匱乏，最具應用價值的工作是Lee在1993年、1995年分別針對均勻沙和非均勻沙河床的采砂坑遷移進行了一系列物理實驗。經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)擬合得到了采砂坑的遷移速度、最大沖刷深度和對流階段遷移距離等與水力因素、采砂坑基本參數(shù)間的經(jīng)驗關(guān)系式，各無量綱化之后的特征參數(shù)適用范圍見表3。

采砂坑的遷移發(fā)展（包括最大深度、遷移距離）主要受水力、泥沙、采砂坑尺寸這幾方面因素共同影響。對于采砂坑遷移這樣一個比較復雜的現(xiàn)象，由于眾多影響參數(shù)都具有較大的不確定性，因此目前較多研究采用量綱分析的方法來分析解釋采砂坑的遷移規(guī)律，具體的理論推導詳見Lee等人的采砂坑遷移實驗。通常河床的最大沖刷深度出現(xiàn)在采砂坑對流遷移階段結(jié)束時，即采砂坑的上邊緣遷移到初始采砂坑的下邊緣，基于Lee對采砂坑遷移的實驗觀測數(shù)據(jù)，無量綱化之后的采砂坑最大沖刷深度可表示為：

（1）

（2）

（3）

（4）

本文綜合Lee對各研究變量的擬合經(jīng)驗公式，提出對于跨/穿河建筑物上游的采砂安全距離L_s的經(jīng)驗計算公式：

（5）

針對得出的安全采砂距離公式，本文采用Ney-shabouri的實地觀測結(jié)果進行簡單地驗證。觀測河道位于伊朗西北部，采砂坑長1.2 m，寬2 m，深1.2 m，當?shù)厮?.6 m，流速2 m/s，相關(guān)參數(shù)設(shè)置、計算結(jié)果以及觀測到的實際數(shù)據(jù)詳見表4。由于觀測期較短，并沒有觀測到采砂坑的整個遷移過程（即H_d=0.01h），所以計算得到的采砂坑遷移距離大于觀測值（21 d），通過對比可知，由式（5）所得的采砂坑遷移時間和遷移距離估算結(jié)果與實際觀測值相比還是可以接受的。這在一定程度上反映了該計算公式在實際河流中應用的可行性。

3.2實際工程安全采砂距離計算分析

根據(jù)表5的計算結(jié)果，可以初步得知安陽河段的水力特征參數(shù)及一般采砂坑幾何參數(shù)基本處于經(jīng)驗公式（5）的涵蓋范圍內(nèi)，由于不同水流條件和采砂坑幾何尺寸設(shè)置，采用經(jīng)驗公式（5）計算所得的安陽河段采砂安全距離范圍為282.9～2 821.4 m，基本符合現(xiàn)行采砂實踐中的一般要求，因此式（5）作為工程實踐中安全采砂距離確定的經(jīng)驗公式是具有一定指導參考價值的。從計算結(jié)果對比分析可知，當水流條件一定時，采砂坑長度是決定遷移距離的關(guān)鍵因素，坑長的增加會較大程度地增加采砂坑的遷移速度和遷移時間，加大采砂坑的影響范圍；而采砂坑的初始深度對采砂坑沿河道縱向的遷移距離影響較小，但由公式（2）可知，采砂坑遷移過程中的最大深度會隨初始深度的增加而增加，因此會對河道兩岸的穩(wěn)定性造成較大影響，這也是在現(xiàn)行采砂工程中限制采砂深度的主要原因。當保持采砂坑尺寸不變時，采砂坑的遷移影響范圍主要由摩阻流速與當?shù)厮罟餐瑳Q定，當采砂坑周圍水流的摩阻流速確定的情況下，水深的增加會減小采砂坑的影響范圍，有利于跨/穿河建筑物的安全穩(wěn)定性。但在實際河流中，當?shù)厮钆c摩阻流速之間相互影響，水深的增加有利于抑制采砂坑的遷移，而摩阻流速的增加又會加速采砂坑的遷移過程，加大遷移影響范圍。因此本文分別針對安陽河倒虹吸交叉河段不同重現(xiàn)期流量情況進行分析，結(jié)果表明流量越大，即水深和摩阻流速共同增加的情況下，采砂坑的遷移范圍會隨之增加，安全采砂距離也會相應增大。

4結(jié)論

本文綜述了采砂坑對河道的影響、采砂坑的遷移特征以及跨，穿河建筑物上游安全采砂距離的研究現(xiàn)狀，基于前人對采砂坑遷移及其對河床影響的相關(guān)理論研究及物理實驗研究結(jié)果，針對工程中跨/穿河建筑物周邊采砂規(guī)范的實際問題，提出了計算跨/穿河建筑物上游安全采砂距離的經(jīng)驗公式，并根據(jù)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)進行了驗證。針對實際河段的水流、泥沙條件及采砂坑的具體布置情況，可通過公式計算得到采砂坑的影響范圍，進而根據(jù)實際工程情況確定跨，穿河建筑物周邊的安全采砂范圍。本文提出的經(jīng)驗公式有利于指導采砂工程的有序規(guī)范進行，以保障跨/穿河建筑物的安全穩(wěn)定性。