某中小河流巖基河段沖刷深度的計(jì)算研究

于前偉,魯 博,嚴(yán)耿升,吳 輝

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 引 言

山區(qū)中小河流坡降較陡，流速較大，河床基巖多裸露，一般護(hù)岸工程的損壞，除因布置不合理或因護(hù)岸結(jié)構(gòu)本身強(qiáng)度不夠外，往往是基礎(chǔ)埋深過(guò)淺，水流沖刷深度大于基礎(chǔ)埋置深度造成基礎(chǔ)被淘空進(jìn)而發(fā)生失穩(wěn)破壞。

巖基沖刷是水流的沖刷能力與巖石的抗沖能力這對(duì)矛盾發(fā)展斗爭(zhēng)的結(jié)果，影響水流對(duì)巖基河床局部沖刷深度的因素很多，諸如入水單寬流量q、上下游水位差Z和巖體的抗沖能力等，涉及到水流的紊動(dòng)、摻氣、擴(kuò)散以及巖石的構(gòu)造、產(chǎn)狀等問(wèn)題[1]。沖刷坑的形成和發(fā)展，是在高速水流的沖刷破壞下，基巖中的節(jié)理、裂隙間形成脈動(dòng)水壓力造成的，是高速水流和基巖河床相互作用的再塑造過(guò)程[2]。由于它涉及到被沖河床巖基的巖性、產(chǎn)狀、層理、傾向以及節(jié)理裂隙的發(fā)育程度等，很難用定量參數(shù)進(jìn)行描述。中國(guó)水利設(shè)計(jì)工作者廣泛應(yīng)用陳椿庭公式，該公式從消能觀點(diǎn)出發(fā)，利用水躍消能機(jī)理建立平衡沖刷深度的估算公式。長(zhǎng)期以來(lái)，各國(guó)學(xué)者對(duì)巖基沖刷問(wèn)題做了大量的研究工作，積累了豐富的資料，因問(wèn)題復(fù)雜涉及因素較多，目前這方面仍在繼續(xù)進(jìn)行理論探索和實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究[3-7]。

目前，堤防工程順壩和平順護(hù)岸設(shè)計(jì)沖刷深度計(jì)算多依據(jù)GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式D.2.2-1，相較于GB 50707-2011《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》，公式D.2.2-1引入水流流速不均勻系數(shù)將平?jīng)_公式和斜沖公式合二為一，實(shí)際應(yīng)用中更加直觀，便于理解和應(yīng)用。但是公式D.2.2-1僅局限于第四系松散堆積物的沖刷深度計(jì)算，無(wú)法反應(yīng)出巖基的沖刷深度[8]。本文以秦嶺北麓某中小河流治理項(xiàng)目為例，擬采用野外地質(zhì)調(diào)查、工程類比等方法得出巖基的等效中值粒徑參數(shù)，應(yīng)用于公式D.2.2-1以推求出巖基河床沖刷深度，探討跌流沖刷段沖刷深度計(jì)算方法，并將計(jì)算結(jié)果與原型觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為山區(qū)中小河流綜合治理工程勘察、設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)。

1 巖基沖刷深度計(jì)算方法

影響沖刷的因素很復(fù)雜，基巖解體破壞及沖坑的形成和穩(wěn)定，整個(gè)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。由模型試驗(yàn)和部分工程的原型觀測(cè)可得，水流在巖縫中引起的脈動(dòng)壓力及其傳播是造成基巖沖刷破壞的主要外因；而基巖本身的抗沖刷能力，即影響沖刷的主要地質(zhì)因素，構(gòu)成基巖沖刷破壞的主要內(nèi)因。

1.1 影響沖刷的主要地質(zhì)因素

(1) 巖體完整性

巖體完整性主要反映在結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度、結(jié)合程度及主要結(jié)構(gòu)面類型，斷層、節(jié)理裂隙、軟弱夾層等結(jié)構(gòu)面的發(fā)育規(guī)模、頻率、特征及產(chǎn)狀、切割組合程度是影響巖體抗沖刷能力的主要地質(zhì)因素之一。

巖體中發(fā)育有軟弱夾層、斷層等結(jié)構(gòu)面時(shí)，當(dāng)其產(chǎn)狀不利，并相互組合切割形成不利于抗沖刷的塊體時(shí)，可能產(chǎn)生較大塊體的沖刷破壞。若巖體中分布較寬的構(gòu)造破碎帶、節(jié)理密集帶時(shí)，則可產(chǎn)生沿構(gòu)造帶的集中沖刷。

