某750 kV架空輸電線路工程跨河沖刷計算

董 軍，胡進寶

（中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西西安710032）

0 引言

隨著我國經濟的高速發展和“西電東送”等國家戰略的實施，高壓和特高壓輸電線路的建設必不可少。輸電線路一般距離較長，不可避免地要跨越河流，當跨越一些較寬的河流時，需要在河道或者河灘地立塔。位于河道的桿塔將占據部分行洪斷面，對河道的行洪會產生一定的影響[1-3]。桿塔建成后由于河道水流過水斷面減小，會形成雍水，產生沖刷反過來影響桿塔的安全[4-5]，所以在河道上修建桿塔等構筑物，必須考慮河流的天然沖淤情況及因構筑物對水流影響而導致的沖淤情況。本文使用《公路工程水文勘測設計規范》中的沖刷計算公式，結合工程實例，對架空輸電線路跨河河道沖刷問題進行研究，旨在為類似工程項目提供參考依據。

1 沖刷計算公式

沖刷主要分為天然沖刷、一般沖刷和局部沖刷3種情況[6-7]。

一般沖刷是指水流受到壓縮后，有效過水斷面面積減小和流速增大而引起的在河槽過水斷面上發生的沖刷，這種沖刷不同程度地分布在整個斷面上。隨著沖刷的發展，工程所在處河床加深，過水面積加大，流速逐漸下降，待達到新的水沙平衡狀態，沖刷即停止。

局部沖刷是由于桿塔或橋墩等阻礙了水流，被阻水流在構筑物周圍以強烈的渦流形式與床面泥沙發生作用，因而在構筑物周圍，特別是迎水面附近產生沖刷坑，使構筑物所阻水流自身結構發生變化，挾沙能力也隨著沖刷坑的加深和加大而減小。

1.1 一般沖刷計算

建在河灘上的輸電線路或跨河支架的沖刷計算，要注意調查河灘能否變成河槽或河槽是否可能擴寬和擺動。對于可能變成河槽的河灘，其河灘跨度內應按河槽沖刷設置桿塔或支架基礎；如確定無改變為河槽的可能時，應按河灘沖刷公式計算[8-9]。《公路工程水文勘測設計規范》中橋下一般沖刷的計算公式如下。

河槽部分一般沖刷計算公式為

河灘部分一般沖刷計算公式為

其中，hp為一般沖刷后的最大水深，m；A為單寬流量集中系數；QP為河槽部分通過的設計流量，m3/s；L為橋孔凈寬，m；hmax為最大水深，m；h為平均水深，m；μ為水流壓縮系數，指構筑物側面因漩渦形成滯流區而減小過水斷面的折減系數；E為與含沙量有關的系數；B、H分別為造床流量時的河寬和平均水深，m，可按滿槽（平攤）水位計算；為河床土壤平均粒徑，mm；Vh1為河灘水深1 m時非黏性土不沖刷流速，m/s。

1.2 局部沖刷計算

當V≤V0時

文化消費在社會經濟活動中發揮著重要作用，經過調查顯示，我國多數農村文化消費失調，結構單一，消費觀念以及消費方式也相對落后，這就促使農村文化消費水平較低。當下，隨著農村經濟社會的逐漸發展，農村生活水平逐漸提升，文化消費占據的比例也逐漸發生變化，擁有更多居民開始關注文化消費，借助文化消費促使自身生活質量得到有效提高。

當V＞V0時

其中，hb為局部沖刷深度，m；Kζ為墩形系數；Kη1為河床土壤粒徑影響系數；b1為橋墩計算寬度，m；v為一般沖刷后的垂線平均流速，m/s；v0為河床泥沙啟動流速，m/s；為墩前始沖流速，m/s；為河床土壤平均粒徑，mm。

2 工程實例

2.1 背景介紹

喀拉喀什河發源于昆侖山和喀喇昆侖山，河流全長808 km，流域面積26 600 km2，多年平均徑流量21.9×108m3，平均流量68.2 m3/s。該河徑流年內（水文年）分配比例為春季9.75%、夏季73.20%、秋季13.43%、冬季3.62%。洪水以融雪洪水為基本類型，與氣溫等熱量因素關系密切，與持續高溫時間密切相關，流域降水集中在汛期的6月—8月內，它與融雪型洪水形成較大的混合型洪水。該河實測最大洪峰流量1 420 m3/s。根據烏魯瓦提水文站觀測1975年—2000年共26 a連續觀測統計的洪峰流量計算，頻率為1%的設計洪峰流量為1 600 m3/s。喀拉喀什河有25 a封凍記錄，平均封凍天數99 d，最大封凍天數122 d。一般11月中旬進入初冰期，次年3月開始解凍，最大河心冰厚1.18 m，最大岸邊冰厚1.06 m。

烏魯瓦提水利樞紐工程位于和田河西支流喀拉喀什河中游河段出山口處，壩址以上集水面積19 983 km2。本工程是一項具有灌溉、防洪、發電、改善生態等綜合效益的大（二）型水利樞紐，大壩、泄洪排沙洞、溢洪道等主要建筑物按二級建筑物設計。水庫設計重現期為100年一遇洪水，校核重現期為2 000年一遇洪水加15%的安全保證值。

