冲刷试验范文

冲刷试验范文（精选4篇）

冲刷试验 第1篇

桥墩冲刷是桥梁水毁的主要原因之一。国内外学者近年来对桥墩冲刷开展了诸多的研究,特别是桥墩局部冲刷的研究,更是百家争鸣,百花齐放。所得公式主要有两类,一类是经验公式,如Jain.c.c公式和Chabert公式,另一类是半经验半理论公式,如65-1式、65-2式、65-2修正式以及铁道部科学研究院公式。经验公式一般是在实测资料或试验资料的基础上根据影响因素拟合而得出的公式;半经验半理论公式一般是根据一定的原理推导出公式,再通过试验来率定公式中的系数与指数,得到相应的半经验半理论公式。本文通过试验开展了桥墩局部冲刷的研究,在铁道部科学研究院公式的基础上建立了新的桥墩局部冲刷计算公式,并通过试验数据对公示中的系数和指数进行了率定。

1 试验系统简介

1.1 试验布置

根据分析,试验采用长1 000 cm,宽150 cm,高60 cm的矩形直线开放水槽,并配有独立的供、回水系统,平面布置图(如图1)。水槽中上游段为定床段,下游段为动床段,下游段铺设70 cm厚级配均匀的天然沙,用于进行动床试验,其中泥沙粒径d50=0.547 mm,容重为2.65 kN/m3 。实验沙颗粒级配曲线如图2所示。

1.2 试验方案设计

本试验的顺水桥墩采用2排10桥墩的多级群桩布置,桥墩采用直径为5 cm的PVC材圆柱式桥墩。按顺水流方向试验分别选择桥墩轴向与水流方向成0°、30°、60°、90°夹角四种情况进行试验观测,桥墩布置形式如图3所示。试验时在所布置的圆柱桥墩上下游分别设置观测断面,各断面间距20 cm。

将桥墩布置形式和水槽中水流流速两个因素作为处理,进行正交组合,从而获得了12组次试验,试验组次的参数如表1所示。

根据水流条件和泥沙特性,确定每组实验放水时间为3 h,在放水过程中,分别进行流态观测、流速、水位测定和冲刷深度测量,放水结束后进行相应的动床冲刷地形测量。

2 公式的建立

影响桥墩冲刷深度的影响因素有很多,在铁道部科学研究院公式的基础上进一步增加桥墩的布置形式进行推导得到新的桥墩局部冲刷深度计算公式,并通过试验数据对公示中的系数和指数进行了率定,最后得到新的桥墩局部冲刷深度计算公式。

2.1 原铁道部科学研究院公式

20世纪60年代铁道部科学研究院利用半理论半经验的方法建立了桥墩局部冲刷公式,公式中的经验系数是借助大量的实验室实验资料和天然资料的分析得到的, 该公式多年来对我国铁路与公路桥渡勘测设计起着重要作用。铁道部科学研究院桥墩冲刷计算公式为:

$h{}_b={\rm K}{}_{\xi }{\rm K}{}_{\eta }B{}^{0.6}(V{}_0-V{}_0^{´})(\frac{V-V{}_0^{´}}{V{}_0-V{}_0^{´}}){}^n(1)$

式中:V为一般冲刷后墩前行进流速,m/s;V0为河床泥沙起动流速,m/s;V′0为墩前泥沙起冲流速,m/s;B为桥墩计算宽度B,m;Kξ为桥墩墩形系数;n为指数;Kη为河床颗粒影响系数。

2.2 新公式的形式

在铁道部科学研究院公式的基础上增加桥墩布置影响系数K,得到新的桥墩局部冲刷深度计算公式:

