河道一般冲刷深度分析计算

说明：本摘抄来自水规总院的孙双元，目的在于将冲刷计算用于水调的设计之中。本摘抄共有两部分关于冲刷计算的内容第一部分6.河道一般冲刷深度分析计算6.1冲刷深度计算在天然河道上修建建筑物后，由于缩窄了河道宽度，增加了单宽流量和过水断面流速，从而引起的河床冲刷和变形可称为一般冲刷。根据水利部长江水利委员会〈南水北调中线工程渠道倒虹吸土建部分初步设计大纲》中的要求，一般冲刷按《铁路桥渡勘测设计规范》TBJl7—86（铁道鄯1987年7月）规定的方法进行计算。经对青沙菏南、北两汉过水断面形态和河床质分析，应按“规范”中规定的非粘性土河床及单一河槽计算。O非粘性土河床的河槽一般冲刷公式如下:式〒由p—冲剧后亲大水溢（田）;0.—河槽过水流量（曲人）；he河槽平拎水聚（m）;氏^—河槽侈建楚筑物后辻水净宣（H1〉；de——诃床质平均赴径｛血⑴；hric一冲别前聂天水课（m）;E―寺汛為合沙量有关的系數，鞍下炭取值口E系数含沙量（kg/m3）〈1.O1〜10>10E0.460.660.86A—单宽沆量集中系数,按下式计算:其宇疋d——造床流呈时的河宽（E）；H——造床流豈时的平均水深（mh6.2交叉断面附近河床质及平均粒径应用上述公式计算河道一般冲刷时，需分析确定交叉断面河床质的平均粒径。根据我院地勘队提供资料，南沙河与总干渠交叉河段南槽倒虹吸长1200m,有一个地质纵剖面（沿建筑物轴线地质纵剖面和三个地质横剖面），布孔17个，孔深20〜62.2m,孔距24〜150m。河床岩性为粗、细粒双层结构，分属第二工程地质单元和第三工程地质单元。第二工程地质单元分布亍河床0〜18m,其上部为砂卵石含漂石，卵石磨圆度较好，大部分砂较纯净；下部砂卵石、中卵石含量偏低，一般无漂石，砂中含土质较多。经筛分平均粒径d=52.9mm。50北槽倒虹吸全长800m，共布有19个钻孔，组成建筑物轴线纵剖面和四条横剖面、孔距25〜150m，孔深20〜40m，自地表至lom深度内属第二工程地质单元，河床质由砂卵石组成，砂卵石中含漂石，卵石含量约60〜70%，次磨圆度。经筛分平均粒径d=84.3mm。506.3计算成果根据上述南沙河南、北槽河床质平均粒径等数据和一般冲刷公式，对南北槽不同方案、不同标准洪水进行冲刷分析计算，成果见表6—l1设计方案补充方案一补充方案二外充芳聚三补充方寰匹赳底高袒(m)300年1.601.6Q1.602.502.^7100年1.421.421.42ang2.72SS.5r年0.890,890.391.7j2.0520年0.370.370.J71.141.50北300年0,620皿2.001OD年(M70.7387.150年00,090,73120年000i在计算中，对亍南沙河南槽倒虹吸的设计方案和补充方案1,考虑不同标准洪水的主槽流量约占河槽总过流量的85%〜95%左右，为了工程安全，忽略滩地行洪，总过流量全部计入主槽内，推算河槽部分的冲刷深度。第二部分水流阻力相似、水流挟沙相似、泥沙悬移质相似、泥沙起动相似、悬移质引起的河床冲淤变形相似和河型相似七个方面。此外，为保证模型与原型水流流态相似，还需满足以下两个限制条件：(1)模型水流必须是紊流；(2)水流不受表面张力的干扰。穿河工程所在河段河槽宽浅，模型必须通过几何变态来满足模型处于紊流区且使水深满足不受表面张力影响的要求。根据场地条件，确定水平比尺为500，垂直比尺为80，几何变率为6.25。根据水流相似条件，求得流速比尺为8〜4,流量比尺为357771,由水流阻力相似条件求得糙率比尺为0.83，水流运动时间比尺为56等。(4)壅水计算法壅水计算包括壅水高度与壅水长度计算。根据建筑物的类型，大型渠穿河工程的壅水高度计算采用两种公式，对于板梁式渡槽的壅水高度采用《中国工程师》水利类上)中提供的公式计算，对于渠穿河倒虹吸的壅水高度计算则采用《铁路工程水文勘测设计规范》(TB10001—99)中的有关公式进行。