【摘　要】 河流泥沙及河床变形问题直接关系到跨河建筑物的安全性。南水北调中线工程总干渠要跨越的河流众多，河流的河床组成、河道比降、河流
宽度、行洪流量差异极大，而且河道冲刷对跨河工程的影响方式和影响程度也各不相同；同样，不同规模、型式、布置结构的跨河工程修建后对天然河道
的影响也不同。分析计算各种影响的程度是跨河工程设计的依据。
【关键词】　南水北调中线工程；跨河工程；泥沙
中图分类号：TV67                  文献标识码：B                  文章编号：1000-0860（2005）04-0093-03
                                 Study on sediment of river-crossing works: Mid-route 
                                  of Sorth-to-North Water Transfer Project 
                                           YU Jing-yao ,ZHAO Wen-qing　KANG Li-jian
         (Hebei Reseaech Institute of Investigation and Design of Water Conservancy and Hydropower, Tianjin  300250, China) 
Abstract: The problems of river bed deformation and sediment are directly related to the safety of river-crossing works.  The rivers
with different structures of river bed,channel gradients ,channel widths and flood discharges to be crossed by the main water transfer
channel of the Mid-route of  South-to-North Water Transfer Project  are  many. Furthermore, the impacts from the channel scours on the
crossing works are various as well. However, the impacts from the crossing works  with  different  scales, types and structures on the
rivers are various as well. The analyses and  calculations  made  on various  impacts  are just the bases for the design of the river-
crossing works. 
Key words: Mid-route of South-to-North Water Transfer Project; river-crossing works; sediment
    南水北调中线工程河北段总长461km，总干渠与河道大型交叉建筑物52座，其中渡槽17座，渠道倒虹吸21座，暗涵2座，河道穿总干渠建筑物12座。总
干渠与当地诸多大型河道的交叉建筑物的设计中，对河道河床可能存在的冲刷、淤积及主河槽摆动等变形要素提出要求，为此对河床泥沙及演变规律作了
专题研究。
1  天然河床的不稳定性
    天然河床在行洪期间极不稳定的，其河床的变化主要受到洪水流速的影响，而洪水流速又受河流形状、糙率、行洪流量及紊流状态的综合影响。
    Stoke公式给出了河床临界流速计算方法              （1）
    式中，w是临界流速;ρ代表密度（其中下标 p 和 f 分别代表泥沙和水体）; g 是重力加速度; d 是泥沙颗粒粒径;μ是水体的粘性动力参数。
    当河道流速大于临界流速w时，水流悬沙就输送至下游，即使由于泥沙颗粒组成不均匀，其中颗粒较大的泥沙具有淤积趋势， 但通过滚动性、滑动性
和跳跃性运动,其总体趋势仍向下游推进。
    天然河道总体上为上游比降大，下游比降小，因此定性而言河道中下游在自然状态下一般以河床淤积为主。但在一场大洪水行洪过程中，随着涨水段
流速不断加大和退水段流速逐渐减小，河床必然存在一个由淤积到冲刷，再由冲刷到淤积的变化过程。
    天然河床的不稳定性不仅仅表现为主河槽的冲淤变化，而且对塑造河道形状起到反作用。凸岸河床不断淤积，凹岸河床不断冲刷，河床演变规律总是
造就天然河道的形状蜿蜒曲折。河道在天然状态下的不稳定性提示我们必须认真研究跨河工程的泥沙问题。
2  跨河工程与河床稳定性的相互影响
2.1  跨河工程对河床稳定性影响
    中线工程跨越大型河流的方式主要有倒虹吸、暗渠、渡槽等型式，少量采取河流穿越总干渠的涵洞型式。
    由于中线总干渠地处山区与平原的过渡地带，河流一般没有明确的防洪标准，没有正规的堤防， 没有确定的行洪范围， 无论采取哪一种跨河建筑型
式，从减少水头损失和节省投资考虑都须适当压缩交叉建筑物的长度，从必然缩窄河道行洪断面，也相应改变了该河段的水流状态，对河床的不稳定性具
有加剧的影响。
    倒虹吸工程一般对河道压缩行洪断面较多，当天然行洪滩地较为开阔时对口门附近河道行洪水位的影响有限，但对河道水流状态的影响却不可忽视。
在占据行洪滩地的工程上、下侧都将形成局部旋涡水区，主河槽流速加大并在交叉工程下游呈扩散水流形式，上游还产生程度不等的横向水流和横向水面
比降。
    渡槽工程一般不缩窄天然河床，对河床稳定性主要是受槽墩影响， 交叉断面水流的紊流状态更为显著， 对局部河床的影响更具有不均匀性和不确定
性。从满足河道正常行洪要求考虑，槽墩布设方向应当与主流方向一致，从而避免产生严重改变河流形态的。
    暗渠工程（或浅埋倒虹吸工程）与倒虹吸工程相类似，因受水头或地形条件限制，埋设深度一般较浅，因限制了正常行洪状态秘改变了河道变形的条
件，壅水幅度加大，上下游冲刷加剧，应注意建筑物防护段与自然地形的过渡衔接。
    对当地河流用暗涵（或倒虹吸）穿总干渠的交叉型式，由于总干渠较宽，河流行洪条件改变明显，穿越前后的防淤防冲是关键所在。
2.2  河床不稳定性对跨河工程的要求
    跨河工程设计中既要充分考虑河床不稳定性对工程所带来的长期影响，同时也应顾及建筑物布设对河流形态改变的可能性。
    首先，交叉工程的设计必须保证河道行洪要求，行洪断面的缩窄不能引起河流行洪条件发生显著变化。缩窄行洪断面宽度时不仅要考虑对上游壅水影
响，而且必须考虑到对水流状态的影响。
    其次，交叉工程的设计必须充分考虑河床冲淤要求。在渡槽设计中，槽墩埋深除结构本身要求外还必须考虑防冲刷要求，也应考虑河床淤积可能对行
洪水位的影响；在倒虹吸与暗涵设计中，应重点保证河床冲刷对埋设深度的要求。
    对河穿渠暗涵或倒虹吸型式，应尽可能延长河道下游尾水段，避免倒虹吸段淤积影响南水北调工程安全。
3  研究途径
    针对中线工程在跨越河流时所遇到的泥沙问题，在交叉建筑物设计中利用物理模型、数学模型以及多种冲淤分析方法进行了研究。
3.1  物理模型方法
    物理模型方法是利用水工试验设施，模拟河道自然地形和河床组成条件，通过观测模拟行洪条件下的试验数据，分析河道在实际行洪状态下可能产生
的河床变形。
    物理模型方法的优点很多，但该方法成果的精度受模型比尺影响很大，河道形态变形很大，特别是泥沙颗粒水力指标将发生根本性质变化，将导致试
验成果失真。
    为了取得较为满意的物理模型试验成果，加大了试验场地，加大比尺，并重点对河床宽浅式的滹沱河、唐河等河流与高等院校合作开展的物理模型试
验，为工程设计取得了有较好价值的成果。
3.2  数学模型方法
    泥沙数学模型的基本原理是在求解圣维南方程组的基础上加入与泥沙特性有关的耦合关系式或方程。
    圣维南方程组及其求解方法已有比较成熟的研究成果，只是在方程离散化中可采取多种多样的方法。
    水流连续方程               (2)