$\begin{array}{l}h{}_b={\rm K}{\rm K}{}_{\xi }{\rm K}{}_{\eta }B{}^{0.6}(V{}_0-V{}_0^{´})(\frac{V-V{}_0^{´}}{V{}_0-V{}_0^{´}}){}^n(2)\\ {\rm K}{}_{\eta }=0.8(\frac{1}{d{}^{0.45}}+\frac{1}{d{}^{0.15}})\\ V{}_0=\left(\frac{h}{d}\right){}^{0.14}\left(29d+0.000000605\frac{10+h}{d{}^{0.72}}\right){}^{1/2}\\ V{}_0^{´}=0.645\left(\frac{d}{B}\right){}^{0.053}V{}_0\end{array}$

式中:K为桥墩布置影响系数;Kξ为桥墩墩形系数; 圆柱桥墩Kξ=1.0;Kη为河床颗粒影响系数;V0为河床泥沙起动流速,m/s;V′0为墩前泥沙起冲流速,m/s;d为泥沙粒径,mm。

2.3 新公式参数的确定

在式(2)中的系数K和指数n通过对桥墩局部冲刷试验研究测得的数据进行率定。对桥墩局部冲刷实测数据进行多元回归分析从而确定系数k和指数n。分别对不同的桥墩布置形式的试验资料进行多元线性分析可得:

(1)桥墩布置形式与水流成90°夹角时,k=0.390 439,n=2.965 294。

$h{}_b=0.390439{\rm K}{}_{\xi }{\rm K}{}_{\eta }B{}^{0.6}(V{}_0-V{}_0^{´})(\frac{V-V{}_0^{´}}{V{}_0-V{}_0^{´}}){}^{2.965294}(3)$

(2)桥墩布置形式与水流成60°夹角时,k=0.349 773,n=3.201 080。

$h{}_b=0.349773{\rm K}{}_{\xi }{\rm K}{}_{\eta }B{}^{0.6}(V{}_0-V{}_0^{´})(\frac{V-V{}_0^{´}}{V{}_0-V{}_0^{´}}){}^{3.201080}(4)$

(3)桥墩布置形式与水流成30°夹角时,k=0.320 565,n=3.666 386。

$h{}_b=0.320565{\rm K}{}_{\xi }{\rm K}{}_{\eta }B{}^{0.6}(V{}_0-V{}_0^{´})(\frac{V-V{}_0^{´}}{V{}_0-V{}_0^{´}}){}^{3.666386}(5)$

(4)桥墩布置形式与水流成0°夹角时,k=0.264 120,n=3.817 434。

$h{}_b=0.264120{\rm K}{}_{\xi }{\rm K}{}_{\eta }B{}^{0.6}(V{}_0-V{}_0^{´})(\frac{V-V{}_0^{´}}{V{}_0-V{}_0^{´}}){}^{3.817434}(6)$

根据以上计算可得:

分别对表2中θ、K和θ、n进行线性拟合,以寻求夹角θ与系数K、指数n的关系,拟合直线如图4,5所示。

由图4、5可知桥墩和水流夹角θ与系数K、指数n的具有较好的线性关系,可信度较高,符合试验要求。

所以:K=0.001 4 θ+0.27,n=-0.0101 θ+3.865 8

将带K、n代入公式(2)即可得到新的桥墩局部冲刷深度的计算公式:

$\begin{array}{l}h{}_b={\rm K}{}_{\xi }{\rm K}{}_{\eta }B{}^{0.6}(0.0014\theta +0.27)(V{}_0-\\ V{}_0^{´})(\frac{V-V{}_0^{´}}{V{}_0-V{}_0^{´}}){}^{(-0.0101\theta +3.8658)}(7)\end{array}$

3 公式的验证

3.1 验证方案

利用搜集到的圆柱桥墩局部冲刷的试验数据对新公式进行计算验证,进一步验证新公式的可靠性和合理性。

3.2 验证结果及分析

本文通过搜集到得圆柱桥墩局部冲刷的试验数据对新公式进行计算验证,验证结果(如图6～9)所示。

通过已有桥墩局部冲刷深度的试验资料对新公式对进行计算并进行对比验证分析,从图6～9的验证结果可知:

(1)新公式的计算值对于实测冲深值的相对误差在桥墩布置与水流方向夹角为90°、60°、30°、0°时都比较小,约为10.0%。

(2)新公式计算桥墩局部冲刷值的相对误差的最大值、最小值、平均值都非常小,说明该公式适用非常好,在工程中可以得到很好的应用。

4 结 论

(1)在原铁道部科学研究院公式的基础上进一步考虑了桥墩布置形式得到了新的理论公式,经过实测数据确定参数后得出的新的桥墩局部冲刷深度计算公式如下:

$\begin{array}{l}h{}_b={\rm K}{}_{\xi }{\rm K}{}_{\eta }B{}^{0.6}(0.0014\theta +0.27)(V{}_0-\\ V{}_0^{´})(\frac{V-V{}_0^{´}}{V{}_0-V{}_0^{´}}){}^{(-0.0101\theta +3.8658)}\end{array}$

$\begin{array}{l}{\rm K}{}_{\eta }=0.8(\frac{1}{d{}_{0.45}}+\frac{1}{d{}^{0.15}})\\ V{}_0=\left(\frac{h}{d}\right){}^{0.14}\left(29d+0.000000605\frac{10+h}{d{}^{0.72}}\right){}^{1/2}\\ V{}_0^{´}=0.645\left(\frac{d}{B}\right){}^{0.053}V{}_0\end{array}$

式中:Kξ为桥墩墩形系数; 圆柱桥墩Kξ=1.0;Kη为河床颗粒影响系数;V0为河床泥沙起动流速,m/s; V′0为墩前泥沙起冲流速,m/s;d为泥沙粒径,mm。

(2)该公式具有其创新点,考虑了桥墩布置与水流方向的夹角θ与桥墩局部冲刷深度关系,通过拟合将桥墩布置夹角θ带入了公式,得到了新的桥墩局部冲刷深度计算公式。

(3)该公式充分考虑了桥墩局部冲刷的影响因素,考虑的因素比较全面,经过验证可以安全的应用于工程实践。

摘要：桥墩冲刷是桥梁水毁的主要原因之一,开展桥墩冲刷的研究不但具有重大的学术价值,而且还具有重要的工程应用价值和明显的社会经济效益。文章运用实测数据通过理论推导建立了桥墩局部冲刷深度计算公式,新公式在考虑了多方面因素的同时增加了桥墩布置与水流方向的斜交角度θ,新公式结构简单,便于计算。最后运用已有的工程实测数据对新公式进行了验证。结果表明,新公式的结构是合理的,可安全的应用于实践。

关键词：圆柱桥墩,局部冲刷,冲刷深度

参考文献

[1]米居正.库区下游桥梁基础冲刷与防护[J].北京:中国公路学,1993,(2):35-37.

[2]尹桂莲.桥墩局部冲刷经验公式的制定[J].北京:铁道工程学报,1989,(4).

[3]武汉水利电力大学.河流泥沙工程学[M].北京:水利出版社,1982.

[4]陆浩,高东光.桥梁水力学[M].北京:人民交通出版社,1996.

[5]Er.Shri Ram CHAURASIA1 and Pande BB.L AL.Local ScourAround Bridge Abutments[J].International Journal of SedimentResearch,2002.

被江水冲刷过的历史 第2篇

云南的历史很悠久，古滇、爨氏、南诏、大理……云南也没有历史，因为没有一本史书来记载。所以，云南的过往总是模模糊糊，忽隐忽现，总让人难以完整地寻找到曾经的沧桑，没有中原王朝那种某年某月某日都记载得清清楚楚的“黄初六年，秋七月，汉诸葛亮至南中……亮于是悉收其俊杰孟获等以为官属，出其金、银、丹、漆、耕牛、战马以给军国之用。自是终亮之世，夷不复反。”

清咸丰二年（1852年），曲靖知府邓尔恒在吃豆腐时发现上面有字，他顺藤摸瓜，找到了一块埋藏了千年的石碑——爨宝子碑，这时，一段湮没了1500年的历史才被人们发现，原来在云南还有一段称为“爨”的历史。如果没有对晋宁石寨山和江川李家山地发掘，那么两千多年前的古滇青铜文明难见天日；如果没有巍巍耸立的三塔，谁又知道曾经有过南诏与大理……

