黃河游蕩性河床大跨越縱向沖刷深度的確定

【摘 要】2008 年我國(guó)南方冰災(zāi)對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)安全運(yùn)行造成極大的危害，輸電線路發(fā)生大面積倒桿(塔)、斷線(串)事故，原因之一是輸電線路冰風(fēng)荷載大大超過國(guó)家規(guī)定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。介紹了我國(guó)現(xiàn)行的覆冰區(qū)送電線路標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)分析了我國(guó)目前常見的冰區(qū)劃分及冰厚訂正方法。建議應(yīng)針對(duì)此次電網(wǎng)冰災(zāi)認(rèn)真分析、調(diào)查地區(qū)線路受損情況，因地制宜選擇冰區(qū)劃分方法及訂正系數(shù)，在此基礎(chǔ)上合理提高輸電線路抗冰設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

【關(guān)鍵詞】灘槽劃分；單樁沖刷；局部動(dòng)床模型；縱向沖刷

Large across the Yellow River meandering riverbed scour depth to determine the vertical

Xi Zhan-sheng

(State Nuclear Electric Power Planning and Design Institute Beijing 100094)

【Abstract】2008 ice storm in southern China， the safe operation of the local power grid caused great harm， transmission lines， a large area down pole (tower)， break (string) accident， one of the reasons is the transmission line ice far exceeding the national wind load design the standard. Describes the ice cover our current standards of transmission lines， the focus of our current common ice thickness and ice into the revised methodology. The grid should be recommended for careful analysis of ice storm， the areas surveyed line damage， according to local conditions and select the method of ice into the revised coefficients based on the reasonable increase in anti-ice transmission line design standards.

【Key words】Beach tank division;Pile erosion;Local fixed-bed model;Vertical erosion

通過對(duì)河道設(shè)計(jì)流量、流速、泥沙、河床演變研究，采用二維水沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算以及河工動(dòng)床模型試驗(yàn)，開展設(shè)計(jì)洪水條件下的桿塔沖刷計(jì)算與分析，為大跨越桿塔基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供科學(xué)合理的數(shù)據(jù)。

1. 引言

為保證在發(fā)生設(shè)計(jì)洪水時(shí)線路塔基的安全，必須保證塔基基礎(chǔ)有足夠的埋置深度，以免因水流沖刷而遭到破壞。塔基沖刷深度的確定是分析塔基最小埋置深度、基礎(chǔ)安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要內(nèi)容。

國(guó)內(nèi)外已有不少?zèng)_刷計(jì)算公式，都是在一定水力模式的基礎(chǔ)上，根據(jù)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料建立的，具有一定的局限性。在實(shí)際工作中，應(yīng)結(jié)合河流的具體情況，判斷公式計(jì)算結(jié)果的可靠性，然后確定采用值。

本文根據(jù)黃河多年的斷面、流量、水位、流速、河槽演變實(shí)測(cè)及研究資料，利用半經(jīng)驗(yàn)半理論公式分析計(jì)算單樁縱向沖刷深度，為了驗(yàn)證和補(bǔ)充，利用局部動(dòng)床模型試驗(yàn)，分析塔基沖刷的深度及沖坑形狀。與理論計(jì)算和資料分析結(jié)果相比較，最終確定出不同位置的縱向沖刷深度，為塔基基礎(chǔ)埋深提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2. 跨越斷面水文情勢(shì)

黃河中下游河無定槽，河勢(shì)多變，屬典型的游蕩性河道。設(shè)計(jì)洪水條件下主槽、淺灘和高灘水沙情勢(shì)變化復(fù)雜。大跨越斷面黃河主槽段寬約3.0 Km，漫灘段寬約5.0 Km，兩岸大堤間距7.8 Km，方案確定主塔基2個(gè)，灘地塔基10個(gè)。

