高 波

（陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院 陜西 西安 710018）

1 前言

河流是人類的重要自然資源，然自古實踐證明，河流在自然狀態(tài)下很難滿足人類活動的需要。河道整治就是通過一定的措施，按照人類不同的需求，改變河流的某些自然狀態(tài)，以期變水害為水利，從而實現(xiàn)為人類服務的目的。河道整治是治理河流的綜合措施之一，按其目的可分為：①以防洪為目的的河道整治；②以改善航運條件為目的的河道整治；③以引水灌溉、工業(yè)及生活用水為目的的河道整治等。

堤防是沿河流、湖泊、海洋的岸邊或蓄滯洪區(qū)、水庫庫區(qū)的周邊修筑的擋水建筑物，它是人類自古以來廣泛采用的一種重要的工程防洪措施，主要用于洪水整治。

綜上所述，堤防工程應隸屬于河道整治的范疇，是河道整治的一項工程措施?；诖?，在《堤防工程設計規(guī)范》GB50286-2013（以下簡稱《堤防規(guī)范》）及《河道整治規(guī)范》GB50707-2011（以下簡稱《河道規(guī)范》）中均推薦了順壩或平順護岸的沖刷深度計算公式，筆者認為，兩個規(guī)范中所推薦的公式盡管形式不同，但可通用。然而在具體的工程設計中，亦發(fā)現(xiàn)兩個公式計算結果又有差別，以下是對兩個規(guī)范所推薦公式的探討和分析，希望能對工程設計提供一定參考。

2 公式探析

2.1 《河道整治規(guī)范》推薦公式

在《河道規(guī)范》附錄B.2節(jié)推薦了沖刷深度計算公式，具體如下：

（1）B.2.1水流平行于防護工程產(chǎn)生的沖刷深度可按下式計算：

式中，ΔhB——局部沖刷深度（m）；

hP——沖刷處沖刷前的水深（m）；

Vcp——平均流速（m/s）；

V允——河床面上允許不沖流速（m/s）；

n——與防護岸坡在平面上的形狀有關，可取n=1/4。

（2）B.2.2水流斜沖防護工程產(chǎn)生的沖刷深度可按下式計算：

式中，α——水流流向與岸坡交角（度）；

hp——從河底算起的局部沖深（m）；

m——防護建筑物迎水面邊坡系數(shù)；

d——坡腳處土壤計算粒徑（m）。對于非粘性土，取大于15%（按重量計）的篩孔直徑，對于粘性土按照規(guī)范要求取當量粒徑值；

Vj——水流的局部沖刷流速（m/s）。

（3）B 2.3水流的局部沖刷流速Vj的計算應符合下列要求：

若為灘地河床，Vj可按下式計算：

式中，B1——河灘寬度，從河槽邊緣至坡腳距離（m）；

Q1——通過河灘部分的設計流量（m3/s）；

H1——河灘水深（m）；

η——水流流速分配不均勻系數(shù)，根據(jù)α角按表B.2.3采用。

若是無灘地河床，Vj可按下式計算：

式中，Q——設計流量（m3/s）；

W——原河道過水斷面面積（m2）；

WP——河道縮窄部分的斷面面積（m2）。

在以上各式中：公式B.2.1來源于《水力計算手冊》，其最初是用來計算建橋或渡槽后的橋（槽）墩沖刷深度的。n的取值則是參照《公路設計手冊》——路基一書中有關橋墩平面形態(tài)與水流主流主向交角的關系，認為岸坡防護建筑物（順壩或平順護岸）在平面上的形狀，近似為半流線形橋墩，故近似取n=1/4。公式在應用中存在的主要問題是：公式反映的指標較少，且指數(shù)“n”的取值和意義也還值得商榷。然而該公式在多年的實踐中應用中，計算結果基本能夠反映河道沖刷的實際情況，是目前實踐應用最廣泛的公式。

