皖江河岸带取排水口冲淤变化预测方法

摘要

皖江河岸带取排水口冲淤变化预测方法，属于水利工程学科河流动力学专业，尤其是一种在河岸带取排水口位置进行冲淤预测的方法。包括：预测取排水口冲淤的必要条件，确定冲淤趋势，确定冲淤深度，取排水口周围地形测量方法，本发明的有益效果在于：公布了一种通过上游测量沙峰、现场实测地形和利用物理模型试验冲淤特性结论，对取排水口冲淤情况进行实时预测的方法。

说明书

技术领域

本发明皖江河岸带取排水口冲淤变化预测方法，属于水利工程学科河流动力学专业，尤其是一种在河岸带取排水口位置进行冲淤预测的方法。

背景技术

长江安徽段位于长江下游，上起宿松县段窑，下迄和县驷马河口，河道全长416km，两岸干堤总长度为771km，是著名的“黄金水道”，沿江有安庆、池州、铜陵、合肥、芜湖、马鞍山市等重要城市，人口密集，经济发达，是安徽省重要的工业走廊。2010年1月国务院正式批复《皖江城市带承接产业转移示范区规划》，皖江城市带是我国实施促进中部地区崛起战略的重点发展区域，其防洪安全、供水安全以及洲滩人居环境安全变得极为重要。由于三峡工程蓄水运行以来，来水来沙条件发生变化，皖江河势变化较为剧烈，河道主流左右摆动幅度较大，汊道分流分沙比变化明显，洲滩槽冲淤频繁，主流顶冲点上提下移，河岸崩塌范围扩大。据统计，皖江崩岸由59处增至76处，崩岸区总长度418km，其中江心洲崩岸16处，崩岸长度83km，扣除江心洲崩岸长度后，两岸崩岸长度占总岸线45％。三峡蓄水后，下游河道呈流量洪峰坦化、过程延长。2010年三峡上游遭遇较大洪水控泄后，皖江段洪峰呈现扁平化，洪水过程延长，长江水位在防汛警戒水位附近持续大约40天，增加了支流洪水压力。

由于皖江河岸带泥沙颗粒较细，两岸边坡极为不稳定性，建造在其上的取排水口冲淤特性极为复杂，随着上游来水来沙和周边边坡的变化，取排水口附近的冲淤在年际间变化剧烈。对取排水口的冲淤进行预测性描述，有利于提前规划取排水口的清淤或防冲计划，有利于取排水口达到设计运行标准。

通常情况下，进行取排水口的冲淤计算采用如下步骤：

1、收集河段来水来沙资料；

2、建立河段的水沙数学模型；

3、当估计冲刷时采用丰水少沙年份的资料计算研究区域可能的冲深；

4、当估计淤积时采用丰水多沙或者中水多沙年份的资料计算研究区域可能的淤积；

5、得出可能冲淤量。

或者采用物理模型的方法，对工程河段进行物理模拟，通过物理模拟的实际结果得出冲淤结论。但是这些结果都是估计结果而不是预测结果。估计结果的目的是测算取排水口工程实施后，假设发生淤积，会在何种来水来沙条件下淤积到什么程度。假设发生冲刷，会在何种来水来沙条件下冲刷到什么程度。这些都不能直接获取在未来的一段时间内工程是冲刷还是淤积。估计结果是假设来水来沙条件，得到结果。预测结果是先预测来水来沙情况，再根据来水来沙情况和工程现状的地形情况，预测未来的地形情况从而评估冲淤特性。