《中国工程师手册》水利类(上)中壅水高度形式如下：式中AZ—建筑物前最大壅水高度(m)；Q—设计流量(m3/s)；卩〜系数，与槽墩形状有关，园弧形槽墩职卩=0.92；Az~渡槽布置后过水断面面积（m2）:A1〜最高壅水位对应天然河道断面面积（m2）；a一动能校正系数，《铁路工程水文勘测设计规范》（TB10001一99）中的计算公式：AZ二订&m—V°）式中△：?—桥前最大壅水高度:歹屮一建筑物建成后通过设计流量时断面平均流速佃/s）；©—设计流量（inVs）:兀一天然河道断面平均流速（n/s）；可一与建筑物阻断流量（过水断面面积比）有关的系数壅水长度计算公式；式中L——壅水长度5）；△Z—最大壅水高度（＞）;I—桥址河段天然水面坡度（以小数计）D《公路工程水文勘测设计规范》提供的公式，计算不考虑进出口长度。其公式如下：Qi™式中△2—建筑物前最大壅水高度(G；J—天廉状态建筑物下平均流速5/s)；CL—天然状态建筑物下通过的流量57s)；叫一天然状态建筑物下过水面积(分)；v.一修建建筑物后「建筑物下平均流速(m/s)；Qp—设计流量(m7s)；®一建筑物下净过水面积；K—考虑冲刷引入的流速折减系数K—壅水系数.建筑物前河道壅水长度计算公式同前。(5)调蓄法由于河穿渠交叉建筑物泄洪口门相对较小，压缩了河道原来的过水断面，或是由于河槽有一定的调蓄能力，使得上游部分洪水延迟下泄，滞蓄于上游河道甚至溢出河道到两岸的耕地中，使上游水位壅高,因此，建筑物修建后建筑物上游洪水位宜采用河槽调蓄法进行计算；此外，规划为大型渠穿河工程的沁河河道，由于交叉断面下游有齐村大坝，洪水通过溢洪道汇入输元河，齐村大坝上游形成具有一定调蓄能力的水库库区，溢洪道作为沁河的导流工程，而交叉断面正处于库区，所以其现状及工程修建后的河道洪水位也采用河槽调蓄法计算。河槽调蓄是在水量平衡和动力平衡的支配下进行的。水量平衡用蓄洪区水量平衡方程表示，动力平衡可由建筑物蓄泄方程或蓄泄曲线表示。调洪计算从起调水位开始，逐时段连续求解这两个方程。水量平衡方程鱼二AT-生込AT二耳T22式中Q-—时段人t始、末入库流量(於/小；①、中时段At始、末出库流量Cm3/si:%%—时段At始、末水库蓄水量；△t—计算时段(s)。建筑物蓄泄方程q=ZCY)、若f(H)0建筑物蓄泄方程即水位~库容、水位~泄量关系。由于其难以用连续的数学方程式表达，通常用离散型表格形式描述。1.4.3冲刷分析为了对大型渠穿河工程的防冲安全性进行分析评价，需要计算工程修建后不同标准洪水的河床最大冲刷深度。河床冲刷包括一般冲刷和局部冲刷，根据建筑物设计大纲的规定，对于渠穿河渡槽需要计算河床一般冲刷和槽墩处的局部冲刷，对于倒虹吸则主要是计算河床一般冲刷。①一般冲刷在天然河道上修建建筑物后，由于缩窄了河道宽度和压缩水流，增加了过水断面的单宽流量，水流挟沙能力随之增大，引起河床冲刷，这种冲刷称为一般冲刷。一般冲刷深度的计算方法较多，本次采用《铁路工程水文勘测设计规范》中有关公式进行。由此公式计算的一般冲刷既包括建筑物压缩水流引起的冲刷，也包括河槽在天然演变中深泓线摆动形成的集中冲刷和随水位、流量周期变化产生的天然冲刷。根据河床质的特性不同，计算公式分为非粘性土和粘性土两种型式。1）非粘性土主槽的一般冲刷计算公式如下:式中hw—冲刷后最大水深〔皿）；Qd—设计流量（m3/s3；l—建筑物净过水长度匕）;hnt—冲刷前最大水深（皿）；示一断面平均水深Cm）；庄一河床质平均粒径5心。且一水流压缩系数；E-与汛期含沙量有关的系数；A〜单宽流量压缩系数，上式中，B为河槽宽度，即通过造床流量时的水面宽度（m）H〜造床流量对应的平均水深（m）2）粘性土主槽的一般冲刷公式。AQP0.33(—)式中;卩——粘性土液性指数。其它符号同上口应用上式计算河床的最大冲刷深度时，需要分析确定交叉断面河床质组成及其平均粒径，为此，我院曾于1994年〜2004年先后进行了各河的地质勘测工作，并编制了各河的地质勘测报告。据此分析可知，交叉断面附近各河的河床质表层一般为卵石、中细沙或沙壤土，其覆盖厚度一般为1〜5m不等，下层有非粘性和粘性土两种本次的河槽土中值粒径(d5()，—般选取建筑物布置范围内对工程最不利的钻孔的分析资料，经分析，各河的中值粒径差异较大，其值变化在0.25〜82.9mm之间。