整體狀、塊狀及巨厚層狀巖體，當(dāng)巖石為強(qiáng)度較高的堅(jiān)硬巖時(shí)，其抗沖刷能力較強(qiáng)。完整性較差的破碎結(jié)構(gòu)、碎塊及碎屑結(jié)構(gòu)的巖體，抗沖刷能力較弱，沖刷演化過(guò)程較快。

(2) 巖石的巖性和強(qiáng)度

對(duì)于完整和較完整巖體，堅(jiān)硬的巖石抗沖刷能力強(qiáng)，軟弱巖石抗沖刷能力弱。

(3) 巖體的風(fēng)化、卸荷程度

巖體遭受風(fēng)化后，抗沖刷能力隨之變?nèi)?。一般情況下，同類不同風(fēng)化程度的抗沖刷能力從大到小依次為：新鮮→微風(fēng)化→弱風(fēng)化→強(qiáng)風(fēng)化→全風(fēng)化。強(qiáng)卸荷帶巖體，由于卸荷裂隙發(fā)育密集，普遍張開，并有架空狀態(tài)且多呈整體松弛，因此抗沖刷能力弱。弱卸荷帶巖體相比抗沖刷能力較強(qiáng)。

綜上，當(dāng)沖刷區(qū)巖石堅(jiān)硬、巖體完整、節(jié)理裂隙不發(fā)育且不存在較大的軟弱夾層、斷層及不利切割組合時(shí)，巖體抗沖刷能力較強(qiáng)，沖刷過(guò)程較緩慢，沖刷坑形成后，河床巖體能保持穩(wěn)定，不致危及堤防安全；而在巖石軟弱，巖體風(fēng)化卸荷作用較強(qiáng)，斷層及節(jié)理裂隙發(fā)育地區(qū)，抗沖刷能力差，主河床的沖坑形成速度較快，且容易沿兩岸擴(kuò)展，造成兩岸自然岸坡坡腳沖刷淘空，危及堤防護(hù)坡工程的穩(wěn)定和安全。

1.2 巖基沖刷深度計(jì)算

(1)平流沖刷

水流平行岸坡的沖刷一般發(fā)生在2個(gè)彎道之間的過(guò)渡段或半徑很大的微彎河段，水流斜沖岸坡的沖刷一般發(fā)生在彎道的凹岸的水流頂沖段。根據(jù)公式D.2.2-1順壩及平順護(hù)岸沖刷公式進(jìn)行河道沖刷深度計(jì)算，確定沖刷深度[8]。

水流對(duì)岸坡的沖刷與近岸流速、水深、水流方向與岸坡的夾角、河床組成等因素有關(guān)，其沖刷深度可按下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

公式(1)中：hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m；U為行近流速，m/s；Uc為泥沙的起動(dòng)流速，m/s；n與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取1/4～1/6；η為水流流速分配不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α角查表1采用。

表1 水流流速不均勻系數(shù)

基巖起動(dòng)流速指基巖在水流沖刷作用下不發(fā)生破壞時(shí)的最大水流速度，可采用原型觀測(cè)、模型試驗(yàn)及工程類比等方法確定。對(duì)于破碎、極破碎巖體，實(shí)際工作中常用散粒體模型試驗(yàn)來(lái)模擬巖基的沖刷，同時(shí)可采用簡(jiǎn)化公式進(jìn)行分析計(jì)算，本文采用E.B.依茲巴什散料體起動(dòng)流速公式[9]：

(2)

公式(2)中：K為塊石的抗滑動(dòng)系數(shù)，一般散體、碎裂結(jié)構(gòu)巖體取0.8～1.2，堅(jiān)硬巖體取高值，軟巖及風(fēng)化巖體取低值；rs為塊石容重，kN/m3；rw為水的容重，取10 kN/m3；D為塊石中值粒徑，m，取決于巖體的完整性、節(jié)理裂隙及其發(fā)育程度、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及膠結(jié)情況等。對(duì)于破碎、極破碎巖體可采用野外調(diào)查的方法確定塊石的中值粒徑。

(2)跌流沖刷

山區(qū)中小河流為滿足取水和攔蓄泥沙要求多在河道中設(shè)置低水頭溢流壩(堰)，常采用底流消能的形式，許多年久失修的溢流壩(堰)底流消力池受主流、回流和破浪的沖刷和淘刷破壞，形成沖坑，深度可達(dá)5～6 m，深坑隨時(shí)間由主河床不斷向兩岸擴(kuò)展，危及下游兩岸堤防岸坡穩(wěn)定，使堤角外露懸空進(jìn)而失穩(wěn)坍塌。

