河道治理工程中河道沖刷研究

謝輝軍

（湖南長(zhǎng)坤建設(shè)有限公司，湖南衡陽(yáng) 421001）

0 前言

為了完善河道沖刷的研究，自19 世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外河道治理工程專家通過(guò)實(shí)地研究和數(shù)字化理論計(jì)算，提出了很多有關(guān)于河道沖刷的研究理論，其中以河道沖刷深度的公式最為詳細(xì)，但是受到現(xiàn)存檢測(cè)儀器的限制，這些河道沖刷深度公式大多為經(jīng)驗(yàn)公式，而且只在特定的條件下才有用，這也就意味著如果應(yīng)用這些經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，那么計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值之間可能會(huì)出現(xiàn)很大的誤差。因此進(jìn)一步對(duì)河道治理工程中的河道沖刷進(jìn)行研究非常重要。本文以舉水河中游的山區(qū)性河道治理工程為例，研究怎樣根據(jù)現(xiàn)有的法律法規(guī)和河道治理工程實(shí)際狀況，合理的使用河道沖刷深度計(jì)算模型，計(jì)算出較為準(zhǔn)確的河道沖刷深度，為河道兩岸堤岸的設(shè)計(jì)提供參考，保證河道在汛期也不會(huì)危害河道兩岸居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 河道治理對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響

在城市建設(shè)過(guò)程中，河流始終占據(jù)重要位置，河流不僅能夠促進(jìn)城市間的空氣循環(huán)，同時(shí)也能夠提升城市的建設(shè)安全，從古至今，河道治理一直都是人們關(guān)注的重要問(wèn)題，就當(dāng)前現(xiàn)有的資料來(lái)看，我國(guó)河道治理主要經(jīng)歷了以下4 個(gè)階段：

1.1 依附自然的被動(dòng)階段

所謂“依附自然”，其實(shí)就是在不破壞原有自然河流的基礎(chǔ)上，開(kāi)展相應(yīng)和河道治理工作，這不僅不會(huì)對(duì)河道的原貌造成影響，同時(shí)也能夠提升河道的整體生態(tài)效益。但是，該河道治理方法并不能有效提升河道的安全性，尤其是在抗洪方面，幾乎起不到關(guān)鍵的作用。

1.2 與河爭(zhēng)地階段

該階段中，人們開(kāi)始注重河道治理的多重發(fā)展，不僅對(duì)河道進(jìn)行治理，同時(shí)還修建了相關(guān)的水利工程設(shè)施，但是，由于技術(shù)方面的限制，其水利工程實(shí)施也十分簡(jiǎn)陋。

1.3 經(jīng)濟(jì)治河階段

這一階段過(guò)程中，如何利用有限的資源提升河道治理的效益開(kāi)始成為人們關(guān)注的話題，在此基礎(chǔ)上，人們開(kāi)始利用現(xiàn)有的資源和技術(shù)對(duì)河道治理工程進(jìn)行創(chuàng)新，并以提升河道治理的經(jīng)濟(jì)性為主。

1.4 和諧治理階段

實(shí)現(xiàn)人與自然之間的和諧一直都是我國(guó)生產(chǎn)、發(fā)展的基本理念之一，所以，在河道治理方面，人們開(kāi)始在河道治理工程中融入更多的要求，在提升河道的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)凈化環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

如今，我國(guó)在河道治理方面，不僅投入了更多的經(jīng)濟(jì)資源，同時(shí)也將相應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用到河道治理工程之中，但是，就當(dāng)前為我國(guó)河道治理工程開(kāi)展現(xiàn)狀而言，仍然存在許多問(wèn)題，這些問(wèn)題的存在將不斷影響我國(guó)生態(tài)環(huán)境，具體表現(xiàn)如下：