发明内容

本发明的目的正是提出一种通过上游测量沙峰、现场实测地形和利用物理模型试验冲淤特性结论，对取排水口冲淤变化进行预测的方法。

具体而言本发明包括以下内容：

1、预测取排水口冲淤的必要条件：

1a，河岸带泥沙颗粒较细，两岸边坡极为不稳定；

1b，随着上游来水来沙和周边边坡的变化，取排水口附近的冲淤在年际间变化剧烈；

1c，在取排水口上游20km～50km范围内能够对沙峰进行监测；

1d，取排水口河段在论证过程中进行了物理模型试验，试验结论中给出了不同的来水来沙条件的冲淤结果。

2、确定冲淤趋势；

2a，将上游断面测得的流量和泥沙含量与物理模型试验冲淤特性结论进行对照；

2b，若物理模型结论中所涵盖的流量和含沙量数值包含了2a中上游断面测得的流量和含沙量，根据物理模型试验冲淤特性结论直接判断冲淤趋势；

2c，若测量结果不满足物理模型试验冲淤特性结论中的任何流量和水流含沙量组合的条件，则分以下两种情况：

2c-1，若实测流量介于物理模型试验给出的最大流量和最小流量之间，且实测含沙量大于相应流量值对应的冲刷状态含沙量，小于淤积状态含沙量，则计算分界含沙量；

分界含沙量＝冲刷状态含沙量+(淤积状态含沙量-冲刷状态含沙量)×0.6

若实测含沙量大于等于分界含沙量则为淤积趋势，若实测含沙量小于分界含沙量则为冲刷趋势；2c-2，若实测含沙量介于物理模型试验给出的最大含沙量和最小含沙量之间，且实测流量小于物理模型试验冲淤特性结论中的最小流量，则判定为淤积趋势；

3、确定冲淤深度：

3a，在每年洪水季节开始前测量取排水口的地形；

3b，当步骤2中确定为冲刷趋势时，利用《桥涵水文》中的计算公式，计算冲刷深度；

3c，当步骤2中确定为淤积趋势时，采用传统数学模型方法计算淤积深度；

4、取排水口周围地形测量方法：

4a，测量范围为取排水口前后左右个50m；

4b，测量密度为间距3～5m；

4c，测量高程精度为0.5m。

本发明的有益效果在于：

公布了一种通过上游测量沙峰、现场实测地形和利用物理模型试验冲淤特性结论，对取排水口冲淤情况进行实时预测的方法。

附图说明

图1实施例1取排水口位置示意图；

图2实施例1取排水口地形测量点布置示意图；

A为取排水口工程。

具体实施方式

实施例一

根据工程建设方案，取排水口工程A位于堤外滩地上，平面尺寸为30m×20m，取排水口顶高程20m，高于滩地表面约15m。1a河岸带泥沙颗粒较细，两岸边坡极为不稳定；1b随着上游来水来沙和周边边坡的变化，取排水口附近的冲淤在年际间变化剧烈；1c在取排水口上游28km处有一水文监测断面，长年进行流量、含沙量监测；1d取排水口河段在论证过程中进行了物理模型试验，试验范围为上游5km到下游5km，宽度为江宽，采用动床模型；试验结论包括以下内容：

当以下流量泥沙含量组合时模拟区域为冲刷状态：

流量大于10000m³/s小于等于20000m³/s，水流含沙量为小于等于0.027kg/m³时；

流量大于20000m³/s小于等于30000m³/s，水流含沙量为小于等于0.077kg/m³时；

流量大于30000m³/s小于等于40000m³/s，水流含沙量为小于等于0.098kg/m³时；

流量大于40000m³/s，小于等于50000m³/s，水流含沙量为小于等于0.13kg/m³时；

流量大于50000m³/s，小于等于60000m³/s，水流含沙量为小于等于0.195kg/m³时；

流量大于60000m³/s，水流含沙量为小于等于0.214kg/m³时；

当以下流量泥沙含量组合时模拟区域为淤积状态：

流量大于10000m³/s，小于等于20000m³/s，水流含沙量为大于等于0.109kg/m³时；

流量大于20000m³/s，小于等于30000m³/s，水流含沙量为大于等于0.169kg/m³时；

流量大于30000m³/s，小于等于40000m³/s，水流含沙量为大于等于0.232kg/m³时；

流量大于40000m³/s，小于等于50000m³/s，水流含沙量为大于等于0.353kg/m³时；

流量大于50000m³/s，小于等于60000m³/s，水流含沙量为大于等于0.245kg/m³时；

流量大于60000m³/s，水流含沙量为大于等于0.294kg/m³时；

2a上游断面测得流量为92600m³/s,水流含沙量为0.213kg/m³；

2b以上工况包含在冲刷状态工况描述；

3a汛期前测得的地形如图2所示，

4a测量范围为取排水口前后左右各50m；4b测量密度为间距5m；4c测量高程精度为0.2m。

3、确定冲淤深度

采用《桥涵水文》中的计算公式，计算得冲刷深度为2.60m。

由于取排水口按照冲刷深度15m进行的设计，因此此次冲刷不会对取排水口造成危害。

以下为本实施例补充计算资料：

本节根据《桥涵水文》给出的计算公式，对取排水口的冲淤进行计算分析。根据工程处地质资料，外滩地内取排水口表层土体为粉质粘土及淤泥质粉质粘土，土层较厚，因此，滩地取排水口冲刷计算采用粘性土计算公式。

