河流泥沙起動流速總結與應用

霍中遷，李甲榮

(江蘇省淮安市水利勘測設計研究院有限公司，223005，淮安)

我國地域遼闊，水利工程涉及的地質情況千差萬別，主要有砂土、黏土、壤土等；河道設計中常常會遇到泥沙河床的河道，而此時河道的沖刷問題就成為首要問題，要想在有限的投資內更好地發揮河道的最大效益，就要對河道斷面進行合理的設計，其中一個控制因素就是河道的流速，而流速取決于泥沙的起動流速。本文分析總結了前人對泥沙起動流速的研究成果，并結合工程實際進行應用取得了很好的效果。

一、工程概況

江蘇朝東圩港河道工程，河道長11.68 km，設計排澇流量為17.4～216.0 m3/s，設計引水流量 105.0～214.0 m3/s。根據河道斷面，河道排澇時流速為0.07 m/s～0.76 m/s， 引水 時 流速為0.51 m/s～0.82 m/s。

根據朝東圩港河道工程地質報告，構成河道邊坡的主要土層有第1、2、3、5-1、5-2、6 層。 1 層為素填土或雜填土；2層為重粉質壤土夾中粉質壤土；3層為重粉質砂壤土夾壤土；5-1層為重粉質壤土夾砂壤土；5-2層為粉質黏土夾黏土；6層為粉砂土。

本工程中主要出現的土層為第1、2、5-2、6 層。第 1、2、5-2 層土質相對較好，穩定性及抗沖性能較強，不用護砌；第6層粉砂，易產生滲透破壞，抗沖刷能力差，且粉粒含量占約30%。

根據《水力計算手冊》，各土層的不沖流速及設計最大流速見表1。

經計算本工程的水力半徑R=1.60～2.20，則 Rα=1.09～1.31。

第6層粉砂的允許不沖流速經計算為：0.13～0.52 m/s。取中間粒徑粉砂的允許不沖流速為0.28 m/s。

根據以上結果，本段河道邊坡及河道底部均為第6層粉砂，均不能滿足河道允許不沖流速的要求，因此需對第6層土采取防護措施。

二、初選河道護砌方案

根據以上結果，需對河道邊坡及河底進行護砌。對護砌材料的選用，從生態學的觀點出發，優先采用生態材料，其次采用混合材料，最后才考慮采用剛性材料。而本工程的6層粉砂抗沖性能差，經分析即使種植草皮也不能完全改善其抗沖性，故生態護坡方案不予采納。

因此，本工程河道斷面的護砌材料分別選用混合材料及剛性材料進行比較，方案1為換填碎石+混凝土框格，方案2為換填黏土+混凝土框格（黏土主要取自2層重粉質壤土），方案3為漿砌塊石護坡，方案4為水泥土護砌，方案5為混凝土混凝土現澆護坡，方案6為聯鎖式護坡磚護砌，各方案主要優缺點詳見表2。

由表2可見，方案1造價適中，該方案采用將6層土表面挖除換填碎石+混凝土框格的護面形式，比較自然、生態，透水性較好，且碎石的抗沖刷能力較強，易滿足河道過流要求，施工時可在坡腳處設倒濾層排水，施工相對簡單，實施風險較小。但考慮到將來河道疏浚時易將碎石帶走，故本方案不予考慮。

方案2利用河道挖出的2層重粉質壤土換填，造價較低，且不影響綠化種植，生態景觀性較好，黏性土的抗沖刷能力較強，易滿足河道過流要求。但回填黏土需進行強降水以保證基坑干燥，影響河道兩岸建筑物的安全使用，實施風險和難度較大。由于是采用上層黏土回填，施工質量不易得到完全保證。故本方案不予考慮。

表1 各土層的不沖流速及設計最大流速

表2 護砌方案比較表

方案3造價較高，且漿砌塊石護坡不能為水生植物的生長、水生動物的繁育和棲息創造良好的生態條件，對改善河道水質的良性循環不利，故也不予考慮。

方案4造價略高，該方案直接利用第6層的粉砂土與水泥攪拌后攤鋪，為12%的20 cm厚水泥土，河底每隔15 m左右設透水隔埂。該方案施工簡便，比較自然、生態，抗沖刷能力強，河底護砌擬采用本方案。

方案5造價偏高，該方案采用C20現澆10 cm厚混凝土護坡，下設7 cm黃砂墊層及一層土工布。由于為全現澆混凝土護坡，生硬呆板，生態性較差。故本方案不予考慮。

方案6造價偏高，采用獨特連鎖設計的連鎖式護坡磚，磚下鋪一層土工布作為反濾層。整個護坡在水流作用下可以具有良好的整體穩定性，同時高開孔率一方面可以起到滲水排水的作用，另一方面起到增加植被面積、美化環境的作用，可以調節河道的生態性。故平臺以下部分護坡采用本方案。