跨越斷面的水沙變化對(duì)斷面的沖淤變化起決定性的作用，根據(jù)上游水利工程情況，小浪底水庫是控制黃河下游水沙的關(guān)鍵工程，水庫運(yùn)用分初期攔沙運(yùn)用和后期正常運(yùn)用兩個(gè)階段。初期采取“攔沙、調(diào)水調(diào)沙”運(yùn)用，逐步抬高主汛期水位，攔粗排細(xì)，同時(shí)進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙。當(dāng)攔沙庫容淤滿后，在2050～2054年水庫進(jìn)入正常運(yùn)用期，利用其調(diào)水調(diào)沙庫容進(jìn)行泥沙多年調(diào)節(jié)，改善出庫水沙關(guān)系減少下游河道淤積。根據(jù)測(cè)算，下游河槽沖刷量最大的年份發(fā)生在2014年。現(xiàn)狀、2014年和2054年不同沖淤斷面的各重現(xiàn)期流量、水位見表1。

根據(jù)歷史實(shí)測(cè)流速資料，主槽最大點(diǎn)流速5.22m/s，相應(yīng)最大垂線平均流速4.37m/s，相應(yīng)斷面平均流速2.54m/s；灘地最大表面流速1.80m/s，相應(yīng)最大垂線平均流速1.62m/s。含沙量主槽遠(yuǎn)大于10Kg/m 3，灘地一般小于10Kg/m 3。

3. 規(guī)范推薦公式適用性分析

我國(guó)把塔基引起河床的縱向沖刷過程分解為自然（演變）沖刷、一般沖刷和局部沖刷三部分，假定它們獨(dú)立地相繼進(jìn)行，分別計(jì)算，疊加值作為塔基的最大沖刷深度，以此作為基礎(chǔ)埋深的依據(jù)。

3.1 自然（演變）沖刷和塔基本身無關(guān)，它是河床隨水流和泥沙特性自然演變的過程和結(jié)果。游蕩性河床主槽變動(dòng)頻繁，灘地沖淤不定，一般根據(jù)歷史河勢(shì)變遷情況，結(jié)合水利工程影響預(yù)測(cè)槽、灘演變范圍，給出明確的主槽與灘地的界線，將自然（演變）沖刷深度分為主槽和灘地（又分為高灘和低灘）兩部分，根據(jù)預(yù)測(cè)的沖淤變化分別取值。其精度取決于對(duì)歷史資料的掌握及河床演變趨勢(shì)分析的科學(xué)性和研究深度。

3.2 上游水流，急速地集中流入線路大跨越塔基，在稍下游處形成收縮斷面，形成過水面積減少，流速加大，由此引起的沖刷稱為一般沖刷。對(duì)非粘性土，國(guó)內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范推薦64－2簡(jiǎn)化式及64－1修正式計(jì)算河槽的一般沖刷，使用64－1灘地沖刷公式計(jì)算非粘性土灘地一般沖刷。

現(xiàn)行規(guī)范給出的半經(jīng)驗(yàn)半理論沖刷一般公式依賴于河道設(shè)計(jì)斷面，而黃河游蕩性河段實(shí)測(cè)斷面因沖淤幅度大，槽灘劃分很難有較為清晰的標(biāo)準(zhǔn)，沒有反映水力、泥沙因子的影響，計(jì)算參數(shù)的選取任意性或人為性較大，使得不同公式計(jì)算的結(jié)果有較大偏差，并不適用多沙河流尤其是黃河游蕩性河段。其結(jié)果僅能作為參考。

3.3 立于河床中的塔基，經(jīng)受著河段斷面的一般沖刷，同時(shí)，塔基阻擋水流，水流在塔基兩側(cè)繞流，形成十分復(fù)雜的、以繞流漩渦體系為主的繞流結(jié)構(gòu)，引起塔基周圍急劇的泥沙運(yùn)動(dòng)，形成局部沖刷坑，稱為局部沖刷。

