多沙河流泥沙沖淤埋深確定方法與應用

趙有信

(山東省海河淮河小清河流域水利管理服務中心,山東 濟南 250013)

1 引 言

多沙河流淤積層深厚,如何計算泥沙沖淤深度以確定工程埋深,是涉河項目首先要解決的問題。 針對石油、天然氣、供水等管道工程穿越河流的埋深問題,一些專家從河道行洪、通航以及自然景觀的影響等方面做了研究[1-3]。 已有研究和工程實踐表明,涉河工程埋深的確定,受地質條件、水文情況、防洪要求、施工點環(huán)境等多因素影響。 涉河工程建成后,需進行人工回填,恢復河床的地貌形態(tài),基本上不改變河流原有的邊界條件和水沙運動規(guī)律,因此,如何確定涉河工程埋深的問題就轉化為河道泥沙沖淤變化計算問題[4]。

目前,涉河工程沖淤計算已有相應的規(guī)范。 涉河橋梁等建筑物主要根據交通運輸部發(fā)布的《公路工程水文勘測設計規(guī)范》(JTG C30—2015)執(zhí)行,涉河堤防等建筑物按照水利部等發(fā)布的《堤防工程設計規(guī)范》(GB 50286—2013)推薦的公式計算。 為了確保內河航運安全,《內河通航標準》(GB 50139—2014)還明確了穿河建筑物埋設的富裕值、船舶應急拋錨時錨體的入土深度等。 美國在相關管理技術文件中明確,穿河建筑物頂部到河底之間要有垂直0.91m 的安全距離[5]。已有規(guī)范及標準明確的相關要求基于兩方面考慮:一方面涉河工程建筑物要有較大埋深以避免受河流沖刷而裸露甚至懸空,造成工程運行事故,另一方面要避免由于埋深過大導致工程造價大幅上升。 兩者相比,最關鍵的還是要確保工程運行安全以免造成巨大的經濟損失和社會影響[6]。

近年來,受流域水土保持、河湖綜合整治以及河道大壩修建等影響,一些河道的水文情勢和邊界條件發(fā)生變化,原有的泥沙沖淤平衡被打破,自然河道則通過河床淤積或沖刷來進行自我調節(jié)[7-8],且同一條河流不同河段泥沙沖淤變化規(guī)律不同[9]。 根據黃河下游游蕩河段1986—2015 年實測大斷面資料分析,小浪底水庫運行后黃河下游河道累計沖刷量18.6 億m3,平灘河寬與水深增加,橫斷面形態(tài)總體向窄深方向發(fā)展[10]。多沙河流泥沙沖淤規(guī)律的變化,對現(xiàn)有標準下按照設計洪水計算單次洪水最大沖刷深度來確定工程埋深的計算方法帶來了影響,也為工程正常運行留下了安全隱患。 本文基于現(xiàn)有規(guī)范標準的單次洪水沖刷深度計算方法,綜合考慮河道多年泥沙沖淤平衡趨勢和歷史最大洪水沖刷,研究提出涉河建筑物確定埋深的綜合計算方法,為科學合理確定涉河工程建筑物埋深提供依據。

2 計算方法

2.1 影響因子分析

影響穿河管道埋深計算的因素有自然因素和人為因素。 自然因素包括河床地質結構、河道形態(tài)、河床演變、水文特性等。 人為因素包括河道水工建筑物修建、河道防洪標準設定、航道建設要求等。

在河道水流(包括人為擾動對河流的影響)與河床邊界相互作用下,河床在縱向和橫向方向上發(fā)生變化。 通常情況下,涉河工程在河床橫斷面剖面上選取重大沖刷深度確定建筑物埋深且保持高程不變,由于泥沙沖淤引起的河床橫向變形對確定最大埋深影響不大,河床沿水流方向由于泥沙沖刷或淤積導致的河床變化,是本文重點考慮因素。

在自然河道泥沙沖淤基礎上,涉河項目埋深確定還要考慮與一定時期經濟社會發(fā)展相對應的邊界條件,如通航要求、防洪要求等。 有的為了確保建筑物具有足夠的安全埋深,還設定了一定的安全埋深要求,如山東省《涉水建設項目防洪與輸水影響評價技術規(guī)范》(DB37/T 3704—2019)規(guī)定,穿河管道的頂高程宜低于相應設計洪(輸)水沖刷線以下1.5m。 本文重點考慮河道防洪標準設定對埋深計算的影響。

2.2 埋深計算方法確定

2.2.1 計算模型

基于上述對河道沖淤和埋深確定影響因素的分析,本研究按照如下步驟計算管道埋深:①計算設計洪水沖刷值;②計算歷史最大洪水沖刷值;③分析計算河床高程趨勢性升高或降低值;④綜合分析確定埋深值。計算公式如下:

式中,Hm為涉河建筑物計算埋深,m;Hs為設計洪水計算沖刷深度,m;Hh為歷史最大洪水沖刷深度,m;ΔH為河床多年累積沖刷深度,m;河床多年淤積時,ΔH 取值為0;Ha為安全埋深系數,按照各地規(guī)范確定值,m。