南盘江是珠江的上游，与下游的波澜壮阔比起来，可谓默默无名，在她流淌了亿万年后才被徐霞客发现。但这条江却承载着数千年的往事，抚仙湖、星云湖畔曾经诞生过璀璨的青铜文明；曲靖、陆良坝子的鱼米之乡养育了爨氏家族的繁荣一时；建水、石屏、通海三座古城讲述着高原上的文采风流……但岁月如江河般流逝，大江裹挟着浪花奔腾而去，历史随着流逝的江水消失得无影无踪。

在这条江畔，滇王尝羌、蛮王孟获、爨氏的开拓者爨习……相对于中原那些叱咤风云的大人物来说，他们不算英雄，也没有任何只言片语留下他们曾经的英雄故事。但英雄又如何呢？是非成败转头空。古往今来，世事变迁，即使是那些名垂千古的丰功伟绩又算得了什么。任凭江水淘尽世间事，化作滔滔一片潮流，但总会在奔腾中沉淀下些许的永恒。

冲刷试验 第3篇

草街航电枢纽工程系嘉陵江干流合川至河口段自下而上渠化梯级开发的第二级, 是一座具有航运、发电、旅游等综合效益的水运水利枢纽工程。工程位于合川市草街镇境内, 坝址上游距合川市约27km, 下游距嘉陵江河口重庆朝天门约68km。草街航电枢纽工程是一座以航运、发电为主, 兼具灌溉和旅游等综合效益的枢纽工程, 枢纽建筑物主要由船闸、泄洪闸、冲砂闸、河床式电站厂房等组成, 电站装设四台机组总装机容量为500mw。

1) 冲砂闸:紧邻电厂坝段右侧设5孔冲砂闸, 孔宽16m, 冲砂闸采用无坎宽顶堰, 底板高程178.00m, 中墩厚4.20m, 边墩厚3.20m, 闸室长46m, 冲砂闸下游设有效长度为130m, 底板高程为170.00m的两级消力池, 一级池内设一排消力墩, 池尾设差动式尾坎, 二级池尾设梯形连续坎, 在冲砂闸第3孔与第4孔之间设厚2.0m, 高程为191.00m的导墙, 将消力池分为二区。

2) 泄洪闸:在河床右侧布置15孔泄洪闸, 孔宽13m, 溢流堰采用宽顶堰, 堰顶高程181.00m。中墩厚3.80m, 边墩厚2.80m, 闸室长40m, 靠右岸九孔泄洪闸下游设有效长度42m的消力池, 底板高程173.00m, 池中设消力墩, 池尾设差动式消力坎。其余6孔泄洪闸下游设有效长度为128m, 底板高程为171.00m的二级消力池, 一级池内设消力墩, 池尾设差动式消力坎, 二级池尾端设梯形连续坎。为方便小流量分区泄洪和分区检修, 在消力池内对应每一闸室段 (三孔) 设置厚2.0m顶高程191.00m的分厢隔墙, 将消力池分为五个区段。

2 闸下游局部冲刷动床试验

2.1 闸下游河床地质概况

闸址位于老草街镇上游约1.8km的中碛坝, 两岸山体雄厚, 地形较完整, 多为基岩裸露。右岸地形坡度40~50°, 左岸约15°。河谷较开阔, 为横向谷, 岩层走向与河流近正交。枯水期水位在178.00m时, 河面宽440m, 正常高水位203.00m时, 河宽550m。

地层相对单一, 为侏罗系中统沙溪庙组砂岩与砂质粘土岩;地层产状平缓, 总体倾右岸偏下游, 倾角7~15°。坝基由沙溪庙组第2层砂岩、砂质粘土岩组成, 两岸坝肩由沙溪庙组第3层至第5层组成。

