曹 潔

（安徽省懷寧長江河道管理局，安徽 安慶 246003）

堤防工程沖刷深度是堤防工程設(shè)計(jì)所涉及的重要參數(shù)，其與堤頂超高、水面線推算、堤身護(hù)坡穩(wěn)定計(jì)算共同構(gòu)成堤防工程斷面設(shè)計(jì)的計(jì)算要素，合理選擇計(jì)算公式確定不同沖刷形勢下的沖刷深度計(jì)算是堤防工程防護(hù)及防洪的關(guān)鍵。

1 工程概況

安徽省懷寧長江河道左岸的同馬大堤起于湖北黃光大堤末端，止于成渝隔堤樁號(hào)K173+255～K174+258段，全長155.23 km，屬于長江干流國家二級(jí)堤防工程，與江西湖口和安徽東至縣隔河相望。同馬大堤發(fā)揮著華陽河流域圩畈區(qū)和皖河下游圩畈區(qū)御長江防洪的作用，對于京九、合九鐵路及滬蓉高速等建筑物防洪安全十分重要。同馬大堤沿長江堤段主要根據(jù)防御長江1954年型洪水設(shè)計(jì)，沿皖河流域堤段則按皖河50年一遇洪水防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)加固。同馬大堤當(dāng)前穿堤建筑物19座，其中包括楊灣閘、華陽閘和皖河閘等3座中型水閘，同馬大堤對應(yīng)外灘圩15個(gè)，圩堤長度78.8 km。

2 堤防沖刷深度計(jì)算

堤防工程沖刷計(jì)算包括水流平行于岸坡和水流斜沖岸坡兩種不同工況，由于堤防工程建設(shè)的特殊性，在其堤防沖刷深度計(jì)算過程中兩種工況均有所涉及。同馬大堤堤防工程堤身型式為碾壓砂礫石梯形斷面，迎水面1∶1.5且采用C15砼防護(hù)，厚度0.25 m～0.50 m，堤頂寬3.5 m，背水面邊坡1∶1.25，堤腳防護(hù)采用寬×高為1.0 m×0.7 m的C15砼。堤防沖刷深度計(jì)算沿用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）所給出的堤岸沖刷深度公式，并選擇工程15個(gè)斷面計(jì)算沖刷深度。

2.1 水流平行岸坡沖刷深度計(jì)算

2.1.1 依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）計(jì)算

這種沖刷工況通常發(fā)生在兩個(gè)彎道過渡段或半徑較大的微彎曲河段。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）附錄中D.2.2-1公式，河段水流平行岸坡的沖刷深度按下式計(jì)算:

這一公式物理意義不明確，量綱不統(tǒng)一，規(guī)范引用錯(cuò)誤[1]，如若公式中各變量的物理意義不變，則應(yīng)表示如下:

式中:hB表示局部沖刷深度，應(yīng)從水面線算起，m；hP表示沖刷位置水流深度，m，取設(shè)計(jì)水位最大深度；Vcp表示流速均值，m/s；V允表示河床所允許不沖流流速，m/s；n表示防護(hù)岸坡平面形狀，取n=1/4。

同馬大堤工程實(shí)測河道斷面15個(gè)，沖刷深度計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的沖刷深度計(jì)算結(jié)果（50年一遇洪水）

2.1.2 依據(jù)一般沖刷深度生產(chǎn)試用公式計(jì)算

一般沖刷深度生產(chǎn)試用公式如下:

式中:hP表示水流平行岸坡最大沖刷深度，m；Q表示設(shè)計(jì)流量，m3/s；L表示河段寬，m；hmax表示河道最大水深，m；h表示河道水深均值，m；A表示單寬流量集中系數(shù)，取A=1.39；E表示流域汛期月最大含沙量均值相關(guān)參數(shù)，取E=0.59；d表示流域河床土壤粒徑均值，mm；μ則為水流壓縮系數(shù)，取μ=0.987。

水流平行岸坡沖刷深度計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 一般沖刷深度生產(chǎn)試用公式計(jì)算結(jié)果（50年一遇洪水）

