兴宁市罗坝河塘堤加固工程堤顶超高值\堤岸冲刷深度计算详解

摘要：以工程实例数据对堤防工程堤顶超高值、堤岸冲刷深度公式详细分解计算，说明堤防工程的设计的科学重要性。

关键词：工程简介波浪爬高 波浪周期 波长 风壅增水高度冲刷深度

中图分类号：F407.9 文献标识码：Ａ

兴宁市罗坝河塘堤加固工程位于兴宁市刁坊镇内，刁坊镇位于兴宁市东南部，面积58.01km2，工程围内由宁江河中游右岸及樟坑沥回水支堤组成，总长7.9km，围内集雨面积12.4km2，现有耕地0.55万亩，人口1.32万人。全镇工业总产值17135万元，农业总产值16589.48万元。交通便利，有S225线、河梅高速公路及广梅汕铁路等穿过。

一、堤防堤顶超高值计算

该工程的堤顶超高值均按《堤防工程设计规范》(GB50286―98)中的有关公式和有关规定进行计算。

堤顶超高的计算公式为：Y=R+e+A …………(1)

式中Y――堤顶超高(m)；

R――设计波浪爬高(m)；

e――设计风壅增水高度(m)；

A――安全加高(m)。

本工程为不允许越浪的4级 堤防工程，查本规范表2.2.1可知，A取值为0.6m。设计波浪爬高R和设计风壅增水高度e均按本规范附录C中的公式和有关规定进行计算。由于该工程堤线较长，堤的走向变化复杂，故选取工程中较有代表性的堤段进行计算。

(一)、宁江河主堤段(神光沥出口至樟坑沥出口)

该堤段采用护坡式，堤外坡(迎水面)坡比为1：2.0。由于堤线较长，只能选取水深较深，水域较宽的典型断面进行计算。

1、风浪要素的确定

风浪要素的计算公式为：

其中不规则波的波长为

式中――平均波高(m)；

――平均波周期(S)；

V――计算风速(m/s)；

F――风区长度(m)；

d――水域的平均水深(m)；

g――重力加速度(9.81m/s2)；

tmin――风浪达到稳定状态的最小风时(S)；

L――波长(m)。

该堤段中，计算风速V=16m/s，水域平均水深d=8.25米，风区长度F=97米，风向按垂直于堤线计。根据这些已知条件，利用公式(2)可求得波浪的平均高H。

以下用试算法求解波长L

令L=2.46

式子右边=2.46th(51.81／L)=2.46 th(51.81/2.46)

所以式子右边=2.46×1=2.46=式子左边

L=2.46m 即为所求的波长。

小结：

2、波浪爬高计算

该堤段护坡坡比为1:2.0，即m=2.0，接下列公式(6)计算：

式中：Rp――累积频率为P的波浪爬高(m)；

K――斜坡的糙率及渗透系数, 查表C.3.1―1, K=0.80；

KV――经验系数，按无维量V／ 查表C.3.1―2确定；

KP――爬高累积频率换算系数，按表C.3.1―3确定。

对于不允许越浪的堤防，爬高累积频率宜取2%，故 KP =2.07；

m――斜坡频率 m=ctga, a为斜坡坡角,本段堤防中, m=2.0；

H――堤前波浪的平均波高(m)；

L――堤前波浪的波长(m)。

KV的确定：

查表C.3.1―2并用直线内插法可得 KV=1.0428

由以上已知条件并利用公式(6)可求波浪爬高RP

3、风壅水面高度确定

在有限风区的情况下，风壅水面高度按下列公式(7)计算：

式中e――计算点的风壅水面高度(m)；

K――综合摩阻系数，K=3.6×10-6；

V――设计风速，按计算波浪的风速确定；

F――由计算点逆风向量到对岸的距离(m)；

d――水域的平均水深(m)；

β――风向与垂直于堤轴线的法线的夹角(度)。

如前所述 V=16m/s, F=97m, d=8.25m, g=9.81m/s2,β=0°

代入公式(7)，则

综上所述，可求得该堤段的堤顶超高值为：

Y=0.364+0.000498+0.6=0.96(m)

当风向与堤线一定角度时，计算式中的风区长度F取值较大，对结果略有影响，今把计算结果列于下表：

注：表中β角的风向与垂直于堤轴线的法线的夹角。

计算中风速仍取16m/s，安全超高值为0.6m。

（二）支堤樟坑沥段：

选取工程中较有代表性的桩号0+500断面堤段进行计算，今把计算结果列于下表：

当COS=45°时：

二、堤岸冲刷深度计算

（一）、宁江主河道堤岸冲刷深度计算

1、水流平行于岸坡产生的冲刷按下列公式计算

式中：hB ―― 局部冲刷深度（m），从水面起算；

hp―― 冲刷处的水深(m)，以近似设计水位最大深度代替；

Vcp――平均流速（m/s）；

V充――河床面上允许不冲流速（m/s）；

n―― 与防护岸坡在平面上的形状有关，一般取n=1/4。

选择代表性断面进行计算：

hp=7.66m

VCP=1.62m/s

V充=(0.26～0.4R)Rα(河底为细砂)系数取0.3

式中：R ―― 水力半径 R=A/X=5.99m

α―― 一般取 1/3 ～ 1/5

现就α取 1/3 和1/5两种情况分别计算冲刷深度

Δh (Δh=hB-hp)，如表 ― 1

表 ― 1

2、水流斜冲防护岸坡产生的冲刷按下式计算

式中：Δhp ――从河底算起的局部冲深（m）；

α ―― 水流流向与岸坡交角（度）；

m ―― 防护建筑物迎水面边坡系数；

d――坡脚处土壤计算料径（cm）；

vj――水流的局部冲刷流速（m/s）,对无滩地河床，vj可按下式计算：

vj=Q/（w-wp）

式中：Q ――设计流量（m3/s）,（选代表性断面桩号24+150，Q=961m3/s）；

W――原河道过水断面面积（m2），W=549.34m2；

Wp――河道缩窄部分的断面面积（m2），Wp=0 m2；

vj=1.75m/s

那么：

=0.55m

式中：α=65°,m=2.0 ,d=0.05cm(中细砂)

（二）、支流堤岸冲刷深度计算

支流堤岸冲刷深度计算按水流平行于岸坡的冲刷公式进行，同理选择代表性断面：

式中：hB――局部冲刷深度（m）,从水面起算；

hp――冲刷处的水深（m）,以近似设计水位最大深度代替；

VCP――平均流速（m/s）；

V充――河床面上允许不冲流速（m/s）；

n―― 与防护岸坡在平面上的形状有关，一般取n=1/4。

其中：

hp=5.86m

VCP=2.82m/s

V充=(0.26～0.4R)Rα(河底为细砂)系数取0.3

式中：R ―― 水力半径 R = A/X = 3.1 m

α―― 一般取 1/3 ～ 1/5

现就α取 1/3 和 1/5两种情况分别计算冲刷深度

Δh (Δh=hB-hp)，如表 ― 2

表 ― 2

通过计算及综合考虑，干堤堤脚埋深按1米计，樟坑沥支堤堤脚埋深按0.6米计。

以工程实例数据对堤防工程堤顶超高值、堤岸冲刷深度公式详细分解计算，说明堤防工程的设计的科学重要性。

参考文献：

1，《堤防工程设计规范》(GB50286―98)

2、《兴宁市2010年统计年鉴》

3、《兴宁市罗坝河塘堤加固工程初步设计报告》