穿河管道沖刷公式分類(lèi)及適用性分析

伯彥萍 安美運(yùn) 張春雷 黃澄 趙松波

摘 要：本文對(duì)河流演變規(guī)律和穿河管道沖刷機(jī)理進(jìn)行了分析，并指出了目前工程上常用沖刷公式的局限性。本文在研究沖刷機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的一般沖刷和局部沖刷公式進(jìn)行總結(jié)分析，根據(jù)不同河形對(duì)國(guó)內(nèi)外沖刷公式進(jìn)行歸納整理，得到了非粘性土河床不同河形一般沖刷深度公式的適用條件，以及局部沖刷情況下非粘性土河床和粘性土河床的沖刷公式的適用條件。研究成果可為工程設(shè)計(jì)中算管道埋設(shè)深度選用計(jì)算公式提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：穿河管道;河形;沖刷公式

中圖分類(lèi)號(hào)：TV135? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）12-0130-03

1引言

管道運(yùn)輸作為一種長(zhǎng)距離運(yùn)輸工具，越來(lái)越普遍地運(yùn)用在輸送氣體、液體等領(lǐng)域，給人們的生活帶來(lái)了極大的便利。由于管道運(yùn)輸距離一般較長(zhǎng)，所以在運(yùn)輸過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到需要穿江過(guò)河的情況，這就需要架設(shè)管線橋或者河底穿越，目前工程上采用最多的仍然是河底穿越的形式。穿河管道需要埋設(shè)在河底的一定深度才能保障運(yùn)輸安全，但由于國(guó)內(nèi)外均沒(méi)有專(zhuān)門(mén)適用于計(jì)算穿河管道沖刷深度的規(guī)范公式，所以目前我國(guó)在計(jì)算其埋設(shè)深度時(shí)普遍采用橋渡沖刷公式。穿河管道的埋設(shè)深度至關(guān)重要，如果埋設(shè)過(guò)淺管道易受沖刷而暴露，甚至懸空，管道在水壓力等多方面因素影響下易泄露造成安全隱患;如果埋設(shè)過(guò)深則施工成本增加，甚至可能造成管道無(wú)法穿越。

2 穿河管道沖刷機(jī)理分析

2.1河流分類(lèi)與演變規(guī)律

河床在演變過(guò)程中平面擺動(dòng)的情況對(duì)于管道埋設(shè)有著不可忽視的影響。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明，根據(jù)河床的平面形態(tài)及演變規(guī)律可以將天然河流劃分成不同類(lèi)型，根據(jù)不同河形分類(lèi)可以進(jìn)一步對(duì)其共同特征進(jìn)行研究，研究成果可為穿河管道選取穿越位置和計(jì)算埋設(shè)深度提供一定的理論依據(jù)。目前，對(duì)于河形的研究主要有以下幾類(lèi)：錢(qián)寧等將河流分為游蕩型、分汊型、彎曲型和順直型;武漢水利電力學(xué)院將河流分為游蕩型、分汊型和順直微曲型;方宗岱將河流分為擺動(dòng)型、江心洲型和彎曲型;Leopold等將河流分為辮狀型、彎曲型和順直型;Kypaeb等將河流分為自由彎曲型、分汊型和單股型;K，N，Poccnhcknn等將河流分為游蕩型、彎曲型和周期增寬型。

從穩(wěn)定性出發(fā)，天然河流也可以分為兩類(lèi)：穩(wěn)定型河流和不穩(wěn)定型河流。游蕩型和彎曲型就屬于典型的不穩(wěn)定型河流，這類(lèi)河流在進(jìn)行埋管設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特殊考慮。游蕩型河流的不穩(wěn)定性有的不僅體現(xiàn)在河床不穩(wěn)定，還有一部分河流河岸也不穩(wěn)定，這就造成河流縱向坡陡、橫向?qū)捝畋容^大的問(wèn)題，在進(jìn)行埋管設(shè)計(jì)要綜合多年數(shù)據(jù)資料全面分析。彎曲型河流的河床和河岸相對(duì)游蕩型河流一般來(lái)說(shuō)河流的形態(tài)是不變的，但在河形發(fā)育過(guò)程中具有迂回曲折和蜿蜒蠕動(dòng)的特征。

2.2穿河管道常見(jiàn)形式

穿河管道主要的施工方法有：溝埋鋪設(shè)法、盾構(gòu)法、頂管法、定向鉆穿越法等。國(guó)內(nèi)外最常采用的方法是溝埋鋪設(shè)法，因?yàn)橄噍^于其他方法具有穩(wěn)定性好、安全系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)。從管道穿越的水平投影上可以將其分為直線式和曲線式兩大類(lèi)，具體見(jiàn)表1。

