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摘要：油气管道工程在穿越河流时，河流的冲刷深度往往对油气管道的穿越方式和埋深起到决定性作用。确定河流冲刷深度的方法主要包括经验公式法、工程地质分析法、工程类比法以及河工模型试验法，其中以经验公式法应用最为广泛。关于河流冲刷深度的计算，油气管道行业一般参照交通和水利行业有关规范中推荐的公式，各经验公式均有其特定的适用条件。本文以某油气管道工程为例，简要介绍油气管道工程穿越河流时，常用的冲刷深度计算方法，并对不同经验公式的计算结果进行对比分析，为其他类似工程提供借鉴。

关键词：油气管道；穿越河流；冲刷深度；经验公式；计算方法

为防止油气管道在运行期间被河水冲出而造成危险，设计管道埋深往往由穿越断面河流的冲刷深度决定，而河流冲刷深度又与河流的水深、设计洪峰流量、断面尺寸、河床粒径等因素相关。

河床冲刷一般是由于水流条件变化（如水库泄放、洪水等），使河床挟沙力不饱和导致的[1]。顺坡而下的流水将产生垂向的运动分量，流水中急速旋转的涡流，砾砂等颗粒物质不断扰动河床均会造成河床冲刷，此外，溶蚀作用也会加剧碳酸盐类河床的冲刷作用。

确定河流冲刷深度的方法主要包括经验公式法、工程地质分析法、工程类比法以及河工模型试验法，其中以经验公式法应用最为广泛[2]，本文主要介绍经验公式法在某管道穿越河流工程中的应用及分析。

在采取经验公式法计算河流冲刷深度时，首先应收集河流穿越位置处的工程地质、水文地质以及流域水文气象等基础资料，首先根据流域水文资料计算穿越河段的设计频率洪峰流量及洪水位，然后采用穿越河段的勘察测量成果，计算穿越河流的冲刷深度。

1 经验公式

目前工程中常用的河流冲刷深度计算公式主要包括《公路工程水文勘测设计规范》64-1公式（以下简称“64-1公式”）、集中水流冲刷坑Lacey公式、谢鉴衡公式以及包尔达可夫公式等[3-10]。

1.1 64-1公式

该公式是由铁道科学研究院在1964年根据铁路桥梁引起水流和河床泥沙运动变化而建立的，分为粘性土和非粘性土两种情况。根据工程设计断面处的设计水位、流速、流量、河床粒径等，确定河槽冲刷公式中的各参数值，具体公式如下：

（1）非粘性土河槽的一般冲刷公式

1.4 包尔达可夫公式

20世纪30年代包尔达可夫首次建立了桥下一般冲刷经验公式，该公式假定在有底沙运动的河流上，当桥下的流速恢复到建桥以前的天然流速时，冲刷即会停止，过水断面将不再变形。但该公式考虑的边界条件较少，未考虑水流集中冲刷、河床成分、泥沙运动等因素的影响，只适用于平原及山区的稳定河段以及建桥后河流断面局部冲刷深度的计算。

2 工程案例

2.1 河流概况

管道穿越H河断面两岸均有大堤，河道无明显摆动，岸线较稳定。工程穿越断面处存在横向不平衡输沙，其中左岸为淤积岸，右岸为冲刷岸。河床部位主要揭露地层为粉细砂、中粗砂、圆砾，表层粉细砂及中粗砂抗冲性较弱，圆砾抗冲性较强。该河段天然地理位置以及边界条件较好，主流线的平面位置基本保持相对稳定态势。

2.2 水文参数

H河穿越为河流大型穿越工程，设计洪水标准为100年一遇。穿越断面下游约33km设有水文站，采用水文比拟法计算，H河穿越工程断面100年一遇洪水设计洪峰流量为17521m3/s。

2.3 设计水位

根据穿越断面上下游水位站数据，综合考虑穿越位置里程及上下游断面监测参数，采用内插法计算得到工程穿越断面设计水位，H河穿越工程断面100年一遇设计水位为27.90m。依据穿越河段断面数据计算，百年一遇洪水时相应河道内冲刷前最大水深为24.52m，平均水深15.61m，平均流速2.15m/s。

2.4 冲刷深度计算

根据管道穿越河流处的断面概况，不适合采取包尔达可夫公式计算冲刷深度，因此分别采用64-1公式、Lacey公式和谢鉴衡公式计算该工程的冲刷深度，计算结果如下表所示。

