遼陽市龍頭66 kV輸變電工程跨越太子河導致雍水及沖刷分析

劉 明

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

1 工程概況

龍頭66 kV輸變電工程線路起點位于柳壕鎮66 kV柳壕變電站，終點位于擬新建66 kV龍頭變電站，線路亙長10.8 km，工程跨越太子河段線路總長度1.456 km，起點位于南水口A，距左岸背水堤腳20 m；終點為大溝B，距右岸背水堤腳20 m。跨越太子河段設置33#、34#、35#、36#共計4座塔基，河道管理范圍外銜接塔基2座，分別為32#、37#。

2 壅水分析計算

2.1 計算范圍

本次水面線計算范圍下邊界為T23斷面，上邊界分別為T26斷面，兩岸邊界為兩側現狀堤防，評價范圍河道長度為7.290 km。

2.2 計算頻率及設計流量

河段設計防洪標準為50 a一遇，電力架空線路工程防洪標準為50 a一遇，洪峰流量5050 m3/s，施工期洪水標準為10 a一遇，洪峰流量516 m3/s，本次按50 a一遇及施工期洪水條件進行水力計算。

2.3 測量資料

平面資料采用2004年1∶10 000河道地形圖及2019年谷歌衛星影像圖資料，從橫斷套繪成果中可知，1989—2016年河道總體下切，偏于工程安全考慮，本次水力計算采用1990年橫斷資料進行，其中架空線路段地形資料采用2020年6月遼陽市泗和測繪有限公司實測柳壕至小北河帶狀地形圖數據。電力線路基礎、塔桿以建筑物的方式進行概化。

2.4 起點水位及糙率

計算50 a一遇起點水位采用“太子河可研”成果，為14.90 m；施工期起點水位采用曼寧公式進行計算，為9.15 m。結合《遼河流域防洪規劃》《遼寧省太子河干流防洪治理工程可行性研究報告》河道糙率取值成果，本次河道糙率主槽采用0.019～0.027，左右邊灘糙率采用0.050～0.105。

2.5 水面線計算原理與方法

考慮塔基數量相對較少，高出地面高程僅為3 m，不同于一般橋梁墩柱頂高程高于河段防洪標準對應的設計水位的情況。一維數學模型模擬效果相對較差，本次水力計算采用二維數學模型進行。

本次水力計算采用SMS二維水動力模型，采用有限元法進行計算，主要控制方程如下：

(1)水深平均流速分量計算如式(1)、式(2)：

(1)

(2)

式中：U、V分別為沿垂直坐標某點x、y方向的平均水平速度，m/s；H為水深，mm；Zw為水面高程，m；Zb河床高程，m；u、v為沿垂直坐標某點x、y方向的水平速度，m/s；z為坐標高程。

(2)質量守恒方程如式(3)：

(3)

式中：q1、q2為x、y方向單寬流量，m3/s；t為時間，s；qm為單位面積的旁側入流或出流，m3。

(3)x、y方向的水流動量方程如式(4)～式(5)：

(4)

(5)

式中：β為各向同性的動量修正系數；g重力加速度，m/s2；ρ為水流密度，kg/m3；pa水面大氣壓力，N；Ω為柯氏力參數；τbx、τby分別為x、y方向的河床剪切應力，N；τsx、τsy分別為x、y方向的表面風剪切應力，N；τxx、τxy、τyx、τyy為由紊流引起的剪切應力，N。

2.6 水面線推求成果

根據選定的河道糙率、計算斷面、設計頻率下的流量、起點水位，計算工程建設前后的水面線及水流流速變化情況，成果見表1～表3。

表1 主槽水面線計算成果 m

表2 線路基礎所處位置50 a一遇水力要素統計

表3 施工期水面線計算成果 m

由表可以看出，本次水面線計算成果與可研成果相比較，跨越位置水位相差1 cm，上游T26斷面相差2 cm，總體較為吻合，即本次水面線計算成果是較為合理的。

工程建設前后，水面線成果基本無變化。主要是由于工程建設占用河道行洪斷面所占比重較小，僅為112 m2(4處塔基灌注樁基礎地面以上截面面積之和)，占河道過流面積15 240 m2的7‰，且基礎均位于河灘地上，水流流速相對較小，工程建設對水流流態基本無影響。