2.2 線路跨越情況

某750 kV輸電線路從和田750 kV變電站出線后向西走線，在和田縣郎如鄉艾格勒村跨越喀拉喀什河，跨越點位于烏魯瓦提水庫下游約56 km處，跨越處主河道寬約400m，右岸一級階地寬約600 m，階地高出河漫灘1m左右，岸邊無防洪堤。因河谷較寬，需在右岸一級階地立塔，塔位距離河道約50 m，現種植有果樹。因塔位處高程僅比主河道高1 m，且主河道河床不規整，水流較紊亂，發洪水時，河道容易向塔位方向侵蝕和沖刷，塔位處可能演變成主河道，故應按照河槽考慮計算沖刷。從塔位與喀拉喀什河的相對位置可以看出，從2003年到2009年，塔位上游的主河道不斷向右岸靠近且逼近村莊，從2009年到2014年，靠近村莊一側修筑了防洪堤以阻止河道向右岸侵蝕，但塔位處無防洪措施，生態較為脆弱，當發生洪水時，洪水有可能通過不斷向右岸侵蝕而使塔位處演變成主槽，故在計算沖刷時應按照主槽水力條件計算。

2.3 沖刷計算

輸入參數的確定。

a）設計流量。根據烏魯瓦提水庫發生100年一遇洪水時的下泄流量，再加上烏魯瓦提水庫至線路跨越處的區間流量計算得到。

b）河道比降。根據測量人員現場實測數據計算得到。

c）水位、最大水深、平均水深。根據測量人員現場實測的斷面和比降，使用工程水文氣象分析計算制圖系統（EHP2.0）計算得到。

d）河床土壤平均粒徑。現場使用篩分法做土壤顆粒分析，結果如圖1所示。

圖1 土壤顆粒級配適線圖

輸入參數和計算結果如表1所示。

表1 沖刷計算輸入和輸出參數

2.4 影響沖刷深度的因素分析

河道沖刷計算涉及的參數眾多，且各因素對計算的影響也不甚相同，計算時有一些參數并非完全確定。例如，對于某一確定的河流和斷面，當計算重現期確定時，流量等參數已經確定，但粗糙率取值不同將影響斷面的洪水位和流速，計算得到的沖刷深度也不同。在實際工程運用時，了解沖刷深度對參數的敏感性尤為重要，在沖刷計算時重點計算較為敏感的參數，可以在保證計算結果精確的前提下提高工作效率。

為了研究影響沖刷計算的因素及各因素的敏感性，選取河床土壤平均粒徑、塔基直徑、最大水深、平均水深和斷面平均流速5個因素來進行研究，通過計算各參數變化±10%時沖刷深度及其組分的變化，結果如表2所示。

表2 河道沖刷深度對影響參數的敏感性%

從表2可以看出，對總沖刷深度影響最大的參數是平均水深和最大水深，當這2個參數變化10%時總沖刷深度變化為7.81%～9.88%；其次是斷面平均流速，斷面平均流速變化10%時總沖刷深度變化1.60%，而土壤平均粒徑和塔基直徑變化10%時總沖刷深度改變1.14%～1.32%。一般沖刷對平均水深和最大水深最敏感，當這2個參數變化10%時一般沖刷改變9.64%～12.24%；其次是土壤平均粒徑，對平均流速和塔基直徑最不敏感，當平均流速和塔基直徑變化10%時一般沖刷深度改變不超過0.06%。局部沖刷對塔基直徑和斷面平均流速最敏感，當塔基直徑和平均流速改變10%時局部沖刷變化5.89%～7.63%；其次是土壤平均粒徑，變化率為2.03%；再次是最大水深和平均水深，相應的變化率只有1.09%～1.31%。沖刷深度的變化與塔基直徑、最大水深和斷面平均流速的變化方向相同，這是因為當塔基直徑變大時，塔基處的阻攔作用變強，但斷面平均流速增加導致沖刷增強，形成的旋渦變大，塔基基礎處形成的沖刷坑變大。沖刷深度的變化與土壤平均粒徑和平均水深的變化方向相反，當土壤平均粒徑變大時，產生沖刷時的啟動沖刷流速增大，相應的沖刷深度減小。塔基直徑和斷面平均流速主要是通過影響局部沖刷深度來影響沖刷的，而最大水深和平均水深主要是通過改變一般沖刷水深來影響沖刷。

因此，在計算一般沖刷深度時，尤其要注意最大水深和平均水深的計算，這2個參數很大程度上影響了計算結果的精度，對于存在局部沖刷的沖刷計算，選取合理的橋墩計算寬度和塔基直徑變得尤為重要。另外，在進行河道沖刷計算時要注意幾個敏感參數的合理確定。

3 結論

a）使用《公路工程水文勘測設計規范》中的沖刷計算公式對某750 kV輸電線路跨喀拉喀什河河道沖刷進行計算，計算得到一般沖刷深度5.67 m，局部沖刷深度1.56 m，總沖刷深度7.23 m。

b）使用敏感性系數研究了沖刷深度對河床土壤平均粒徑、塔基直徑、最大水深、平均水深和斷面平均流速的敏感性，結果表明一般沖刷和總沖刷深度對平均水深和最大水深最敏感，而局部沖刷對斷面平均流速和塔基直徑最敏感，沖刷深度的變化與塔基直徑、最大水深和平均流速的變化方向相同，與土壤平均粒徑和平均水深的變化方向相反。

c）在進行河道沖刷計算時，一定要注意幾個敏感參數的合理確定。