2.2.2 設計洪水沖刷值(Hs)計算

對于河道一般沖刷計算,已有大量的研究成果。不同研究者總結出相應的經驗公式且得到一定的應用,如lacey 公式、謝鑒衡公式、HEC-18 公式等。 根據長期生產實踐和研究,《公路工程水文勘測設計規(guī)范》(JTG C30—2015)給出了非黏性土和黏性土河槽、河灘的一般沖刷計算公式,也就是通常說的64-2 簡化公式(輸沙平衡原理)和64-1 修正公式(沖止流速原理);在總結多年研究和實踐的基礎上,《堤防工程設計規(guī)范》(GB 50286—2013)給出了主槽及灘地一般沖刷深度的計算公式。 為了嚴格引用相關規(guī)范設計公式表述,本文中的設計供水沖刷值(Hs)在下列公式中用hp或hs表示。

非黏性土河槽一般沖刷64-2 簡化公式如下:

式中,hp為橋下一般沖刷后的最大水深,m;Qp為設計流量,m3/s;Q2為橋下河槽部分通過的設計流量,m3/s;Qc為天然河槽部分設計流量,m3/s;Qt1為天然狀態(tài)下橋下河灘部分設計流量,m3/s;Bc為計算斷面天然河槽寬度,m;Bcg為橋長范圍內河槽寬度,m;Bz為造床流量下河槽寬度,m;λ 為設計水位下,在Bcg寬度范圍內,橋墩阻水總水面與橋下過水面積的比值;μ 為橋墩水流側向壓縮系數;hcm為河槽最大水深,m;Ad為單寬流量集中系數;Hz為造床流量下河槽平均水深,m。

非黏性土河槽一般沖刷64-1 修正公式如下:

式中,Bcj為河槽部分過水凈寬,m;hcq為橋下河槽平均

《堤防工程設計規(guī)范》計算公式:

式中,hs為局部沖刷深度,m;H0為沖刷處的水深,m;Ucp為近岸垂線平均流速,m/s;n 與防護岸坡在平面上的形狀有關,取n =1/4 ~1/6;η 為水流流速不均勻系數;U 為行近流速,m/s;Uc為泥沙起動流速,m/s。 黏性土與砂質河床泥沙起動流速采用張瑞瑾公式計算:

式中:γ 為水的重度;γs為泥沙重度;d50為泥沙中值粒徑。

lacey 公式表達式如下:

式中,hs為設計斷面的最大沖刷坑深度,m;k 為沖刷坑系數,一般取0.25;Qf為設計洪水流量,m3/s;Dm為床沙粒徑,mm。

上述單次洪水沖刷計算公式在不同的生產領域得到應用,但不同公式計算結果差異較大。 如根據對某工程最大可能沖刷深度分析[11],按lacey 公式計算水流局部沖刷坑深度為5.9m,按公路規(guī)范64-1 修正公式計算河床沖刷深度為11.8m。 徐世明等[12]對不同計算公式作了分析比較,認為跨河橋梁工程橋墩處局部水流變化大,宜采用行業(yè)推薦的公式計算,而路堤結合工程以及穿河管道工程,可采用水利行業(yè)推薦的沖刷計算公式。 總體而言,橋渡計算沖刷深度較水利行業(yè)設計規(guī)范對應的沖刷深度計算成果均偏大,采用橋渡沖刷計算成果偏于工程安全。 本研究中采用多種方式進行計算比較,按照有利于工程安全的要求選取計算結果。

2.2.3 河床多年沖淤值(Δ)計算

對于一些河流,多年持續(xù)的沖刷或淤積,將會整體性降低或抬高河底高程,特別是近年來隨著流域綜合治理,大部分河道水流含沙量減少,對河道形成沖刷,河槽下切,在進行管道埋深計算時應予以考慮。 計算年份按照工程設計年限設定,起始年份為工程開工年份。 通過已有監(jiān)測資料,采用統(tǒng)計學方法預測今后一段時期內(設計年限)河床最低點高程可能的變化,確保工程安全運行。 具體根據施工斷面河道及水文監(jiān)測資料可獲得性進行分析計算:

a. 施工河段有河床高程實測資料時,采用統(tǒng)計學方法如5 年滑動平均法等,分析計算河床高程升高或降低的數值。

b. 施工河段上下游斷面有實測含沙量(輸沙量)資料時,可根據上下游斷面之間的輸沙量變化分析計算河床高程升高或降低的數值。

c. 施工河段附近有水位流量資料時,根據水位流量關系曲線分析計算河床高程升高或降低的數值。

3 實例計算

選取徒駭河的堡集閘斷面和大汶河的樓德斷面進行實例計算。 堡集閘斷面位于山東省濱州市,徒駭河中下游;樓德斷面位于山東省新泰市,大汶河南支。 這兩個斷面都設有水文站點,相應的監(jiān)測資料豐富,且多年泥沙沖淤變化大,相應河段經濟社會發(fā)展快,涉河建筑物多,具有一定的代表性。