2.3穿河管道沖刷機(jī)理

當(dāng)河床地層堅(jiān)硬且穩(wěn)定時(shí)，穿河管道一般可以直接鋪設(shè);當(dāng)河床地層泥沙較多且沖淤劇烈時(shí)，穿河管道一般埋設(shè)在河床下。穿河埋設(shè)的管道如果埋設(shè)深度不夠，在水流的持續(xù)沖刷下河床以下埋設(shè)部位會(huì)逐漸暴露出來(lái)，或因河流的平面演變會(huì)使邊灘的縱向部位管道受到?jīng)_刷。

河床的特性影響沖刷的形成和發(fā)展，一般來(lái)說(shuō)非粘性土的抗沖刷能力要低于粘性土，故非粘性土河床沖刷更劇烈。我國(guó)在計(jì)算穿河管道沖刷深度時(shí)參考的主要是橋梁墩臺(tái)、河床、河岸等公式。橋梁墩臺(tái)沖刷公式根據(jù)沖刷形成機(jī)理將其分為：河床自然演變沖刷、橋下斷面一般沖刷、墩臺(tái)局部沖刷，在計(jì)算過(guò)程中雖然將其分類(lèi)、分步計(jì)算，但實(shí)際上這三種沖刷的形成過(guò)程是復(fù)雜且持續(xù)的。

3 沖刷公式分析

3.1埋深計(jì)算

根據(jù)前面的分析可以得知，河道河床沖淤過(guò)程十分復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)外沒(méi)有專(zhuān)門(mén)適用于計(jì)算穿河管道沖刷深度的規(guī)范公式。在計(jì)算管道埋深時(shí)多采用橋渡附近的沖刷公式，通常稱(chēng)為（64-1）式：

（1）

式中：Q——計(jì)算時(shí)采用的設(shè)計(jì)流量（造床流量），m3/s;

L——平灘水位時(shí)的河面寬度，m;

A——單寬流量集中系數(shù)，按下式計(jì)算。

（64-1）式是鐵道科學(xué)院在實(shí)測(cè)和模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立的，計(jì)算依據(jù)的是橋梁壓縮水流引起水、沙運(yùn)動(dòng)變化。該公式是目前應(yīng)用最廣泛的，但仍有以下三點(diǎn)局限性：①只適用于河床有底沙運(yùn)動(dòng)的非粘性土河流;②只能反映洪水過(guò)程中洪峰式瞬時(shí)沖淤大小，不能反映出整個(gè)過(guò)程沖淤變化;③未考慮河床形態(tài)對(duì)沖淤變化的影響。

3.2一般沖刷計(jì)算

3.2.1非粘性土河床一般沖刷計(jì)算

3.2.1.1? 64-1修正式

（2）

（2）

64-1修正式是根據(jù)沖止流速建立的，適用于單式斷面的橋下全部為河床或復(fù)式斷面的橋下河床部分。該公式中有泥沙平均粒徑這一參數(shù)，故需有準(zhǔn)確的地質(zhì)勘探資料才能保證計(jì)算結(jié)果可靠性，應(yīng)找大顆粒密集部位取樣，如橋址附近陡峭處、邊灘交界處或深泓中。

3.2.1.2? 64-2簡(jiǎn)化式

（3）

（3）

64-2簡(jiǎn)化式是根據(jù)輸沙平衡關(guān)系建立的，適用于沙質(zhì)（非粘性土）河床且橋下全部為河床或橋下河床部分。該公式的計(jì)算原理是：當(dāng)上游來(lái)沙量小于水流挾沙能力時(shí)河床產(chǎn)生沖刷;當(dāng)上游來(lái)沙量等于水流挾沙能力時(shí)達(dá)到輸沙平衡狀態(tài)，河床沖刷隨即停止，一般沖刷達(dá)到最大值。

3.2.1.3 包爾達(dá)可夫公式

（4）

包爾達(dá)可夫公式假定在有底沙運(yùn)動(dòng)的河流上，但只適用于平原及山區(qū)穩(wěn)定河段。包式公式未考慮河床土質(zhì)、水流集中沖刷等因素，認(rèn)為沖刷與水深成正比，這與一些容易發(fā)生集中沖刷的河流所表現(xiàn)出的沖刷規(guī)律是相違背的。該公式結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單、適用性較窄，不常用于一般沖刷計(jì)算。