經(jīng)沖刷破壞情況的調(diào)查，平流沖刷對(duì)堤防護(hù)岸結(jié)構(gòu)的影響主要集中在凹岸局部沖刷段以及部分深泓貼岸段，造成護(hù)坡基礎(chǔ)的局部懸空以及坡面破壞，影響范圍較小而分散；而沖刷破壞較嚴(yán)重的地方往往集中在溢流壩(堰)下游區(qū)域，常在已破壞的消力池下游形成約3～4 m的沖坑，并向下游主河槽延伸形成數(shù)百米長(zhǎng)2～3 m深的切槽，造成較嚴(yán)重的護(hù)岸工程失穩(wěn)破壞，具體見圖1、2。

溢流壩(堰)下游跌流情況下的沖刷深度用公式(1)計(jì)算出來(lái)的結(jié)果明顯偏小，宜考慮水頭差的影響，筆者引用陳椿庭的水躍消能理論公式[10](公式(3))計(jì)算溢流壩(堰)下游跌流沖刷深度，經(jīng)與原型觀測(cè)對(duì)比，較為合理。沖刷系數(shù)K取決于巖石強(qiáng)度、巖體完整性和風(fēng)化卸荷程度，筆者根據(jù)巖體質(zhì)量等級(jí)將巖基的抗沖分級(jí)劃分為5個(gè)等級(jí)并提出相應(yīng)等級(jí)的沖刷系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)值，見表2。

表2 沖刷系數(shù)K與巖體質(zhì)量關(guān)系經(jīng)驗(yàn)值

t=Kq0.5Z0.25-h

(3)

公式(3)中：t為下游水面至坑底的最大水墊深度，m；q為護(hù)坦海漫末端的單寬流量，m3/s.m；Z為上下游水位差，m；K為沖刷系數(shù)，與河床巖體質(zhì)量等級(jí)和巖體結(jié)構(gòu)類型相關(guān)；h為下游水深，m。

巖體的堅(jiān)硬程度和完整程度劃分可參照GB/T 50218-2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[11]，宜取實(shí)際風(fēng)化巖石試樣的飽和單軸抗壓強(qiáng)度劃分巖體的堅(jiān)硬程度，當(dāng)無(wú)法取得飽和單軸抗壓強(qiáng)度時(shí)，可用點(diǎn)荷載試樣強(qiáng)度換算。應(yīng)取實(shí)際風(fēng)化巖體的完整性指數(shù)劃分巖體的完整程度。經(jīng)原型觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，Ⅳ、Ⅴ巖基抗沖能力主要受巖體完整性控制，受巖塊強(qiáng)度影響較小，相同的抗沖等級(jí)下，當(dāng)巖塊飽和單軸抗壓強(qiáng)度大時(shí)，K值可取較大值。

2 沖刷深度計(jì)算實(shí)例

2.1 工程概況及基本地形地質(zhì)條件

本工程實(shí)例以某中小河流上游5 km巖基河段為研究對(duì)象，野外調(diào)查情況見圖3～6，治理河道平面示意見圖7。治理河道地處秦嶺北麓，關(guān)中平原東南部，河道彎曲，擺動(dòng)較大，縱坡平均比降2.53%，河床基巖裸露，兩岸岸坡高陡，一般為5～10 m，局部岸坡高達(dá)15 m，岸坡地層以洪積砂卵石為主，坡腳基巖裸露。設(shè)計(jì)采用漿砌石擋墻+生態(tài)護(hù)坡方案，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，堤防等主要建筑物級(jí)別為4級(jí)。

以D1+964.00 m為界，治理河道上游巖性為新近系灞河組砂礫巖，下游為元古界千枚巖。經(jīng)室內(nèi)巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，砂礫巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為1.89 MPa，千枚巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為1.31 MPa，均屬于極軟巖。砂礫巖主要發(fā)育層面裂隙，巖體呈塊狀構(gòu)造，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，巖體較完整；千枚巖構(gòu)造及風(fēng)化裂隙密集，結(jié)構(gòu)面錯(cuò)綜復(fù)雜，局部填充中粗砂，膠結(jié)很差，形成無(wú)序小塊和碎屑。

2021年8月至9月，秦嶺北麓工程區(qū)范圍內(nèi)接連發(fā)生多次暴雨，引發(fā)山洪，工程區(qū)內(nèi)河道產(chǎn)生較嚴(yán)重的沖刷下切，同時(shí)造成已建堤防護(hù)岸工程較大范圍不同程度的沖刷破壞，主要集中在凹岸迎流頂沖段、局部深泓貼坡段以及現(xiàn)狀溢流堰下游段。經(jīng)與水毀前自然河道對(duì)比，平流段一般沖刷深度0.4～0.6 m，局部沖刷深度0.5～1.0 m；D4+120.00 m溢流堰下游沖刷影響范圍342 m，沖刷深度1.2～2.8 m，其中起始段及凹岸迎流頂沖段沖刷深度較大，D4+126.00 m斷面一次沖刷深度2.6 m。