經過初步比選，采用方案4和方案6結合的護砌措施。

三、前人研究成果總結

對泥沙的研究有很多研究方向，而泥沙的起動條件是泥沙研究的最基本課題之一。國內外學者曾進行過大量的研究，取得了很多成果。到目前為止，所提出的無黏性顆粒的起動公式不下百個，但由于各自采用的研究方式的不同、選取的邊界條件的差異、采用的起動標準不同，加上各自實測資料的差異，盡管各自公式基本上都通過了理論分析及實測資料的驗證，但公式在形式及計算結果上也有較大的差異，并且很多差異也無法解釋，之前也很少有學者對這些差異進行分析研究。但是總結多數學者的研究成果，其中也會找到一定的規律，把一些計算結果進行對比分析，也可總結出一些相對統一的成果。

1.不同學者研究成果的統一

泥沙開始運動時的水力學指標一般用剪切力與垂線平均流速來表示，而垂線平均流速一般又有指數型與對數型兩種表達形式。國內學者針對長江上游及川江卵石推移質問題，開展了許多研究，提出了一系列起動流速公式，最終可統一為泥沙起動流速公式：

式中，U為起動流速，d為顆粒粒徑，h為水深，K為經驗系數。

2.對國內外數十種研究經驗數值的總結

雖然國內外研究泥沙起動流速的方法有很大差異，有通過實驗室研究、野外多年觀測總結、計算機模擬試驗等方式，總結出來的公式千差萬別，但經過統一與轉換，可得國內外多種經驗公式，K值一般在3.37～7.86之間，見表3。

從表3可以看出，系數K取值范圍還是比較大的，最大值與最小值之間相差較大。出現這樣大的差異主要原因還是各自所采用的研究方法、選取的邊界條件以及假設條件等不同造成的，所以雖然公式能夠得到基本的統一，但是人們在參考、選用時就很難，選擇參考的不同就會造成結果存在很大的差異性。

表3 起動條件統一公式系數表

3.前人的經驗和建議

①普遍規律：在水力條件、相對暴露度及河床泥沙組成一定時，起動流速隨起動級別的增大而增大；在水力條件、泥沙組成及起動級別一定時，起動流速隨河床表面顆粒暴露度的減小而增大；在水力條件、相對暴露度及起動級別一定時，起動流速隨泥沙組成而變，對同一粒徑級而言，泥沙組成愈粗起動流速越大。

②總結大多數學者的研究結果，同一級配泥沙，起動流速并非一個常數，而是一個區間值，原因是多方面的，但河床表面因素是主要因素。

③在起動標準、水力條件及相對暴露度一定時，非均勻沙顆粒同均勻沙中同粒徑沙相比較，較粗顆粒容易起動，較細顆粒恰好相反，同粒徑顆粒則基本相同，即在同等條件下非均勻沙起動流速比均勻沙小。

④所有外界條件相同時，平順河道及水流穩定區泥沙的起動流速大于其他情況。比如在水面線附近、河道轉彎處、河流交匯口處等，水流條件很復雜，泥沙是否會起動就不單單由順河向的流速決定了，還與其他多方面因素有密切的關系；但是目前，對于整個河流斷面從上至下不同區域的研究還不夠完善，故隨著學者研究的進一步深入，泥沙顆粒起動公式的精度將進一步提升。

四、工程應用

根據前人的研究成果，結合本工程地質情況，將相關數據代入泥沙起動公式進行計算。

結果可知，本河道工程泥沙起動流速比常規方法選擇的起動流速有較大的提高，大約能提高30%，與河道實際流速更接近了。

結合計算結果及前人的研究成果及經驗，經過分析研究，對原設計方案進行進一步的優化：

①本工程河道最北端與長江交匯處，水流條件較復雜，容易形成沖刷，故將河道最北端約1km河道設計斷面加大，河底加寬，邊坡放緩，這樣有效地降低了河道流速，減小了沖刷的可能性。

②由于本工程河道較為順直，河道流速相對平穩，雖然根據計算結果引、排水時流速仍大于河床泥沙的起動流速，但是根據學者的經驗，本河道河床泥沙較為均勻，較不均勻泥沙起動流速將更大，故僅對水位變動區、河坡坡腳以及有支流河口處河坡進行護砌，其他部分不采取護砌措施。

優化設計后與原方案相比，投資節省很多，現在工程已經投入運行2年多，河道邊坡穩定，沒有發生大面積的沖刷問題，運行情況良好，得到了業主的好評。

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