[发明专利]一种多土层溃堤的冲刷深度计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及电力行业工程建设技术研究领域，具体为一种多土层溃堤的冲刷深度计算方法。 

背景技术

我国江河众多，河流堤防线长，许多电力输电线路不可避免地需要沿靠河堤或跨越河堤走线。根据《防洪标准》（GB 50201-94）规范，电力工程设计标准多为50年、100年一遇设计标准，而目前我国堤防设计防洪标准多在20年一遇左右，故当发生50年或100年一遇洪水时，堤防有可能发生溃堤的可能。堤防溃口后会产生流速较大的水流，水流对土壤产生冲刷，并形成一定规模的冲刷坑，冲刷坑对工程基础的安全威胁很大，从设计角度出发必须进行溃堤洪水计算，计算出溃堤的水深、流速、冲刷坑的深度和范围等等，以确保电力工程的安全。 

根据实践经验，工程附近堤防是否有溃堤的可能可从以下两方面考虑： 

1）堤防的标准和质量（即堤防的等级）。 

凡防洪标准不高、土质较差、堤身单薄、堤基不良的情况都有溃堤的可能； 

2）堤防迎水面有无台地、台地高程和宽度。 

若台地高程较高，且有一定的宽度，土质抗冲性能良好，可不考虑溃堤的可能；若堤防迎水面无台地，河泓逼近堤脚，迎流顶冲，或堤防迎水面台地较窄、土质差，难以抗拒河床的横向冲刷时，则应考虑溃堤的可能。 

以前的电力工程规程、规范等等未对电力工程附近溃堤计算作明确的论述，2010年中国电力规划设计协会主持编制的《电力工程水文气象计算手册》（简称 计算手册）中作了如下说明： 

1）河道溃堤口门最大单宽流量计算。 

河堤溃决后，其泄流情况与水库溃坝下泄洪水性质相类似其主要区别在于溃口上侧水位变化不同。水库溃坝后其洪水位一般降低不多，甚至维持不变，且负波不明显。为简化计算，兹仍用溃坝最大流量简化公式的形式近似地估算溃堤最大单宽流量，即 

q＝0.91H^3/2    (1) 

式中：q——溃堤口门最大单宽流量，m³/s·m； 

H——溃堤水位下的水头，m；假定堤防瞬时溃决至地面，超设计标准洪水位下的水头H值也可以堤高代入。 

堤防决口的部位不同，对下泄流量的影响也有不同，可用侧堰系数K_c值来订正，即 

q＝0.91KcH^3/2    (2) 

当决口横断面与河水流向平行时，Kc＝0.8～0.9（一般可取0.85）；当决口横断面与河水流向垂直时，K_c＝1.0。当决口横断面与河水流向交角β在0°～90°之间时，可按其角度的正弦值即按sinβ值内插。所以，当河堤决口横断面与河水流向平行时， 

q＝0.91×0.85H^3/2＝0.77H^3/2    (3) 

2）溃堤口门堤下的临界水深计算。 

由于现场实际情况各异，建议按闸下临界水深公式计算，即 

h_K＝(αq²/g)^1/3(m)    (4) 

式中α为流速不均匀系数，通常取α＝1.1。 

若将公式（2）q＝0.91KcH^3/2的值代入上式，则得：当决口横断面与河水流向平行时，h_k＝0.4H；当决口断面与河水流向垂直时，h_k＝0.45H；其它情况，交角β在0°～90°之间时，可按其角度的正弦值即按sinβ值内插， 

h_k＝[(0.45-0.40)sinβ+0.4]H    (5) 

3）堤下冲刷坑最大深度计算。 

河床质一般可分为非粘土和粘土，对于非粘土河床（沙质河床），影响冲刷深度的主要参数是泥沙粒径，包括平均粒径d和泥沙级配等。采用毛昶熙根据紊流力学理论推导的非粘土局部冲刷公式估算冲刷坑最大深度，即