國(guó)內(nèi)規(guī)范推薦采用65－1修正式和65－2修正式計(jì)算非粘性土河床的局部沖刷，其結(jié)果主要和泥沙起動(dòng)流速和塔基前的水深有關(guān)，其水深和流速都是采用一般沖刷后的水深和流速。盡管利用塔基尺寸資料能反映建設(shè)后的局部影響，但這類公式所選用的泥沙起動(dòng)流速都是靠水槽實(shí)驗(yàn)資料率定的，結(jié)果明顯比黃河實(shí)際起動(dòng)流速小，使計(jì)算的沖刷深度偏大很多，切反映不出一般沖刷深度較大時(shí)局部沖刷深度應(yīng)較小的規(guī)律，存在概念上的缺陷。

根據(jù)斷面水文情勢(shì)計(jì)算一般和局部沖刷的結(jié)果，計(jì)算公式的結(jié)果相差較大，給設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的選取帶來較大的困難，不能給出準(zhǔn)確合理的設(shè)計(jì)值。

4. 水工動(dòng)床模型試驗(yàn)

因公式計(jì)算的上述不完善，必須進(jìn)行模型試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證，確定設(shè)計(jì)值。

因公式的不適宜性，水工動(dòng)床模型試驗(yàn)是研究和驗(yàn)證洪水通過條件下，塔基附近河段水流流態(tài)和河床變形的重要手段。

塔基水工動(dòng)床模型試驗(yàn)是以黃河設(shè)計(jì)淤積演變情況下及塔基建筑物為原型，根據(jù)相似理論縮制成模型，放水進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量設(shè)計(jì)點(diǎn)位沖淤變化的研究。它可預(yù)演未來，重演歷史的各種原型洪水等水力現(xiàn)象和變化過程，觀察和量測(cè)各項(xiàng)水力因素和河床變形，進(jìn)行分析研究。

模型實(shí)驗(yàn)的目的是以模型的水流及河床變形來推算原型的水流及河床變形，所以要求兩者必須是相似的，即兩者必須具有一定固定的比例關(guān)系，并能相互換算得到對(duì)應(yīng)的水力要素。本次試驗(yàn)的目的是研究沖淤變形為主，采用正態(tài)動(dòng)床模型。因?yàn)榫植繘_刷坑中，水流流速的大小和方向沿程發(fā)生急劇變化，慣性力占有十分重要的地位，所以局部正態(tài)模型必須保證水流的重力相似條件。

模型和原型應(yīng)做到幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似，對(duì)于動(dòng)床模型試驗(yàn)，重點(diǎn)要考慮泥沙起動(dòng)條件相似、輸沙量相似和輸沙連續(xù)性條件（河床變形時(shí)間）相似，為保證紊流狀態(tài)、水流表面張力的相似，對(duì)最小水深、水力半徑和流速等有嚴(yán)格的要求。

黃河游蕩性的特大型河流，采用動(dòng)床河工模型試驗(yàn)確定其河床縱向沖刷深度，是目前公認(rèn)的可靠方法。該試驗(yàn)首先對(duì)河床邊界條件進(jìn)行假定:0m 標(biāo)高岸線以上與護(hù)岸工程部位是不可動(dòng)邊界，其余河床為可動(dòng)邊界。并建立與河道幾何形狀相似、水流運(yùn)動(dòng)相似和泥砂運(yùn)動(dòng)相似的物理模型。然后進(jìn)行不同頻率水文條件下的沖刷試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，需要進(jìn)行水面線、流速分布、表流跡線與河床變形等項(xiàng)目驗(yàn)證，當(dāng)驗(yàn)證誤差小于某一數(shù)值時(shí)，才認(rèn)為試驗(yàn)合理，繼而轉(zhuǎn)入今后100 年一遇、300 年一遇等大洪水的模擬沖刷試驗(yàn)。由于該試驗(yàn)采用了相似模型和驗(yàn)證手段，故所確定的河床縱向沖刷深度，較之用半經(jīng)驗(yàn)公式法(對(duì)中小型河流，目前一般采用公式法計(jì)算其沖刷深度) 計(jì)算的縱向沖刷深度，要合理、準(zhǔn)確。