3b，采用《桥涵水文》中的计算公式，计算得冲刷深度

3b-1，滩槽设计流量计算

$Q_c=\frac{k_c}{k_c+k_t}{Q}_P,Q_{t1}=\frac{k_t}{k_c+k_t}{Q}_P---(3-1)$

$k_c=\frac{1}{n_c}{A}_c\left(\frac{A_c}{{\lambda }_c}\right),k_t=\frac{1}{n_t}{A}_t\left(\frac{A_t}{{\lambda }_t}\right)---(3-2)$

式中：

Q_p—河道通过的设计流量(m³/s)；

Q_c—河槽流量(m³/s)；

Q_t1—河滩流量(m³/s)；

k_c—河槽流量模数；

k_t—滩地流量模数；

n_c—河槽糟率，取0.025；

n_t—河滩糟率，取0.035；

A_c—河槽通过的过水面积(m²)；

A_t—滩地通过的过水面积(m²)；

λ_c—河槽部分湿周(m)；

λ_t—滩地部分湿周(m)。

滩槽分流计算结果见表3-1。

表3-1滩槽分流计算成果表 单位：m³/s

3b-2，一般冲刷计算公式

粘性土一般冲刷，计算公式为：

①河槽部分：

式中：

h_p—取排水口处一般冲刷后的最大水深(m)；

Q_c'—取排水口处河槽部分通过的设计流量(m³/s)；

μ—水流侧向压缩系数；

B'_c—取排水口处河槽部分桥孔过水净宽(m)；

h_mc—取排水口处河槽最大水深(m)；

—取排水口处河槽平均水深(m)；

K'—单宽流量集中系数；

I_L—冲刷坑范围内粘性土液性指数；

其余符号意义同式(8-3)。

②河滩部分：

Q_t'—取排水口处河滩部分通过的设计流量(m³/s)；

h_mt—取排水口处河滩最大水深(m)；

B_t'—取排水口处河滩部分桥孔净长(m)；

—取排水口处河滩平均水深(m)。

式中符号意义同前。

3b-3局部冲刷计算公式

粘性土局部冲刷计算公式：

当h_p/B₁≥2.5时，

当h_p/B₁＜2.5时，

式中：

υ—一般冲刷后墩前行近流速(m/s)，υ＝Ed^1/6h_p^2/3；

h_b—取排水口处局部冲刷深度(m)；

h_p—取排水口处一般冲刷深度(m)；

k_ξ—墩形系数；

B₁—取排水口计算宽度(m)；

d—河床泥沙平均粒径(mm)；

E—汛期洪水含沙量系数；

I_L—冲刷坑范围内粘性土液性指数。

3b-4计算参数的确定

①水位、流量

旋涡，这些侧向旋涡连接后会形成一个滞流区，减少墩台之间的过水面积，用桥墩水流侧向压缩系数μ来反映这一过水断面的折减。μ值由《桥涵水文》表7-2(P143)确定。

④洪水含沙量系数E

洪水含沙量系数E值是一个反映河段汛期含沙量对冲刷影响的系数，由《桥涵水文》表8-3(P169)确定。

⑤液性指数IL

由地质勘探相应土质参考相关资料确定。

⑥墩型系数Kt

由《桥涵水文》表8-5(P176)确定。

根据桥址处河道地形资料、桥梁设计方案，参考《桥涵水文》计算公式，冲刷计算主要参数取值见表3-2。

表3-2冲刷计算主要参数取值一览表

3b-5计算结果分析

根据上述冲刷计算公式，取排水口一般冲刷和局部冲刷计算结果见表3-3，3-4。

表3-3工程一般冲刷计算成果

表3-4工程局部冲刷计算成果

设计洪水水位(m)墩型系数Kt取排水口计算宽度B₁(m)局部冲刷h_b(m)54年型洪水11.061.2242.60

根据上述冲刷计算结果可知，局部冲刷深度为2.6m。

实施例二

根据工程建设方案，取排水口工程A位于堤外滩地上，平面尺寸为30m×20m，取排水口顶高程20m，高于滩地表面约15m。1a河岸带泥沙颗粒较细，两岸边坡极为不稳定；1b随着上游来水来沙和周边边坡的变化，取排水口附近的冲淤在年际间变化剧烈；1c在取排水口上游28km处有一水文监测断面，长年进行流量、含沙量监测；1d取排水口河段在论证过程中进行了物理模型试验，试验范围为上游5km到下游5km，宽度为江宽，采用动床模型；试验结论包括以下内容：