首先，河道的抗洪能力將會(huì)明顯下降，這主要是因?yàn)椋诤拥乐卫磉^(guò)程中，由于治理措施不當(dāng)，通常會(huì)引起一些其他問(wèn)題，比如河道淤積，這樣的問(wèn)題將會(huì)嚴(yán)重影響到河道原本的抗洪能力。其次，河道治理不當(dāng)將嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，并出現(xiàn)基流減少的現(xiàn)象一旦發(fā)生這樣的問(wèn)題，不僅會(huì)影響到居民的城市用水，同時(shí)也會(huì)該河道附近居民的生活環(huán)境，甚至?xí)霈F(xiàn)污水入城的問(wèn)題。最后，河道系統(tǒng)失衡，將會(huì)引起嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，一旦生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)問(wèn)題，不僅會(huì)影響到社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也會(huì)對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)造成破壞。所以，河道治理工程與生態(tài)環(huán)境之間這必然聯(lián)系，只有做好河道治理工作，才能夠有效提升生態(tài)效益。在河道治理過(guò)程中，對(duì)河道沖刷的研究及實(shí)踐對(duì)河道治理工作具有重要的意義，既能夠提升河道的安全性，同時(shí)也能夠?yàn)楹拥乐卫硖峁└嗟墓芾磙k法，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)河道功能的優(yōu)化。

2 舉水河河道狀況

本文以湖北省黃岡市的舉水河河道治理為例，來(lái)講解河道治理工程中河道沖刷的研究及實(shí)踐，湖北黃岡市面積廣闊，地處大別山山脈，位于山西省和湖北省的交界處，黃岡市下轄黃州區(qū)、紅安縣、羅田縣、英山縣、蘄春縣、黃梅縣、團(tuán)風(fēng)縣、武穴市、麻城市等九個(gè)縣級(jí)區(qū)，由于受大別山山脈的影響，黃岡市以平原和丘陵為主，該地區(qū)海平面較低，有很明顯的雨季和旱季，在雨季的時(shí)候常常因?yàn)檫B綿不斷的降雨而造成舉水河河道水流倒灌周?chē)那f稼和房屋，引起水災(zāi)。且該地區(qū)的許多湖泊皆由舉水河分流而成，而每個(gè)湖泊的下方都居住著幾個(gè)村落，所以一旦湖泊的水被灌滿，下方村落的安全就很難有保障。受到該地區(qū)山脈的影響，它的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較為落后，遷村這一想法暫時(shí)不能實(shí)行，因此我們需要對(duì)舉水河進(jìn)行河道治理，確保該地區(qū)能夠在雨季泄洪、旱季灌溉下游田地。

3 河道治理工程中河道沖刷研究的必要性

舉水河位于黃岡市的一段河道大多為狹窄的山道，河道蜿蜒曲折、坡道大，因此它的水流大多湍急、水源來(lái)源少，容易隨著汛期水位暴漲，單位時(shí)間內(nèi)的水流量增大，流速快，破壞性強(qiáng)。如果不在河道的兩側(cè)加上堤岸，或者對(duì)堤岸的保護(hù)措施不夠，再加上人為的破壞，河流就會(huì)沖刷河道兩岸。河岸一般用沙土和碎石堆砌，既不能抵御水流的沖洗，也不能防滲防漏，如果單位時(shí)間的水流速和水流量都很大，河水就可能帶著泥沙一起沖洗河道兩岸，這個(gè)沖刷力度比單純的河水沖刷更具有破壞性。而且人們依水而建的傳統(tǒng)已經(jīng)沿襲了數(shù)千年，河道兩岸村莊密集，部分房屋更是建設(shè)在河道旁邊。為了保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，在避免大量拆遷的前提下，提高河道的防洪防汛能力，減少河堤兩岸的水土流失以及減少河流對(duì)堤岸的沖洗，我們必須要得到最接近真實(shí)值的河道沖刷深度，然后在根據(jù)這個(gè)河道沖刷深度進(jìn)行護(hù)岸堤壩的設(shè)計(jì)和建設(shè)，做好河岸的防護(hù)治理工作。

4 沖刷深度分析計(jì)算

4.1 河流的沖刷深度與河流水深的關(guān)系

在舉水河河道水深5～10m 處，河流水深對(duì)河流的沖刷深度有主要的影響，因?yàn)榇说壬疃确秶乃鞲菀资艿缴嫌嗡魉俸屯饨顼L(fēng)力的影響，會(huì)引起該河道內(nèi)水流的縱向共振，就是說(shuō)在上游水流的沖擊和外界風(fēng)力的帶動(dòng)下，該河段的水體會(huì)集體向河道兩岸進(jìn)行沖刷，這種沖刷力度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于河流上層的沖刷力度，沖刷深度過(guò)大，對(duì)河道兩岸堤壩的沖擊力也過(guò)大，這種情況我們需要將堤岸的梯形角度減小，希望能通過(guò)延長(zhǎng)水流流程減小水流對(duì)河道兩岸的沖擊力。在舉水河河道水深小于5m 或者大于10m 處，我們需要運(yùn)用其他的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)進(jìn)行河流沖刷深度的計(jì)算，具體問(wèn)題具體分析。