公式B.2.2最早的中文描述源于安德列耶夫、亞羅斯拉采夫合寫的“橋渡建筑物所在河段的河床變形”一文中，從文中可推斷公式B 2.2是從橋渡沖刷公式演化而來的。根據(jù)在我國實際運用的經(jīng)驗，上世紀60年代末就對亞羅斯拉夫采夫公式從理論上和實際運用上進行過評價：公式系根據(jù)沒有泥沙進入沖刷坑的情況下導出的。在應用中存在著受水流流速及河床粒徑d影響較大的弊端，具有一定的局限性。

2.2 《堤防設計規(guī)范》推薦公式

在《堤防規(guī)范》附錄D.2節(jié)推薦了沖刷深度計算公式，具體如下：

D.2.2順壩及平順護岸沖刷深度計算可按下列公式計算：

表1 水流流速不均勻系數(shù)

式中，hs——局部沖刷深度（m）；

H0——沖刷處的水深（m）；

Ucp——近岸垂線平均流速（m/s）；

Uc——床面上泥沙的起動流速（m/s），對于粘性與砂質河床可采用張瑞瑾公式計算；

n——與防護岸坡在平面上的形狀有關，取1/4～1/6；

U——行近流速（m/s）；

η——同公式B.2.2中η意義。

對比《河道規(guī)范》公式B.2.1和公式《堤防規(guī)范》D.2.2，兩個公式形式相同，各個計算參數(shù)的意義也相同，相應的兩個公式出處亦相同。但公式D.2.2將水流平?jīng)_與斜沖計算合二為一，將斜沖與平?jīng)_用流速分配系數(shù)區(qū)別，在實踐應用中更加直觀，便于理解和操作。另該公式給出了UC的計算公式，相對于《河道規(guī)范》的不沖流速V允更具準確性。

3 公式計算結果對比分析

為了對比上述兩規(guī)范所推薦公式對河道水流沖刷計算結果的差異，特選取兩個典型工程，分別采用不同公式進行計算，分析其不同。

3.1 陜西省太白縣石頭河桃川鎮(zhèn)楊下村段防洪工程

該工程位于太白縣石頭河桃川鎮(zhèn)楊下村，設計為新修護岸工程，本文所選工程兩個典型斷面0+578和2+078分別位于工程區(qū)的水流平?jīng)_段和斜沖段，兩處斷面均為無灘單一斷面，工程沖刷處河床質為漂（卵）石，其中河床質d50為4cm，d85為20cm。

3.2 陜西省綏德縣義合河義合鎮(zhèn)段防洪工程

該工程位于綏德縣義合河義合鎮(zhèn)，設計為新修堤防工程。本文所選工程兩個典型斷面0+720和0+250分別位于工程區(qū)的水流平?jīng)_段和斜沖段，兩處斷面均為無灘單一斷面，工程處設計堤基為砂礫石，其中河床質d50為0.3cm，d85為15cm。

兩處工程計算對比表具體見表2～4。

經(jīng)過以上三表對比可見，在水流與堤岸夾角小于15°時，在《堤防規(guī)范》中水流分配不均勻系數(shù)η均取1，相當于《河道規(guī)范》中順流沖刷計算公式，此時兩個規(guī)范公式中其沖刷計算結果均取決于水流行近流速和河床質的不沖流速。故兩個公式的計算結果基本相同。

當水流與堤岸夾角大于15°時，在《堤防規(guī)范》中采用η值來分配水流的斜沖流速，計算公式不變。而《河道規(guī)范》中采用B.2.2公式計算，在此公式中，河床對水流的抗沖能力概化為f(d)=30 d，導致該公式具有一定的局限性，當d較大或者較小時都可能出現(xiàn)異常的計算結果。正如前述實例計算所示，在石頭河工程段取d=20cm時，計算結果出現(xiàn)了-0.9 m，相當于河道不會沖刷，而在綏德縣義合河工程段取d=15cm時，計算結構出現(xiàn)了4.87 m的沖刷深，亦與工程區(qū)調查的多年平均沖刷深3.0 m有較大的出入。