河床覆盖层浅薄, 一般厚1~3m, 局部4~7m, 主要由砂卵砾石组成。左岸残留有少量I级阶地黄色粉土。

5孔冲砂闸、15孔泄洪闸和1孔纵向围堰改建的泄洪闸, 置于中碛坝及右河床。闸坝地基为侏罗系中统沙溪庙组第2层J2S2砂质粘土岩, 局部夹砂岩透镜体, 建基面以微新岩体为主, 局部置于弱风化岩体上。砂质粘土岩饱和抗压强度RW=15~20MPa, 变形模量E0=2~4GPa, 抗剪断强度f′=0.6~0.7, c′=0.2~0.4 MPa。基础浅部发育有C3软弱夹层, 顺河长约320m, 横河宽约160m, 分布高程159~171m, 基础下埋深0~8m, 产状N51~72°W/SW∠1~6°, 倾右岸偏下游, 上游最平缓。该软弱夹层厚度1~10cm, 物质以碎屑夹泥为主, 局部为碎屑型或泥夹碎屑型, 是闸基抗滑稳定的控制结构面。

2.2 闸下游局部动床模型设计

2.2.1 局部动床模型范围拟定

为能反映消力池下游河床在水流作用下的冲刷情况, 根据对前阶段定床情况下闸下游效能成果的分析, 拟定动床范围包括电厂下游, 冲沙闸及泄洪闸下游河段, 横向最大宽6.5m, 长5.5m有效面积约36m2, 该范围能够完全包络枢纽不同运行工况下闸下游可能的冲淤情况。

2.2.2 动床模型设计

由2.1节枢纽下游地质情况可知:在电厂尾水池下游及泄洪闸右5孔下游均为山体岩石开挖而成, 电厂尾水池下游开挖平台高程为175.50m, 右五孔泄洪闸下游开挖平台高程为178.00m。枢纽中部泄水建筑物5孔冲砂闸及10孔泄洪闸下游河床, 其顶面有沙卵石覆盖层, 层厚一般1~3m, 局部4~7m, 其下层为砂质粘土岩夹长石细砂岩、粉砂岩组成。因此, 模型冲料设计按上述二层要求设计。

2.3 试验方法与条件

试验之前, 首先按前节设计配制的模型沙, 根据河床断面地形刮制, 左岸电厂下游河床和右岸5孔泄洪闸下游河床是开挖山体而成, 模型河床完全由模型天然级配沙铺成, 冲砂闸下游和泄洪闸6~15孔下游河床按上层覆盖层, 下层岩石组成分层刮制, 覆盖层厚度平均按2~3m铺填, 下层岩石层铺填厚度以初拟出闸水流最大冲刷深度加富裕深度控制, 动床床底高程为160.00m。

在进行试验时, 首先采用专用管道向闸下游河床充水, 待动床模型沙浸泡密实, 且尾水基本达到设计尾水位后, 再开启闸门进行正式冲刷试验。冲刷时间根据以往的经验和实践, 每次冲刷模型上控制在2.5~3.5小时相当于原型22.4~31.3小时, 冲刷坑深度达到90%以上, 已接近稳定冲深。此时停水进行冲深测量, 测定冲坑深度、冲坑位置及大小, 测量采用等高线法。局部冲刷试验条件采用与整个试验中已采用的闸下消能试验选用的流量级和闸门的开启方式试验相同的条件进行。

2.4 局部冲刷试验成果分析

模型冲刷试验进行了上游来流量Q=3054m3/s、6000m3/s、9000m3/s、12000m3/s、15000m3/s和15000 m3/s、24600 m3/s、36500m3/s等九级流量九种运行工况的冲刷试验。

3 结论

1) 闸下游河床局部冲刷深度与闸下泄单宽流的大小、上下游水位和闸门开度有关。最大冲刷深度发生在Q=15000m3/s, 库水位200.00m高程, 泄洪冲砂闸控制运用的情况, 最大冲深达到7.26m。