3 结果分析

3.1 64-1公式

64-1公式是根据我国各地交通和水利桥梁工程实测资料建立的，实测资料中既有较稳定的河段，也有不稳定的河段，因此该公式的计算结果，既包括桥梁压缩河流引起的冲刷，也包括河槽在天然演变中深泓线摆动形成的集中冲刷和随水位、流量周期变化产生的天然冲刷。

该公式是目前计算河流冲刷深度应用最广泛的公式之一，但是该计算公式只能反映出洪峰时的瞬时冲淤幅度，而不能反映整个洪水过程河道的冲淤变化。

3.2 Lacey公式

从计算结果看，Lacey公式计算的冲刷深度最小，该计算公式的优点是选用参数较少，能体现出洪峰前后的冲淤变化情况，但此公式适用于砂质河床冲刷平衡计算，计算结果往往偏小。

3.3 谢鉴衡公式

谢鉴衡公式是在局部冲刷理论推导过程中，结合河道水流特点和各种土质河床的允许流速实测资料加以整理给出的一个经验公式。从计算结果来看，计算的冲刷深度与64-1公式结果较为接近。

综上所述，根据水文计算与工程地质情况综合分析，并从工程安全的角度考虑，建议H河穿越断面处主河槽最大冲刷深度取2.39m。

4 结论

（1）河床冲刷演变是一个非常复杂的自然过程，目前尚无完全可靠且精确的定量分析计算方法，经验公式法仅适用于一般大中型河流的冲刷深度计算，目前主要是依赖于交通、水利等行业的研究成果，其它的还有《堤防工程设计规范》中提出的水流平行于岸坡时的冲刷深度计算公式[11]，王兆印等人提出的简化公式等，但以上公式考虑的边界条件有限，目前应用较少，可以作为工程参考。

（2）河流冲刷深度的主要影响因素包括河床质组分、设计流量、河槽宽度、水深、河岸整治工程和上下游建构筑物等。河流冲刷深度经验公式是建立在假设边界条件下的数学模型，天然河流流态及环境十分复杂，实际工程分析中，应核实上下游较近的位置是否有水文站，并核实水文站数据的准确性，在综合考虑各公式适用条件的基础上，判断工程实际情况对计算结果的影响，并借鉴当地已有工程经验，选择最终的设计冲刷深度。

（3）针对长江、黄河等干流河道大型穿跨越工程，宜采用河工模型试验确定其河床的冲刷深度，建立与河道几何形状相似、水流运动相似和泥砂运动相似的物理模型，然后进行不同频率水文条件下的冲刷试验，以确定较为准确的河流冲刷深度值，经验公式计算值可作为参照。

参考文献：

[1]王兆印，黄金池，苏德惠.河道冲刷和清水水流河床冲刷率[J].泥沙研究.1998，1：1-11.

[2]田明武，刘艺平，王强，等.挟沙水流床面冲刷深度试验研究[J].人民长江.2016，47（3）：76-78.

[3]白路遥，李亮亮，马云宾，等.穿河管道河床冲刷的改进计算模型及应用[J].人民黄河.2015，37（4）：55-61.

[4]唐万金，王吉祥，杨鸣.某穿越长江输油管道工程中河床冲刷深度计算[J].人民长江.2013，44（6）：59-61.

[5]谢鉴衡.河床演变及整治[M].武汉：武汉大学出版社，2013.

[6]孙浩，孙军，刘彬，等.输油管道穿越河道断面的相关防洪评价分析[J].水资源与水工程学报.2010，21（6）：159-161.

[7]黄金池，王兆印，刘之平，等.水流冲刷与管道埋设[M].北京：中国建材工业出版社，1998.

[8]邵景林，吴忠良，谢秀芹，等.长江南京河段河床纵向冲刷深度厘定方法剖析[J].水文地质工程地质.2002，5：37-42.

[9]戚蓝，汪彭生，韩东，等.穿江输油管道抗浮稳定最小埋深分析[J].天津大学学报（自然科学与工程技术版）.2013，46（4）：328-332.

[10]JTG C30-2015.公路工程水文勘测设计规范[S].

[11]GB 50286-2013.堤防工程设计规范[S].

作者简介：

杨征（1988-），男（汉族），河北唐山人，工程师，硕士研究生，主要从事油气管道穿跨越工程设计工作。