表2 《河道規(guī)范》順流沖刷深度計算成果表

表3 《河道規(guī)范》斜流沖刷深度計算成果表

表4 《堤防規(guī)范》沖刷深度計算成果表

綜上所述，兩個規(guī)范公式在計算順流沖刷時，公式反映的意義及考慮的參數(shù)基本相同，計算結果差別不大。而在河道斜沖河段，由于兩個公式考慮的因素不同，計算結果往往不同。分析原因，主要是《河道規(guī)范》公式用30 d來反映河床的抗沖能力，具有一定的局限性?！兜谭酪?guī)范》計算公式主要受Ucp與Uc比值的影響，當河床質d50選定后，Ucp與Uc呈正比例變化，計算結果不會出現(xiàn)負值等不正常數(shù)據(jù)，根據(jù)作者以往的計算經(jīng)驗，認為《河道規(guī)范》公式應用于河床泥沙顆粒粒徑在0.1 m～0.01 m范圍內時，公式的穩(wěn)定性較好?！兜谭酪?guī)范》公式則可應用于所有河段，具有更廣闊的應用性。

4 公式應用的注意事項

目前，兩個規(guī)范推薦公式都在水利部門應用普遍，如果在實踐中運用其進行沖刷計算，需注意以下幾點：

（1）無論應用《堤防規(guī)范》還是《河道規(guī)范》計算公式，在計算時均應注意對工程河段河勢的分析，注意結合河道河勢多年的變化趨勢及工程修建后的河勢預估，準確判斷工程地處灘地段還是河槽段，灘地是假灘還是多年形成的穩(wěn)定河灘等，從而準確應用公式及計算結果，確定建筑物基礎的埋置深度，避免因河勢判斷不清而導致的基礎埋置過淺或過深。

（2）注意對公式中各參數(shù)意義的理解，作者認為，在應用中存在的主要問題包括以下幾個計算參數(shù)：①河床粒徑d，《堤防規(guī)范》中d的取值為d50對應數(shù)值，而《河道規(guī)范》中d的概念為大于15%（按重量計）的篩孔直徑，取值應為顆分曲線中d85對應數(shù)值。②《堤防規(guī)范》公式中在計算河床啟動流速時，河道斷面水深為計入行近流速的水深，在計算中很多人往往會忽視行近水頭，而實際上，該水頭對計算結果是有一定影響的。

（3）要注意對河道水流趨勢的判斷，一般當河道洪峰流量較大、水流流速大時，水流取直趨勢較強；當洪水流量接近造床流量時，河床變形強烈，主流擺動較大，可能形成較大的迎沖角；另外，應注意分析建筑物對河道水流的影響作用，判斷是否會形成折沖水流等。

[1]堤防工程設計規(guī)范GB50286-98[S].1998.

[2]堤防工程設計規(guī)范GB50286-2013[S].2013.

[3]河道整治規(guī)范GB50707-2011[S].2011.

[4]李曉慶，唐新軍.對《堤防工程設計規(guī)范》推薦沖刷深度公式的探析[J].水資源與水工程學報，2006.04.

[5]武漢水利電力學院.水力計算手冊[M].北京：中國水利水電出版社，1983.

[6]交通部第二公路勘察設計院.公路設計手冊——路基（第二版）[M].北京：人民交通出版社，1996.

[7]武漢水利電力學院.河流泥沙動力學（下冊）[M].北京：水利水電出版社，1982.

[8]水利電力部黃河水利委員會.河道整治[M].鄭州：黃河水利出版社，1985.

[9]武漢大學.治河防洪工程[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

[10]高波，劉彬俠等.陜西省太白縣石頭河重點段防洪工程初步設計[R].西安：陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院，2011.06.

[11]高波，呂永樂等.陜西省綏德縣義合河義合鎮(zhèn)、滿堂川鄉(xiāng)集鎮(zhèn)防洪工程初步設計[R].西安：陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院，2012.06.