2) 冲刷发生的初始阶段, 在很短的时间内出池水流就将表层沙卵石层全部冲光, 然后冲刷速度逐渐减慢。根据我们对Q=15000m3/s下游冲坑定点观测表明:在冲刷开始后10分钟, 表层沙卵石层几乎全部被冲光, 在冲刷开始后50分钟后, 冲坑底高程已达169.60m冲深已达5.4m, 约占总深度的75%, 以后冲刷就逐渐缓慢, 直到冲刷3.5小时后坑深达到7.26m。

3) 在流量大于15000m3/s全闸敞泄时, 由于上下游水位差较小, 因而下泄水流对河床的冲刷较小, 如36500 m3/s流量最大冲深为2.84m, 仅为15000 m3/s流量发电运行情况闸下游河床冲深的39%。冲坑深度较15000m3/s流量冲坑深减小了4.42m。

4) 3054m3/s流量冲刷坑深度大于6000m3/s流量冲坑深, 分析其原因主要是由于3054m3/s流量下游水位太低, 水流出消力池尾坎后产生波状水跃。

5) 据试验观察, 沙卵石层被冲刷后, 被水流带走的沙卵石沿河流右岸 (凸岸) 运动, 其运动轨迹与天然河道泥沙运动方向一致。

6) 据观测, 各级流量最大冲深都发生在消力池隔流墙的下游, 分析其原因, 主要是隔流墙尾端流量集中所造成的。

河流穿越冲刷深度计算的探讨 第4篇

地处我国西北部的鄂尔多斯盆地, 以横贯东西的白于山山脉为分界线, 北部为鄂尔多斯草原, 南部为陕甘黄土高原, 二者除地貌形态截然不同外, 在地层分布上也存在着明显差异:它们都以白垩系泥砂岩为沉积基底, 南部以第四系黄土地层为主, 北部以第四系风积粉细砂层为标志。

区内主要分布有泾河、洛河、延河、无定河、渭河等五条河流, 均属黄河水系。

《油气输送管道穿越工程设计规范》GB50423-2007对沟埋穿越水域的管顶埋深作如下规定:

由上述规定可以看出, 确定穿越水域的管顶埋深主要取决于水流对河床的冲刷深度, 为了科学地评价河流的侵蚀作用, 更准确的计算冲刷度, 本文结合工程实例进行了分析和探讨。

2 河流的侵蚀机理

河流具有侵蚀、搬运、沉积三种作用, 在不同地段、不同时间起主导作用者不尽相同。鄂尔多斯盆地中北部河流主要以侵蚀为主, 从洪水过程而言, 洪峰时, 河床以侵蚀为主, 洪退时, 以搬运和沉积为主导作用。

河水对河床的沉积物可以产生三种主要力:动水上举力、动水推力和静水浮力。一般情况下, 上举力大于推力。根据佰努力原理, 动水上举力与河床岩土颗粒的表面积有关, 岩土颗粒越小, 其表面积越大。颗粒小的土粒由于动量小, 表面积大, 在一定流速作用下, 其举力和浮力大于重力, 呈悬浮状态, 随水流向下游搬运。而稍大一点的颗粒, 其重力大于动水上举力和浮力, 不能被水流悬浮, 仅能在动水推力的作用下, 沿河床滚动或滑动。而较大的颗粒则保持不动, 水流对它的侵蚀, 仅是摩擦作用, 其冲刷量微乎其微, 只是长期作用, 滴水穿石, 产生微量的侵蚀, 一般计算冲刷不考虑这种因素。

3 河流的侵蚀强度

侵蚀强度主要反映河流侵蚀作用的强弱, 取决于河水的流速和河床的岩土颗粒组成。由侵蚀机理可知, 细颗粒的粘性土和较粗颗粒的非粘性土其侵蚀程度是不同的, 尤其是河水的流速对河流的侵蚀强度影响明显。