4.2 河流的沖刷深度與沙粒粒徑的關(guān)系

河流所過(guò)之處一定會(huì)帶走部分泥沙和土壤，特別是近些年，我國(guó)水土流失情況日益嚴(yán)重，河水所帶的泥沙量更是增大，更成為影響河流沖刷深度的關(guān)鍵因素。在其他條件都相同的情況下，河底水流的流速越大，水流所具有的動(dòng)能就越大，能帶動(dòng)的泥沙量就越多、泥沙粒徑越大。大粒徑的泥沙就意味著大質(zhì)量，當(dāng)水流賦予大質(zhì)量泥沙速度時(shí)，大粒徑的泥沙具有更大的能量，對(duì)河流堤岸的沖擊力和損壞力也就越大，相應(yīng)的河流沖刷深度也就越大。對(duì)于舉水河這樣的歷經(jīng)上千年的河道來(lái)說(shuō)，人們已經(jīng)無(wú)法確定其河床的變化，因此很難確定其泥沙攜帶量，更不用說(shuō)確定河流的沖刷深度。早在200 多年前，就有人開(kāi)始對(duì)泥沙起動(dòng)流速進(jìn)行研究。20 世紀(jì)20 年代前后，希爾茲（Shields）曲線問(wèn)世，泥沙起動(dòng)拖曳力公式的推導(dǎo)，使泥沙起動(dòng)條件的研究得到開(kāi)創(chuàng)性的發(fā)展。隨后，越來(lái)越多的半理論、半經(jīng)驗(yàn)公式被提出。岡恰洛夫采用對(duì)數(shù)形式的流速分布公式，推出適用于散粒體及黏性細(xì)顆粒泥沙的統(tǒng)一起動(dòng)流速公式，由此才得到較為符合實(shí)際的河流沖刷深度?，F(xiàn)代河道治理工程師瑞瑾認(rèn)為顆粒起動(dòng)時(shí)受黏結(jié)力的影響，尤其認(rèn)為該黏結(jié)力還包含水柱及大氣壓力所傳遞的那部分作用，得到同時(shí)適用于散粒體及黏性細(xì)顆粒泥沙的統(tǒng)一起動(dòng)流速公式。

舉水河在黃岡市的山區(qū)性河道特征決定了在該地區(qū)進(jìn)行堤岸設(shè)計(jì)和河道治理，河流沖刷深度的研究和水土流失的防治是重點(diǎn)。在進(jìn)行此類河道的堤岸設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選用合適的公式，確定河道的沖刷深度，優(yōu)化堤岸設(shè)計(jì)，保障防汛安全。

5 結(jié)論

除了以上所談及的河道治理方案和河道沖刷深度確定方案，我們還有很多其他的對(duì)河道治理工程有幫助的新技術(shù)、新方法，科學(xué)研究不僅方便了生活，科學(xué)研究還改變我們各行各業(yè)的發(fā)展。目前我們所了解的河道治理規(guī)劃新方案大多還處于實(shí)驗(yàn)階段，因?yàn)橘M(fèi)用和適用性等方面的限制，還沒(méi)有廣泛地應(yīng)用于地區(qū)河道治理工程的規(guī)劃中，但這些河道治理工程方案的發(fā)展已經(jīng)勢(shì)不可擋，會(huì)對(duì)地區(qū)水利工程行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。河道沖刷深度的確定與河道治理工程的建設(shè)并不只涉水利工程這一門(mén)學(xué)科知識(shí)，需要綜合運(yùn)用觀測(cè)、勘探、攝影、地理學(xué)等多個(gè)學(xué)科知識(shí)，對(duì)即將進(jìn)行河道治理的地區(qū)的氣候、植被分布、基礎(chǔ)水利建設(shè)、地形地勢(shì)等方面進(jìn)行分析。在做好基礎(chǔ)工作之后，我們才能開(kāi)展水利工程施工，有效的水利施工措施必定跟先進(jìn)的水利施工方案和操作設(shè)備進(jìn)行聯(lián)系，而具有實(shí)際意義的水利工程建設(shè)設(shè)備必須與優(yōu)秀的施工技術(shù)進(jìn)行緊密地結(jié)合。