根據(jù)對(duì)以上公式計(jì)算原理和適用性進(jìn)行分析整理，歸納出非粘性土河床一般沖刷公式適用條件，詳見(jiàn)表2。

根據(jù)表2可以看出雖然64-1修正式比較常用，但作為經(jīng)驗(yàn)公式上在使用時(shí)需要注意一下幾點(diǎn)：

（1）64 - 1修正式不適于高含沙水流條件;

（2）使用64 - 1修正式時(shí)需注意邊界條件的選取，計(jì)算斷面和河床顆粒直徑是影響計(jì)算較大的兩個(gè)因素。在淺水、粗顆粒河床組成條件下計(jì)算結(jié)果偏大;在深水、細(xì)顆粒河床組成條件下則偏小。

（3）使用64 - 1修正式計(jì)算一般沖刷最大沖深時(shí)，若計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)負(fù)值，則說(shuō)明雖然部分或大部分垂線平均流速降低到該垂線的沖止流速了，但一般沖刷沒(méi)有達(dá)到最大。

3.2.2粘性土河床一般沖刷計(jì)算

粘性土顆粒很細(xì)，一般平均粒徑小于0.05mm。粘性土顆粒通過(guò)在其表面形成很薄且結(jié)合緊密的薄膜水使得顆粒之間具有一定的粘性力。對(duì)于粘性土河床沖刷通常采用如下公式：

（5）

適用范圍：=0.16～0.19。

3.3局部沖刷計(jì)算

3.3.1非粘性土河床局部沖刷深度計(jì)算

3.3.1.1經(jīng)驗(yàn)公式

早期非粘性土河床局部沖刷經(jīng)驗(yàn)公式主要有由美國(guó)水力工程通報(bào)（HEC-18）推薦公式早期的經(jīng)驗(yàn)公式、由印度河流實(shí)測(cè)資料建立的Lacey公式和由模型試驗(yàn)資料建立Jain.s.c公式等。這些公式雖然說(shuō)有一定針對(duì)性，但難以推廣的原因是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，考慮也不夠全面。后期非粘性土河床局部沖刷經(jīng)驗(yàn)公式雖然考慮的因素比較全面，但其參數(shù)、系數(shù)要根據(jù)具體情況而定，也難以大范圍推廣。

3.3.1.2半經(jīng)驗(yàn)半理論公式

在早期研究成果中大部分有關(guān)沖刷的公式是半經(jīng)驗(yàn)半理論公式，在實(shí)際應(yīng)用和研究中常采用的就是這類(lèi)公式。半經(jīng)驗(yàn)半理論公式常以理論為基礎(chǔ)加以假定進(jìn)行推導(dǎo)得來(lái)的，其優(yōu)點(diǎn)是考慮因素比較全面，采用的系數(shù)一般通過(guò)試驗(yàn)或?qū)崪y(cè)資料來(lái)確定。其中，65-2式、65-1修正式就是現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于我國(guó)諸多非粘性土河床局部沖刷計(jì)算的，這兩個(gè)公式均經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，結(jié)果相對(duì)比較準(zhǔn)確。

65-2公式：

當(dāng)≤，（6）

當(dāng)>，（7）

（8）

65-1修正式：

當(dāng)≤，? ?（9）

當(dāng)>，（10）

3.3.2粘性土河床橋墩局部沖刷

目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)于粘性土河床一般沖刷和局部沖刷的研究成果都比較少，通常都是采用液性指數(shù)作為粘性土抗沖能力指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。粘性土河床橋墩局部沖刷常用的以下兩個(gè)公式均是針對(duì)順直水流的，認(rèn)為彎曲水流局部沖刷很小或沒(méi)有，公式如下：

（1）前蘇聯(lián)規(guī)范公式：

（11）

（2）我國(guó)規(guī)范公式：

當(dāng)2.5時(shí)，（12）

當(dāng)<2.5時(shí)，（13）

4 結(jié)語(yǔ)

穿河管道的埋深是一個(gè)重要的理論和工程問(wèn)題，其有效合理的預(yù)測(cè)可以更好地進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，減少因沖刷暴露河底管道的安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)本文對(duì)沖刷公式的研究可以看出，根據(jù)河床形態(tài)和演變規(guī)律可以將河流劃分成若干類(lèi)型，不同類(lèi)型的河流沖刷特性有區(qū)別，這對(duì)于研究管道埋設(shè)來(lái)說(shuō)具有重要意義。鑒于目前對(duì)于穿河管道的埋深沒(méi)有規(guī)范計(jì)算公式，因此，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)于穿河沖刷機(jī)理和沖刷過(guò)程的研究，探索出專(zhuān)門(mén)適用于穿河管道埋深的沖刷公式。

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基金項(xiàng)目：貴州省水利廳科研項(xiàng)目（KT202011）。