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

(1) 計(jì)算工況及參數(shù)取值

本段防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，按實(shí)測(cè)河床斷面及20年一遇水文資料推算出河床行進(jìn)流速和相應(yīng)水深。砂礫巖中值粒徑按《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》風(fēng)化巖石破碎帶取值50 mm，千枚巖中值粒徑根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果(見圖4)，取30～35 mm。

(2) 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)上文公式(1)、(2)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 治理河道上游巖基河段沖刷深度計(jì)算結(jié)果

結(jié)合原型觀測(cè)結(jié)果和表3計(jì)算結(jié)果對(duì)比,一般沖刷深度和局部迎流頂沖段與計(jì)算結(jié)果相近且整體偏小，符合沖刷的時(shí)間效應(yīng)，與洪峰流量未達(dá)到防洪標(biāo)準(zhǔn)也有關(guān)系。D4+126.00 m斷面計(jì)算結(jié)果比原型觀測(cè)結(jié)果明顯偏小，說(shuō)明公式(1)不再適用于跌流沖刷模式。

根據(jù)20年一遇洪水工況，D4+126.00 m斷面單寬流量q為7.6 m3/s，上下游水位差Z為4.1 m，下游水深1.3 m，工程區(qū)河床千枚巖抗沖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，極易沖，取K=1.5。代入公式(3)得出，沖刷深度為4.58 m，計(jì)算結(jié)果是實(shí)測(cè)值的1.76倍，計(jì)算結(jié)果比實(shí)測(cè)值較大，主要原因:一是與沖刷的時(shí)間效應(yīng)有關(guān);二是洪峰流量也未達(dá)到防洪標(biāo)準(zhǔn)。從工程安全的角度，按20年一遇洪水工況取沖刷深度4.58 m設(shè)防是可行的。

2.3 工程應(yīng)用注意事項(xiàng)

結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，巖基沖刷深度公式的計(jì)算和應(yīng)用宜注意以下幾點(diǎn)：

(1) 該治理段河道平均縱坡比降大，河道彎曲，宜根據(jù)和沖刷形式和巖性等因素分段計(jì)算分析并采取不同的沖刷深度確定基礎(chǔ)埋深。

(2) 平流段一般沖刷發(fā)生于河道順直段，一般沖刷深度計(jì)算值0.75～0.88 m，擋墻或格賓石籠固腳埋深可設(shè)為1.0 m；平流段局部沖刷發(fā)生于彎道的凹岸的水流頂沖段以及局部深泓貼坡段，計(jì)算值0.82～1.21 m，擋墻或格賓石籠固腳埋深可設(shè)為1.5 m。

平流段局部沖刷深度約為一般沖刷深度1.2～1.5倍，建議在凹岸迎流頂沖段、深泓貼坡段增加基礎(chǔ)埋置深度并加強(qiáng)護(hù)岸結(jié)構(gòu)本身強(qiáng)度。

(3) 跌流段受沖刷影響較嚴(yán)重，宜加強(qiáng)對(duì)山區(qū)中小河流擋水結(jié)構(gòu)物下游河床及護(hù)坡的防沖措施，增加護(hù)坡基礎(chǔ)埋置深度。必要時(shí)，結(jié)合水力消能的計(jì)算結(jié)果，回填開挖料填平下游沖坑(槽)，并用鋼筋混凝土護(hù)底進(jìn)行防沖加固。

3 結(jié) 論

(1) 山區(qū)中小河流具有地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜、巖性變化大、彎曲、河道縱坡比降較大等特點(diǎn),宜分段分析評(píng)價(jià)計(jì)算,并采取不同的沖刷計(jì)算深度確定基礎(chǔ)埋深。

(2) 平流沖刷可采用公式(1)，當(dāng)存在擋水結(jié)構(gòu)物并在下游形成跌流沖刷時(shí)，宜考慮水頭差的影響，采用水躍消能機(jī)理平衡沖刷公式計(jì)算沖刷深度。

(3) 巖基的巖性、完整性及結(jié)構(gòu)面特征構(gòu)成巖基抗沖能力的內(nèi)因，對(duì)巖基抗沖能力影響非常大，筆者建議采用野外原型巖石觀測(cè)結(jié)合室內(nèi)篩分試驗(yàn)的方法確定巖基d50參數(shù)，以應(yīng)用于公式(1)。

(4) 沖刷系數(shù)K的取值宜根據(jù)巖體的質(zhì)量等級(jí)劃按表2分為不同成的抗沖等級(jí)，采取相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)值。