根據(jù)相似理論擬定的模型比尺，地形和河床一定長(zhǎng)度各橫斷面資料算出模型的各種尺寸，并在試驗(yàn)場(chǎng)上進(jìn)行模型放樣和施工制作。但是模型河床的水力粗糙度是難以直接根據(jù)糙率比尺做成的，要達(dá)到阻力相似需要的模型表面糙率，必須通過模型驗(yàn)證試驗(yàn)，進(jìn)行模型表面糙率修正來實(shí)現(xiàn)。

本次局部沖刷試驗(yàn)主要研究五十年一遇和設(shè)防流量條件下的主槽塔基沖坑形態(tài)及沖刷深度。如前所述，2014年地形是小浪底水庫攔沙運(yùn)用末期，主槽沖刷最為嚴(yán)重，因此，主槽試驗(yàn)初始地形采用2014年地形。2014年地形主槽塔基沖刷結(jié)果見表2。

綜合歷史實(shí)測(cè)資料成果及整體模型試驗(yàn)成果，五十年一遇洪水的單寬流量約34m 3/s#8226;m（原型，下同），設(shè)防洪水條件下，單寬流量約為45m 3/（s#8226;m）。塔基承臺(tái)頂部高程采用由設(shè)計(jì)單位提供的2054年50年一遇洪水水位，即84.36m，見表3。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一種塔基形式，塔基局部沖刷坑形態(tài)、沖刷深度主要取決于兩方面因素：?jiǎn)螌捔髁康拇笮。ɑ蛄魉伲┖蛠砹鞯姆较?。?/p>

由表3看出，流量較小時(shí)，水流方向與塔基軸線的夾角對(duì)塔基局部沖刷的影響較小，塔基局部沖刷主要是由樁群繞流形成的，沖坑主要在樁群周圍，最大沖深點(diǎn)位于樁群附近；而流量較大時(shí)，水流方向與塔基軸線的夾角對(duì)塔基局部沖刷的影響就非常明顯，其原因主要是，流量增大后，一方面水流行進(jìn)流速、紊動(dòng)擴(kuò)散作用顯著增大，另一方面塔基下方樁群陣列整體結(jié)構(gòu)對(duì)水流的影響相對(duì)增強(qiáng)，致使沖坑形態(tài)、最大沖深點(diǎn)位置相對(duì)小流量時(shí)發(fā)生較大變化，沖坑范圍、最大沖深也明顯增大。

另外，綜合分析上述試驗(yàn)結(jié)果還得出，對(duì)于主塔來說，水流方向與塔基軸線夾角為45°時(shí)塔基的局部沖刷范圍、沖深均較小，因此，將主塔布置成這種形式最為有利。從不利的結(jié)果看，五十年一遇塔基的最大沖深10.41m，相應(yīng)最大水深17.25m；設(shè)防流量條件下，塔基最大沖深14.50m，相應(yīng)最大水深21.98m。

灘地塔基發(fā)生沖刷最不利的沖刷條件是，在現(xiàn)狀地形條件下再發(fā)生大洪水。根據(jù)整體模型試驗(yàn)（2004年地形施放不同頻率洪水）結(jié)果，得出灘地的流速分布及相應(yīng)的單寬流量，在不同單寬流量作用下，試驗(yàn)得出低灘和高灘、直線塔和角塔的塔基沖刷結(jié)果，見表4，表5。

5. 結(jié)論和建議

給出了游蕩性河床縱向沖刷深度確定的方法，也為驗(yàn)收專項(xiàng)沖刷分析專題報(bào)告提供了思路。

必須綜合考慮歷史演變、實(shí)測(cè)資料和水利工程調(diào)度運(yùn)行對(duì)下游河床變形引起的影響進(jìn)行分析各時(shí)期斷面情況，用分析資料采用公式進(jìn)行縱向沖刷深度計(jì)算。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析公式的適用性，選取較合理的數(shù)值。

因河床斷面、水沙條件變化范圍大，河床糙率男確定，實(shí)驗(yàn)前要用模型本身進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，在相似條件下并進(jìn)行模型驗(yàn)證后，試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可作為設(shè)計(jì)重要依據(jù)。

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［文章編號(hào)］1619-2737（2011）10-14-288