[科普中国]-冲刷深度

堆积体作用下的河道最大冲刷深度

受地震、暴雨的影响，破碎的山体易发生滑坡、泥石流等，在河流岸边形成堆积体，改变了河道水流边界条件，在堆积体下游附近形成冲坑。通过动床水槽试验，研究了不同堆积体作用下的最大冲刷深度。结果表明，最大冲刷深度随流量、堆积体尺寸增大而增大。采用一些常见的丁坝、桥台最大冲深公式对试验成果进行了计算，但由于水流结构差异及公式适用范围限制，计算结果与实测值普遍相差较大。因此，参考丁坝、桥台冲刷深度计算的研究成果，充分考虑各影响因素作用，采用因次分析法，建立了堆积体作用下河道最大冲刷深度计算公式的基本形式，并根据实测资料拟合了公式参数。1

丁坝、桥台公式的试算结果比较分析其原因，其中很重要的一 点是水流结构的不同，导致冲刷机理的不同。认为在丁坝、桥墩的背水面存在 剧烈的水流紊动，部分学者认为，绕过丁坝、桥墩的下潜水流也起到了冲刷的作用。而堆积体表面上下端衔接比 较光滑，水流渐变过渡，至使堆积体下游的水流结构与丁坝等有差异，绕流紊动掺混强度降低，且堆积坡度较小 ( 该试验的坡率为30° )，使得下潜水流对冲坑的影响有限。1

影响堆积体附近局部冲刷深度的因素影响堆积体附近的冲刷深度主要有以下几个方面： ( 1 ) 水流流动的特征因素，主要包括水深和流速方面的参 数； ( 2 )堆积体的特征因素，主要有堆积体与水流夹角影响系数、堆积体的形状系数和边坡系数； ( 3 )河床床沙的 特征因素，主要是床沙粒径 。1

水流流动的特征因素对冲刷深度的影响水流的流动特征因素主要有流向堆积体边缘的垂线平均流速 V、起动流速 V0 、起冲流速 Vs和天然水深 h。1

堆积体的特征因素对冲刷深度的影响堆积体的特征因素主要有堆积体与水流夹角影响系数Kα、堆积体的形状系数Ks、堆积体的边坡系数Km 。

在总结和借鉴丁坝、桥台冲刷研究成果的基础上，充分考虑影响堆积体冲刷的主要因素，利用因次分析法，采用水槽试验数据建立了堆积作用下河道最大冲刷深度的经验公式。该公式能够反映堆积体尺度效应，更适合堆积体最大冲刷深度的计算。1

大桥复合桥墩局部冲刷深度的计算分析桥墩的冲刷毁坏是桥梁失事的重要原因。为保证桥梁安全，需要准确评价桥墩冲刷深度。结合某跨海大桥，使用较为可靠的HEC-18 公式对其复合桥墩的局部冲刷深度进行研究。计算结果表明，该大桥最大的可能局部冲刷深度发生在主桥主墩，复合桥墩中群桩部分造成的冲刷深度为桥墩冲刷的主要部分，且随流速增大，其在总冲刷深度中所占比例也增大，总冲刷深度对承台吃水深度变化不敏感。进一步分析表明，复合桥墩的冲刷深度随水流斜交角的变化规律与简单桥墩有较明显区别，关系更为复杂。2

研究背景水域中建造桥梁时，桥墩会对周围的水流产生显著的影响。简单桥墩周围的水流结构，主要有桥墩前部的下降水流、下部的马蹄形漩涡、前边的表层漩滚和下游的激发漩涡。这些影响使得局部泥沙运移能力增强而导致冲刷，甚至还会威胁结构的安全。2

跨海大桥造价高，长度大，跨度宽，环境更为复杂，一旦失事，损失极大。为避免因为桥墩局部冲刷造成桥梁水毁，对局部冲刷进行过系统的试验和理论研究。2

大桥有两种设计方案，两方案除承台厚度有所差异外，其余结构设计基本一致。两方案的桥墩承台顶高程相同，但方案二比方案一的桥墩承台增加了0。5m 厚的护底，吃水较深，将其分别称为浅吃水方案和深吃水方案。针对两种设计方案进行计算，分析两种方案的最大可能冲刷深度，为大桥设计提供依据。并对其做进一步的分析，研究复合桥墩各部分吃水深度与局部冲刷总深度的关系以及水流方向对复合桥墩冲刷深度的影响。2