從表3中可知，施工期洪水條件下，河段水位為9.15～10.07 m，出T23斷面右側灘面高程相對較低(8.49 m)，其余河段主槽頂高程均高于施工期洪水位，基本未出槽，不會影響灘面灌注樁基礎施工及塔桿的安裝[1-2]。

工程建設壅水高度最大僅為0.01 m，壅水影響范圍集中在塔基周邊20 m范圍內，流速基本無變化，影響較小，基本不會影響河道正常行洪。

50 a一遇洪水條件下，塔基處水位較基礎頂高程高出1.36～2.46 m。考慮本工程已按最大可能出現的污穢情況配置絕緣子耐污染水平，從根源上提高了絕緣配置的可靠性；工程設計過程中已考慮覆冰、水等不平衡縱向張力荷載，增加了桿塔的縱向強度。即洪水浸泡、沖擊等對工程自身安全無影響[3]。

線路導線最低弧垂點高程為29.80 m，與50 a一遇洪水位15.31 m之間的最小垂直距離為14.49 m。即洪水位對線路導線安全無直接影響。

3 沖刷計算

3.1 計算方法

3.1.1 天然沖刷

天然條件下，由河床演變引起的沖刷稱為天然沖刷。根據歷年河道演變分析成果，尤其是灘面高程變化成果，初步確定灘面天然沖刷成果。根據河道演變分析成果，歷年灘面高程基本無變化，本次灘面自然演變沖刷深度取值為0 m。

3.1.2 一般沖刷

一般沖刷計算如式(6)～式(8)：

(6)

(7)

(8)

式中：hp為橋下一般沖刷后最大水深，m；Ad為單寬流量集中系數，當Ad>1.8時，可采用1.8；Q1為橋下河灘部分通過的設計流量，m3/s；μ為調整系數；Btj為橋長部分橋孔凈長，m；htm為橋下河灘最大水深，m；htq為橋下河灘平均水深，m；IL為沖刷坑范圍內黏性土液性指數，取0.16～1.19；Qc、Qt1為天然狀態下河槽、河灘部分設計流量，m3/s；Qp為設計流量，m3/s；Bz為造床流量下的河槽寬度，m；Hz為造床流量下的河槽平均水深，m。

3.1.3 局部沖刷

局部沖刷計算如下：

當hp/B1≤2.5時，如式(9)：

(9)

當hp/B1>2.5時，如式(10)：

(10)

式中：hb為局部沖刷深度，m；kζ為形狀系數；B1為橋墩計算寬度，m；v為一般沖刷后墩前行進流速，m/s。v的計算如式(11)：

(11)

3.2 計算條件

3.2.1 地質條件

根據地勘成果，從上往下依次為粉質黏土、細砂、中砂、礫砂；主槽從上往下土層依次為細砂、中砂、礫砂。各土層特性及相關指標見表4。

表4 土層特性及相關指標統計

3.2.2 水力條件

沖刷深度計算所需水力參數主要為塔基處流速、水深，計算頻率為50 a一遇塔基設計標準。具體成果見表5。

表5 水力計算要素統計

3.2.3 計算成果

沖刷計算成果見表6。50 a一遇設計洪水條件下，33#、34#、35#、36#一般沖刷深度計算值分別為0.27 m、0.11 m、0.14 m、0.17 m；局部沖刷計算值分別為0.50 m、0.43 m、0.45 m、0.46 m；自然演變沖刷按0考慮；各塔基累計最大沖刷深度為0.54～0.77 m。即塔基處沖刷深度均小于粉質黏土層厚度，不會發生分層沖刷，即上述計算值即為最終的沖刷計算深度取值。

表6 塔基沖刷計算成果

塔基基礎地面以下埋設深度為7.0 m，遠大于塔基處最大沖刷深度。

4 結 論

(1)工程建設壅水高度最大僅為0.01 m，壅水影響范圍集中在塔基周邊20 m范圍內，流速基本無變化，基本不會影響河道正常行洪。

(2)33#、34#、35#、36#一般沖刷深度計算值分別為0.27 m、0.11 m、0.14 m、0.17 m；局部沖刷計算值分別為0.50 m、0.43 m、0.45 m、0.46 m；自然演變沖刷按0考慮；各塔基累計最大沖刷深度為0.54～0.77 m。塔基基礎地面以下埋設深度為7.0 m，遠大于塔基處最大沖刷深度。