3.1 从冲刷事例看侵蚀强度

2003年, 西安-临汾输气管线, 在黄河禹门口下游5公里处设黄河穿越一处。断面河床宽约1.5Km, 河床沉积粉细砂、中粗砂和少量的粉土。在现场踏勘时初步认为河床刷深度较小。但后来根据水文站提供的该断面百年一遇洪水冲刷深度竟达9.0m。后经冲刷分析认为是完全可能的。这些物质都能在一定流速的流水作用下悬浮, 若有特大洪水, 流速较大, 完全可以呈悬浮物状态运移, 迅即加大河床的下切深度。

2001年, 在毛乌素沙漠南部边缘拟建一座桥梁, 勘察资料显示, 河床地层由粉细砂组成, 层厚达18.0m, 建议采用桩基础。建设单位因工程费用过高, 改为漫水桥, 基础埋深4.0m, 次年的一场洪水即将整个桥梁冲毁。根据洪水侵蚀机理推测, 在水流的冲刷作用下, 河床的粉细砂成悬浮状被水带走, 造成较深的冲坑, 桥基础及桥板沉入坑内, 洪水消退时, 水中的悬浮物质沉积淹埋了桥基础及桥板。

1995年长-呼输气管道选线时, 在鄂尔多斯市有一座1991年建造的桥梁, 发现桥墩基础裸露2.0m至5.0m不等, 经调查是由1993年一次洪水冲刷所致, 其主河槽冲刷深度达6.0m之多。

以上事例可以看到, 本区的侵蚀强度比较强烈, 洪水来势凶猛, 对砂类土河床绝不可低估河水的冲刷影响。

3.2 由河水的含沙量看侵蚀强度

陕甘黄土高原的河流大部分都发源于东西走向的白于山脉, 各水文测站的河水含砂量的情况见下表:

注:表中含沙量仅是洪峰流量过程线里选取, 最大含沙量都超过1t/m3。

延安站百年一遇的洪峰流量为7711 m3/S, 河水的含沙量802Kgm3, 洪水的输沙量为6184t/s, 沙的干密度按1.3t/m3计, 每秒输入沙的体积为4760m3。若洪水过程按10m3计算, 总输沙量为1.7141亿立方米。

洪德测站资料, 洪德测站的百年一遇的年最大输沙量为51900万吨, 控制流域面积为4640平方公里, 侵蚀模数为11.19万吨/平方公里, 体积的侵蚀模数为89520立方米/平方公里。也就是说在整个控制流域面积上平均冲刷深度为8.952mm/a, 如果每年都按上述的冲刷深度计算, 2万8千年后, 这里将夷为平地。

4 冲刷深度计算公式的选用

目前国内外研究提出的冲刷深度计算公式较多, 各有侧重, 各公式计算的差值也较大, 这些公式一般都是在边界条件基础上推导出来的, 具有一定的局限性, 一般需结合工程的具体条件合理选用。

4.1《堤坝工程设计规范》计算公式

式中:

hB-局部冲刷深度 (m) ;

hp-冲刷处的水深 (m) ;

Vcp-平均流速 (m/s) ;

Vu-河床允许的不冲刷流速 (m/s) ;

n-平面形状系数, 一般可选1/4~1/3。

4.2《铁路桥涵设计基本规范》计算公式

式中:hpm-河槽冲刷后的最大水深 (m) ;

Qp-设计洪峰流量 (m3/S) ;

hmax-河槽最大水深 (m) ;

hc-河槽平均水深 (m) ;

L-河槽宽度 (m) ;

μ-水动力粘滞系数;

If-粘性土的液性指数;

e-粘性土的孔隙比。

河床各土层的冲刷深度为:

式中:hi-河床中各土层顶面的平均水深。

4.3《公路工程水文勘测设计规范》计算公式

式中的符号同公式 (2) 。

4.4 中国水利水电科学研究院梁志勇等提出的计算公式

此公式主要适用于高含沙洪水冲刷深度的计算。

式中:△h-冲刷深度 (m) ;

Qmax-设计洪峰流量 (m3/S) ;

