跨河建筑物防冲刷设计研究

跨河建筑物防冲刷设计研究

1自然冲刷深度磨损可分为两种类型：自然磨损（也称为自然磨损）和受人类活动影响的磨损。受人类活动影响引起的冲刷一般是由于修建水工建筑物后改变了水流条件而产生的冲刷,而自然冲刷主要是由于河流在自然发展过程中,水流与河床质的相互作用以及在相互作用的过程中伴随出现的河床演变现象。这种作用完全是按其本身的运动规律进行的,也就是说自然冲刷是在无人类活动干预的情况下,河流中的水流与河床质在相互作用的过程中产生的河床演变的现象。河道自然冲刷深度的确定在跨河工程建设中具有重要作用。例如输水、输电、输油等设施与河流交叉通过时,只有采用高架或倒虹建筑措施才能跨越。而跨河建筑物的经济合理性、运行安全性取决于对河道最大自然冲刷深度规律的掌握程度。另外河床冲刷深度影响流域产沙量,对流域水土流失研究也有重要意义。但目前国内外对自然冲刷研究却很少,因此开展自然冲刷规律的研究,特别是对最大自然冲刷深度的研究是非常必要的。2影响自然清洁的因素2.1影响冲刷的因素天然河道水流形态比较复杂,是一种不稳定流运动,其中有上下扰动的紊流、左右两岸的环流及行进中的涡流以及大洪水时波、浪的冲击,构成影响冲刷的主要因素。其主要反映指标是流速、水深和坡降。2.2矿床物质冲刷及流变形态河床是水流的边界条件,是水流的冲刷对象。河床由松散的泥土、沙、砾石等物质组成,河床质中各物质组成比例不同,其冲刷深度和演变形态亦不尽相同。2.3流域形设计断面以上流域的地形、地质、地貌对冲刷的影响亦较大,如流域坡度、土壤质地、地面覆盖等都影响冲刷。2.4河流的上游段设计断面所处的位置不同,河段的冲刷情况亦不相同。在河流的上游段,一般表现为河床将逐年下切;而在下游段,则河床将逐年淤高;中游段,其多年冲淤结果近似平衡。2.5其他因素如洪水历时、洪水过程线形状等对自然冲刷亦有一定影响。3自然冲刷观测为使复杂问题简单化,辽宁省水文水资源勘测局以狭义概念上的自然冲刷为基础,根据水流因素的主要指标,对大凌河水文单站实测断面处纵向最大自然冲刷变形(最大天然冲刷深度)进行了多年观测研究。3.1山地、丘陵水土流失区大凌河全长397km,流域面积23550km2。流域地貌分3种类型:(1)土石丘陵区,多分布在大凌河中部,由土石丘陵区和黄土丘陵区组成,坡面多为黄(红)土覆盖,土层较薄,沟坡岩石裸露,土壤侵蚀比较严重;(2)石质山地,分布在大凌河上游,努鲁尔虎山山脉东南侧的上腹,山高坡陡,裸岩较多,土层瘠薄,植被稀疏;(3)黄土丘陵风沙区,多分布在大凌河支流的上游,此区除部分山地和少量丘陵区土层较薄外,大部分丘陵地具有较厚的黄土层,风蚀比较严重。大凌河流域多年来由于过度放牧、乱砍滥伐、开荒种地,大大减少了植被覆盖率,降低了水源涵养能力及保持水土的性能,水土流失较为严重。大凌河流域的降水量由南向北递减,南部高值区年降水量可达600mm,建平县北部年降水量在450mm以下,450～550mm等雨量线穿过整个大凌河流域。降水量的年内年际变化较大,正常年份连续最大4个月的降水量约占全年降水量的70%～80%,最大年降水量为最小年降水量的3倍。汛期暴雨集中,降雨强度大,历时短。河水陡涨陡落,洪旱灾害频繁。3.2次洪水过程中最大路径hsvme,hm主要是通过分析最大有效冲刷流速[最大流速(vm)、始冲流速(vI)之差]与最大冲刷深度的关系,寻求自然冲刷规律。不同粒径颗粒的始冲流速vI值见表1。分别收集大凌河上游、中游、下游的上窝堡、朝阳、锦县三水文站的次洪水流速、流量、水深、泥沙等有关数据,计算最大冲刷深度、始冲流速(vI)等相关因子。分析建立最大冲刷深度Hs与相应流速v、水深h之间的相关关系,建立直线相关方程:Hs=mv+b(1)式中:v为流速;m为斜率;b为截距。3.2.1建立Hs～vme直线相关方程三站方程为:Hs上窝堡=0.205vme+0.38(2)Hs朝阳=0.72vme+0.28(3)Hs锦县=0.788vme-0.03(4)式中:vme为最大有效冲刷流速,vme=vm-vmI,vm为一次洪水过程中实测最大流速中的最大流速,vmI为最大流速中的始冲流速。3.2.2建立Hs～vme、hm直线方程三站方程为:Hs上窝堡=0.159vmeh0.15m0.15m+0.40(5)Hs朝阳=0.479vmeh0.15m0.15m-0.07(6)Hs锦县=0.604vmeh0.15m0.15m+0.04(7)式中:hm为一次洪水过程中实测最大水深中的最大水深。3.2.3建立Hs～ˉvv¯MI直线方程三站方程为:Ηs上窝堡=0.341ˉvΜΙ+0.4(8)Ηs朝阳=1.62ˉvΜΙ-0.9(9)Ηs锦县=1.437ˉvΜΙ-0.28(10)式中:ˉvMI为平均最大始冲流速,ˉvΜΙ=ˉvΜ-ˉvΙ3.2.4建立Hs～ˉvMI、ˉhm直线方程三站方程为:Ηs上窝堡=0.3ˉvΜΙˉh0.15m+0.04(11)Ηs朝阳=1.4ˉvΜΙˉh0.15m-0.8(12)Ηs锦县=1.161ˉvΜΙˉh0.15m-0.10(13)式中:ˉhm为一次洪水过程中实测平均最大水深。4数据分析此次分析均采用大洪水资料,最大流速多为浮标测验,始冲流速在取值上可能受惯性作用和不连续测验的影响等,对