通過采用上述兩種計(jì)算方式計(jì)算同馬大堤工程堤防沖刷深度及計(jì)算結(jié)果的對比可知，依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的沖刷深度計(jì)算結(jié)果偏小，主要原因在于該公式對于平原和山區(qū)穩(wěn)定河段水位大、流速小的流域更為適用，而對于本工程河段水深小、流速大的情況則結(jié)果偏小，存在一定誤差[2]。工程所在皖河流域呈變遷性河流態(tài)勢，河道水量小，河床在長期造床流量的影響下引發(fā)河相的變化，使河流蜿蜒曲折，主流搖擺變動(dòng)，水流斜沖頻繁，淘蝕護(hù)岸。而采用一般沖刷深度生產(chǎn)試用公式對于平原、山區(qū)穩(wěn)定河流，變遷游蕩型河流不同水位和流速均適用，所得基礎(chǔ)沖刷深度計(jì)算結(jié)果和流域歷年河堤治理基礎(chǔ)埋深完全吻合[3]。

根據(jù)一般沖刷深度生產(chǎn)試用公式計(jì)算結(jié)果，從水面起算的基礎(chǔ)沖刷深度hP=3.16 m～3.95 m，河灘以下沖刷深度為2.23 m～2.73 m。為確保計(jì)算結(jié)果的合理性與適用性，依據(jù)《安徽省懷寧長江河道堤防工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，本堤防工程設(shè)計(jì)復(fù)核基礎(chǔ)沖刷深度選用一般沖刷深度生產(chǎn)試用公式計(jì)算結(jié)果，即河灘以下沖刷深度設(shè)計(jì)值2.73 m。

2.2 水流斜沖岸坡沖刷深度計(jì)算

此種沖刷工況一般出現(xiàn)在河流彎道凹岸，淘蝕嚴(yán)重河段。本堤防工程水流斜沖岸坡沖刷深度按照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）中公式D.2.2-2進(jìn)行計(jì)算，具體如下:

式中:ΔhP表示由河堤起算的局部沖刷深度，m；α表示水流流向與岸坡夾角，°；m表示堤防工程建筑物迎水面邊坡系數(shù)；d表示坡腳位置土壤計(jì)算粒徑，m，對于非粘性土而言，重量＞15%的篩孔直徑取0.02 m；Vj表示局部沖刷水流流速，m/s。

結(jié)合本堤防工程平面布置圖，水流斜沖岸坡沖刷深度計(jì)算結(jié)果見表4，局部沖刷深度取1.5 m。

表4 依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的水流斜沖岸坡沖刷深度計(jì)算結(jié)果（50年一遇洪水）

由表4可知，水流斜沖岸坡沖刷深度值比水流平行岸坡沖刷深度值大，而且斜沖岸坡沖刷深度與斜沖角度存在直接關(guān)系，皖河河流富有變遷游蕩型特征，主流遷徙變換，擺動(dòng)幅度很大，堤防工程恰恰位于河段彎曲性河道位置，水流沖刷主要表現(xiàn)為斜沖。借鑒皖河流域現(xiàn)有堤防沖刷深度并考慮一定的堤防安全值，其實(shí)際基礎(chǔ)埋深應(yīng)為深泓線以下4.0 m。

3 結(jié)語

基于安徽懷寧長江河道左岸同馬大堤堤防工程現(xiàn)狀，分析所提出的沖刷深度運(yùn)行實(shí)施效果良好，但是為了有效解決河堤基礎(chǔ)沖刷所顯現(xiàn)出的外露現(xiàn)象及其對河堤運(yùn)行安全可能造成的不利影響，必須在各斷面平斜沖值及沖刷深度計(jì)算值選取的基礎(chǔ)上以斜沖結(jié)果為依據(jù)，根據(jù)主河槽的分析確定夾角α的取值，而非根據(jù)設(shè)計(jì)堤線平順度進(jìn)行水流斜沖岸坡沖刷深度計(jì)算，同時(shí)必須充分參考近似河段已建堤防工程運(yùn)行現(xiàn)狀綜合考慮原基礎(chǔ)埋深設(shè)計(jì)值是否滿足堤防運(yùn)行要求。