C-平均流速 (Km/hr) ;

B-河槽的宽度 (m) ;

P-含沙水的密度 (t/m3) 。

4.5 计算结果分析

上述公式中, 公式 (2) 、公式 (3) 主要适用于粘性土河床, 河水的含沙量比较小的平原河流;公式 (4) 是在渭河下游河床岩土条件建立起来的, 具有较强的区域性;经计算结果与实测值对比, 公式 (1) 较适用于本区, 其余公式仅可作为参考。

5 冲刷深度影响因素

使用公式 (1) 计算冲刷深度, 影响冲深的主要参数是河床容许不冲刷流速 (Vu) , 此参数的取值直接关系到计算冲刷深度的精确度, 而河床的容许不冲刷流速又取决于河床上的岩土层的结构和岩土颗粒的平均粒径。一般对砂类土及粉土来讲, 平均粒径越小, 容许不冲刷的流速越小, 则冲深越大, 反之则冲深就越小。但对于粘性土而言却是相反的关系, 即河床的岩土平均粒径越小则冲深越小。主要因为粘性土的粒径小, 表面积大, 土粒之间接触面大, 因而产生较大的粘聚力, 粘性土的粘聚力可干扰或阻抗水流的冲刷作用。

在渠道设计中, 常采用列维公式推算无粘性土的侵蚀临界流速, 亦称河床容许不冲刷流速, 其计算公式为:

式中:VH-侵蚀临界流速 (m/s) ;

g-重力加速度 (m/s2) ;

R-水力半径 (m) ;

D-土的平均粒径 (m) 。

列维公式可以通过岩土的平均粒径计算出侵蚀临界流速, 也可以用试算法求出岩土的平均粒径。这时求取侵蚀临界流速是较为可靠的依据。

对于非粘性土, 把平均粒径小于5.0mm的地层定为冲刷地层, 反之则称为不易冲刷地层, 对于易冲刷地层的河床, 在管道埋深的设计时, 要有足够的安全储备。

6 结论与建议

1) 根据本区的河流特点及河床的岩土颗粒组成, 计算河床的冲刷深度, 推荐使用文中公式 (1) , 其余公式可作参考。

2) 为了准确地计算冲刷深度, 在进行岩土工程勘察时, 对河床应取足够的土试样, 进行颗粒分析, 并绘制颗粒的级配曲线, 确定土粒的平均粒径。大中型穿越每层土取土试样不应少于6件, 每件土试样的重量不小于5.0kg。

3) 穿越河床断面地层为易冲刷地层, 在埋深设计时, 要留有足够的安全储备。有条件时应优先选择定向钻穿越方式。若采用沟埋方式, 对回填应采用换土法或土袋法。

4) 穿越河床断面地层为二元结构地层, 当上层为易冲刷地层, 下层为不易冲刷地层时, 可以采用下层的平均的平均粒径确定允许不冲刷流速。在设计管道埋深时, 应考虑冲刷深度和上层易冲刷层的厚度。

若上层土为不易冲刷层, 下层易冲刷层, 若设计埋深小于不易冲刷层的厚度, 可不考虑下层的因素;若设计埋深大于不易冲刷层的厚度时, 在进行冲刷深度计算时, 应按下层的平均粒径确定允许不冲刷深度。若管道埋深的地层为多元结构, 可按加权平均法计算土层的平均粒径, 确定地层的允许不冲刷流速。

摘要：河流穿越是管道工程的咽喉。本文通过对鄂尔多斯盆地中北部河流侵蚀机理、侵蚀强度、冲刷深度影响因素等方面的系统介绍和探讨, 根据区域河床岩性特征, 提出了适应于鄂尔多斯盆地中北部河流的冲刷深度计算公式和相关参数的计算方法, 为工程建设提供可靠冲刷深度参数。

关键词：河流冲刷深度,计算公式

参考文献

[1]油气输送管道穿越工程设计规范, GB50423-2007.

[2]堤坝工程设计规范, GB50286-98.