复合桥墩冲刷深度使用HEC-18 公式计算并分析了某跨海大桥浅吃水和深吃水两种方案的复合桥墩冲刷深度，1）2 种方案的最大局部冲刷深度均发生在主桥主墩，浅吃水方案为4。37m，深吃水方案为4。45m，但2 种方案的冲刷深度对承台的吃水深度变化并不敏感。2）2 种方案从局部冲刷深度的角度相比较，承台深吃水方案冲刷深度略大，但差别小，没有明显的优劣之分。3）群桩在冲刷深度的总量中贡献最大，与群桩长度占桥墩在水体中浸没深度的百分比有着明显的正相关关系。但随着流速的增大，群桩在总冲刷深度中的贡献比例显著增加。4）复合桥墩的局部冲刷深度与水流斜交角的相互关系较为复杂，与简单桥墩局部冲刷深度随水流斜交角变化规律有着较明显的区别，需要使用相应的计算方法才能较好的体现其变化规律。5）仅讨论了复合桥墩承台较高情况时的冲刷深度，由于工程中将承台位置安置在河床（海床）面附近的设计逐渐增多，需要对这种结构布置的冲刷情况进行进一步的研究。2

洪水冲刷深度的预测冲刷深度：总冲刷深度为自河床面算起的河床自然演变冲刷、一般冲刷与局部冲刷深度之和。

在洪潮水流共同作用下河床冲淤剧烈 ， 极端洪水条件下河床的冲刷深度是过江隧道工程的关键问题之一 。基于河床演变分析 、 动床数值模拟和动床物理模型等研究手 段 ， 建立 了河口过江隧道河段洪水冲刷深度的预测模型 ， 分别经河口的典型实测地形、水流泥沙及河床冲淤等实测资料进行验证 。在此基础上预测了某过江隧道河段在极端洪水作用下河床最大冲刷深度 ， 三种研究方法所得的结果定性定量基本合理 ， 且与地质详勘的沉积分析成果基本一致 ， 进一步表明了预测模型的可靠性 ， 预测的最大冲刷深度可为过江隧道的合理埋设提供科学依据 。3

过江隧道河床极端洪水冲刷深度的预测根据河床演变分析 ， 隧道所在河段的河床冲刷一般发生在流域汛期 4 ～7 月 ， 系洪水冲刷所致 。洪水冲刷深度不仅与洪峰流量有关 ，而且与汛期的洪水总量有关 。因此隧道断面设计条件下河床冲刷的水流边界条件应是流域发生的洪水过程 ， 以及汛期 4 ～7 月的洪量也基本达到这样极端的洪水过程 。为此根据建立的 3 种预测方法 ，进行隧道河段在极端洪水作用下冲刷深度的预测研究 。3

河床演变分析洪潮水流作用下对河床冲淤幅度大 ， 在此河段埋设过江隧道 ， 极端洪水作用下的冲刷深度是工程设计的关键参数之一 。单一的研究方法难以保证结果的可靠性 ， 采用多学科的研究手段综合分析确定非常必要 。3

1）基于河床演变分析的方法 ， 根据河口河相关系式建立隧道断面洪水冲刷面积与钱塘江河口汛期平均流量 、最大月平均流量和洪水洪峰流量的回归预报关系 ， 通过实测地形资料进行相关性和显著性检验 ， 结果表明基于河床演变分析的预报模型的精度可用于实际预报 。3

2）基于建立的洪水冲刷深度预报模型 ， 综合研究了河段在极端洪水作用下的冲刷深度 ， 探讨了模型水沙边界条件的确定 ， 并对各预测模型的成果进行了讨论 。基于河床演变分析的方法 、动床数学模型及动床物理模型的预测成果与地质详勘的实测资料基本吻合 ， 表明了预测模型的可靠性 ， 综合研究得到的预测成果可为过江隧道的合理埋设提供科学依据 。3