哈尔滨越江隧道工程河床极限冲刷深度计算与分析|河床最大冲刷深度
摘?要 通过分析判断老头弯附近河床的极限冲刷深度，确定深槽最低点高程。主要是针对100年一遇和300年一遇特大洪水过程情况下，进行河床极限冲刷深度的计算与分析。 关键词 哈尔滨；越江遂道；冲刷
中图分类号 TB72 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)072-0156-01
1 概述
拟建的哈尔滨越江隧道位于松花江哈尔滨市区段公路桥至滨洲桥之间老头弯附近，于南岸经纬街穿越江道。为确定江道中隧道顶高程，需进行河床极限冲刷深度的计算与分析。
松花江哈尔滨市区段为典型的冲积性平原河流，枯水期为单一河道，主江道紧贴南岸市区，宽度为1000 m左右，洪水期（流量大于4000 m3/s），河道分为两汊，太阳岛北汊存在一分流，北分流随流量增大而增大。多年来，南侧主江道被限制在两岸堤防工程之间，河床横向变形很小，河床冲淤趋向平衡，总体河势稳定。随着近年来太阳岛上侧月亮湾和上坞围堤的建成，公路桥以下的河势稳定态势得到进一步的保证。
越江隧道所处的老头弯附近主江道，在不同的来水来沙条件下，河床仍有一定的冲淤变化，总的规律是年内冲淤主要在洪水期及其退水期，河道流量4000 m3/s以下，水流造床作用很小，河床基本上不发生变化；年际间规律是丰水年变化幅度较大，以冲刷为主，少水年变化幅度较小，以淤积为主，近20年来的江床实测地形资料充分反映这一特征。根据1985年以来实测江床地形，选择越江隧道附近3个断面，进行断面地形对比，可以发现，1991年、1998年为大洪水年，江床冲刷程度最为明显，深槽范围扩展，高程降低，而其它少水年份，江床地形变化很小。并且江床冲刷主要是在洪水及其落水期，枯水期江床又有所回淤。98年洪水（接近百年一遇洪水）期间，老头弯附近江床大幅冲深，10月地形与7月地形对比，江床平均冲深近2 m，最大冲刷处位于主江道左侧枯水期边滩，最大冲刷幅度5 m左右，南侧深槽底部冲刷幅度为3 m左右，最低高程为103 m左右，而99年7月测图反映深槽则有所回淤。
对于越江隧道工程而言，最重要的是判断老头弯附近河床的极限冲刷深度，确定深槽最低点高程。由上述分析可知，江床极限冲刷情况主要是在特大洪水年中出现，因此，本项工作主要是针对100年一遇和300年一遇特大洪水过程情况下，计算分析老头弯附近的江床极限冲刷深度。
2 计算方法
2.1 基本概况
松花江为少沙河流，河床地形变化主要是由推移质泥沙运动所造成，因而根据推移质泥沙输沙原理计算特大洪水过程中的河床变形。
由河床变形理论，相邻两个断面之间的河床变形与输沙量有如下关系：
ΔGs·Δt=γ"·Δz·B·L
式中：ΔGs—进出相邻两个断面泥沙输移量的差值；
Δt—河床变形时间（本项计算考虑整个洪水期及其退
水期）；
γ"—河床冲淤体的容重；
Δz—计算段河床平均冲刷深度；
B—河宽；
L—相邻断面之间的河段长度。
输沙量Gs是按底沙输沙率在河宽方向的累积而求得，即：
Gs=Σbi·gsi
式中：bi—计算断面上沿河宽方向的单元宽度；
gsi—各单元宽度中的推移质输沙率。
推移质输沙率选用以下标准形式的公式
式中：d—推移质泥沙粒径，对于本江段d=0.26mm；
ui—计算断面沿河宽方向上各点流速；
u"c—泥沙颗粒止动流速，可按计算；
hi—计算断面沿河宽方向上各点水深；
k—待定系数，由验证计算确定。
2.2 计算过程与条件
首先针对1998年特大洪水情况，进行河床冲刷的验证计算，确定待定系数，然后推算特大洪水情况下的江床极限冲刷深度，由于1998年洪水接近100年一遇洪水，无需重复计算，因而只需计算300年一遇洪水情况下的河床极限冲刷深度。
根据1998年洪水实测资料和水利部门确定的设计洪水特征值，计算资料见表1。
表1 哈尔滨河段洪水特征值统计表
2.3 验证计算
验证计算依据资料是1998年7～10月实测水文、地形资料，根据哈尔滨水文站资料，点绘出1998年流量过程线，将7～10月间的洪峰流量过程划分为3个流量级，针对断面2-2和断面3-3之间的河床冲刷变化，分级进行验证计算，其中断面流速分布采用南京水利科学研究院河工模型试验的测量数据。
通过反复验证，调整输沙率公式的待定系数，最终取k=4.7，计算得断面2-2和断面3-3之间冲刷量为49.4万m3，由实测地形
的对比分析，1998年7月～10月期间，两断面实际冲刷量为48.6万m3。由此可见，河床冲刷量计算值略大于实测值，计算结果偏于安全，同时表明所采用的计算方法基本可行。
3 极限冲刷计算结果
300年一遇设计洪水流量过程线，同样将2000 m3/s以上流量过程划分为四个流量级，针对断面1-1、2-2、3-3三个断面进行河床冲刷变形计算，断面流速分布仍采用南京水利科学研究院河工模型试验测量数据。
计算结果见表2，从中可见，在300年一遇洪水过程后，老头弯越江隧道附近河床平均冲刷深度为2.6 m，与100年一遇洪水情况相比，冲刷量增加31.7%，平均冲刷深度增加0.7 m，最大冲刷部位仍是主江道深槽左侧的枯水边滩，冲刷幅度可达4.35 m～6.80 m。
深槽右侧最深点的冲刷幅度在2.60 m～4.35 m，最低高程约为
101.9 m。