当以下流量泥沙含量组合时模拟区域为冲刷状态：

流量大于10000m³/s小于等于20000m³/s，水流含沙量为小于等于0.027kg/m³时；

流量大于20000m³/s小于等于30000m³/s，水流含沙量为小于等于0.077kg/m³时；

流量大于30000m³/s小于等于40000m³/s，水流含沙量为小于等于0.098kg/m³时；

流量大于40000m³/s，小于等于50000m³/s，水流含沙量为小于等于0.13kg/m³时；

流量大于50000m³/s，小于等于60000m³/s，水流含沙量为小于等于0.195kg/m³时；

流量大于60000m³/s，水流含沙量为小于等于0.214kg/m³时；

当以下流量泥沙含量组合时模拟区域为淤积状态：

流量大于10000m³/s，小于等于20000m³/s，水流含沙量为大于等于0.109kg/m³时；

流量大于20000m³/s，小于等于30000m³/s，水流含沙量为大于等于0.169kg/m³时；

流量大于30000m³/s，小于等于40000m³/s，水流含沙量为大于等于0.232kg/m³时；

流量大于40000m³/s，小于等于50000m³/s，水流含沙量为大于等于0.353kg/m³时；

流量大于50000m³/s，小于等于60000m³/s，水流含沙量为大于等于0.245kg/m³时；

流量大于60000m³/s，水流含沙量为大于等于0.294kg/m³时；

2a上游断面测得流量为45300m³/s,实测含沙量为0.233kg/m³；

2c测量结果不满足物理模型试验冲淤特性结论中的任何流量和水流含沙量组合的条件；

2c-1，实测流量介于物理模型试验给出的最大流量和最小流量之间，且实测含沙量大于相应流量值对应的冲刷状态含沙量，小于淤积状态含沙量，则计算分界含沙量；

分界含沙量＝冲刷状态含沙量+|淤积状态含沙量-冲刷状态含沙量|×0.6

分界含沙量＝0.13+|0.353-0.13|×0.6＝0.2638(kg/m³)

实测含沙量为0.233kg/m³小于分界含沙量0.2638kg/m³则为冲刷趋势；

3b，当步骤2中确定为冲刷趋势时，利用《桥涵水文》中的计算公式，计算冲刷深度。

实施例二

根据工程建设方案，取排水口工程A位于堤外滩地上，平面尺寸为30m×20m，取排水口顶高程20m，高于滩地表面约15m。1a河岸带泥沙颗粒较细，两岸边坡极为不稳定；1b随着上游来水来沙和周边边坡的变化，取排水口附近的冲淤在年际间变化剧烈；1c在取排水口上游28km处有一水文监测断面，长年进行流量、含沙量监测；1d取排水口河段在论证过程中进行了物理模型试验，试验范围为上游5km到下游5km，宽度为江宽，采用动床模型；试验结论包括以下内容：

当以下流量泥沙含量组合时模拟区域为冲刷状态：

流量大于10000m³/s小于等于20000m³/s，水流含沙量为小于等于0.027kg/m³时；

流量大于20000m³/s小于等于30000m³/s，水流含沙量为小于等于0.077kg/m³时；

流量大于30000m³/s小于等于40000m³/s，水流含沙量为小于等于0.098kg/m³时；

流量大于40000m³/s，小于等于50000m³/s，水流含沙量为小于等于0.13kg/m³时；

流量大于50000m³/s，小于等于60000m³/s，水流含沙量为小于等于0.195kg/m³时；

流量大于60000m³/s，水流含沙量为小于等于0.214kg/m³时；

当以下流量泥沙含量组合时模拟区域为淤积状态：

流量大于10000m³/s，小于等于20000m³/s，水流含沙量为大于等于0.109kg/m³时；

流量大于20000m³/s，小于等于30000m³/s，水流含沙量为大于等于0.169kg/m³时；

流量大于30000m³/s，小于等于40000m³/s，水流含沙量为大于等于0.232kg/m³时；

流量大于40000m³/s，小于等于50000m³/s，水流含沙量为大于等于0.353kg/m³时；

流量大于50000m³/s，小于等于60000m³/s，水流含沙量为大于等于0.245kg/m³时；

流量大于60000m³/s，水流含沙量为大于等于0.294kg/m³时；

2a上游断面测得流量为9300m³/s,实测含沙量为0.033kg/m³；

2c测量结果不满足物理模型试验冲淤特性结论中的任何流量和水流含沙量组合的条件；

2c-2，若实测含沙量0.033kg/m³小于最大含沙量0.353kg/m³大于最小含沙量0.027kg/m³之间，且实测流量9300m³/s小于物理模型试验冲淤特性结论中的最小流量10000m³/s，则判定为淤积趋势。

3c，当步骤2中确定为淤积趋势时，采用传统数学模型方法计算淤积深度。