    X向水流动力方程        (3)

    Y向水流动力方程        (4)

    Z向水流动力方程                        (5)

    河床演变方程式               （6）

    式中，x、y为空间坐标；t为时间；Z为水位；Z0为床面高程；u、v、w为x、y、z向流速;h为水深；f为柯氏力;Cs为谢才系数；g为重力加速度，γs为
泥沙颗粒相对密度，Cm为浑水保持流体特性的最大含沙量；ρT为平均含沙量；qTx=ρThu, qTy=ρThv。
    反映河床稳定性的条件式为
    床面不冲条件：        （7）
    床面不淤条件：          （8）
    式中，τb为床面切应力；τBb为床面底部浑水的宾亨切应力；τc为泥沙起动引力。河床的冲淤变化不仅与泥沙的起动有关，而且受到浑水的明显影
响。在某些情况下，浑水的影响远大于泥沙起动的影响。
    目前对河道泥沙的演变规律研究和应用相对薄弱。特别是大型河流在高标准洪水行洪期间河床全方位的演变过程难以取得实测资料，因此对于数学模
型的分析成果也就缺乏验证资料。另一方面，中线工程所穿越的河流中河床组成千变万化， 既有以细沙为主的河流， 也有以沙卵石甚至以卵石为主的河
流，显然对不同河床组成的河流应采取不同的理论进行分析。
    通过研究，对河床的冲淤变化分析应采取定性与定量分析相结合的方法，定量分析的精度不能过分苛求，但对河床组成必须认真分析，选择相适应的
理论。南水北调中线工程河北段有8条河流与高等院校合作进行了研究，为工程设计取得了有较好参考价值的成果。
3.3  常规冲淤分析方法
    常规冲淤分析方法是利用天然行洪条件与交叉建筑物布置后的水深和单宽流量的变化， 分析河床冲刷深度等指标，不能分析河床变形情况。
    交通部门分析了一套综合经验公式         (9)
    式中，hpm为冲刷后最大水深；Qp为设计流量；L为建筑物过水长度；hm为冲刷前最大水深，为断面平均水深；为河床平均粒径；μ为水流压缩系数；
E为含沙量系数；A为流量压缩系数。式（9）表明河床最大冲刷深度与流量、过水断面长度、水深、河床粒径、水流压缩情况及水体含沙量有关。该方法
能从总体上把握冲刷特性，避免产生较大误差。
3.4  综合成果
    由多种方法可见，影响交叉建筑物冲刷特性的最主要指标为行洪流量（流速）、河床组成、含沙量，其中河床组成影响最为敏感。对河北省中线工程
大型交叉建筑物的泥沙冲刷进行分析可知，对于河床组成粒径较大的河流最大冲刷深度一般为2～4m，河床组成粒径较小的河流最大冲刷深度可达6～8m。
4  结论分析
    通过对南水北调中线工程河北段大型跨河交叉工程的泥沙演变规律研究，初步得出以下结论：（1）天然河床及布置交叉建筑物后的河流冲淤变化十
分复杂，应采取定性与定量分析相结合的原则，应对不同类型河流规律总结归类，确保分析成果不产生较大偏差；（2）分析河床变形规律的不同研究方
法各有优缺点，尤其物理模型方法成本高，耗时长，物理数模同时进行可以互相验证；（3）目前对河床变形规律的研究还不十分成熟，各种理论之间的
差异也较大，工程设计应选用多种方法相互验证、综合分析后的成果作依据。