3.1 設計洪水和歷史洪水最大沖刷深度計算

根據歷年實測資料及《山東省海河流域防洪規(guī)劃報告》等分析計算,堡集閘斷面50 年一遇洪峰流量為1380m3/s,調查歷史最大洪峰流量1180m3/s(2010 年8月)。 采用堡集閘(閘下游)2020 年6 月實測大斷面成果,依據曼寧公式計算堡集閘相應洪水位,即50 年一遇洪水位為7.43m,歷史最大流量對應洪水位為6.91m。

計算水文要素見表1,沖刷計算結果見表2。

表1 堡集閘站計算水文要素

表2 堡集閘站沖刷計算結果

根據歷年實測資料及《山東省黃河流域大汶河河道防洪規(guī)劃報告》等分析計算,樓德斷面50 年一遇洪峰流量為4218m3/s,調查歷史最大流量2660m3/s(2001 年8 月)。 采用樓德站2020 年3 月實測大斷面成果,依據曼寧公式計算樓德站相應洪水位,即50 年一遇洪水位為117.09m,歷史最大流量對應洪水位為116.23m。 計算水文要素見表3,沖刷計算結果見表4。

表3 樓德站計算水文要素

表4 樓德站沖刷計算結果

3.2 河床高程趨勢性沖刷或淤積值計算

堡集閘斷面和樓德斷面均有多年實測河床高程數據,圖1 和圖2 為兩個斷面1990—2020 年河床高程變化過程。 1990 年以來堡集閘斷面河床高程相對穩(wěn)定,但是2020 年主河槽沖刷明顯,和1990 年相比,2020 年河底最低點下切1.67m,年均下降0.056m。 樓德斷面2009 年以來河床趨勢性下切過程明顯,和1990 年相比,2020 年河底最低點下切達3.27m,年均下降0.109m。 按照工程設計年限20 年計,堡集閘斷面和樓德斷面主槽將累積沖刷1.12m 和2.18m。

圖1 堡集閘水文站河床高程變化

圖2 樓德水文站河床高程變化

3.3 埋深值計算

根據上述設計洪水和歷史洪水最大沖刷深度計算結果,可以看出,堡集閘斷面和樓德斷面在50 年一遇設計洪水條件下計算的最大沖刷深度,均大于等于歷史最大洪水計算的沖刷深度,因此按照設計洪水計算結果取值。 堡集閘斷面采用4 種公式計算,其中Lacey公式計算的沖刷深度最大;樓德斷面采用4 種公式計算,其中《堤防工程設計規(guī)范》推薦的計算公式計算的沖刷深度最大。 從保證工程最大安全角度出發(fā),分別選取不同計算結果中沖刷深度最大值,即堡集閘斷面和樓德斷面取值分別為1.79m 和2.66m。 按照山東省《涉水建設項目防洪與輸水影響評價技術規(guī)范》(DB 37/T 3704—2019),Ha取值為1.5m,堡集閘斷面多年累積沖刷深度1.12m,在安全范圍之內,按照1.5m 取值;樓德斷面多年累積沖刷深度2.18m,超過安全范圍,按照2.18m 取值。 綜合上述分析,按照本研究提出的計算模型,考慮多年泥沙沖淤,堡集閘斷面和樓德斷面計算埋深分別為3.29m 和4.84m。

4 結論與討論

根據泥沙沖淤平衡原理計算多沙河流涉水工程埋深,在生產實踐中具有重要意義。 本文研究提出了設計洪水多種計算公式最大沖刷結果比較、歷史最大洪水沖刷復核以及引入泥沙多年沖淤數值的涉河工程埋深計算模型,并選取典型河流進行了實例計算。 結果表明,按照本文研究模型計算涉河工程埋深,能夠更好地確保工程安全,減少河流泥沙長期沖刷可能造成的安全隱患甚至重大事故。

隨著生態(tài)文明建設深入推進,流域綜合治理加速,未來一段時期我國大多數河道將會出現(xiàn)入河泥沙總體下降趨勢,可能導致一些河段河床處于長期沖刷狀態(tài),綜合考慮多種因素計算涉河工程埋深,對保障工程安全具有現(xiàn)實意義。

泥沙沖淤機理十分復雜,目前大多研究和工程實踐中采用經驗公式計算洪水沖刷深度。 由于不同河流不同河段泥沙顆粒組成、水文情勢、水流力學特性等處于動態(tài)變化狀態(tài),采用不同的公式計算結果差異較大,而且不同的研究者選取不同的斷面計算結果完全不同,因此,采用《公路工程水文勘測設計規(guī)范》《堤防工程設計規(guī)范》等規(guī)范標準中推薦的公式和一些比較成熟的經驗公式進行綜合比較分析,能更有利于確保工程安全。 另外,本文僅探討了順直河段的涉河工程埋深計算問題,對于彎曲河道或者游蕩性河道等,還要根據實際情況考慮其他因素以科學計算穿河管道埋深。