席占生，李顯鑫

(1.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100094；2.國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100052)

為保證大跨越線路塔基的安全，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。塔基縱向沖刷深度是分析塔基最小埋置深度，評(píng)價(jià)基礎(chǔ)安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要技術(shù)指標(biāo)。

國(guó)內(nèi)規(guī)范推薦的沖刷計(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，屬于半理論半經(jīng)驗(yàn)公式。在黃河多年詳實(shí)的斷面、流量、水位、流速、河床變形等實(shí)測(cè)及研究資料基礎(chǔ)上，利用推薦公式分析計(jì)算跨越斷面內(nèi)塔基縱向沖刷深度，分析公式計(jì)算結(jié)果的可靠性和采用值。

結(jié)合黃河游蕩性河床的特點(diǎn)，利用相似理論進(jìn)行局部動(dòng)床模型試驗(yàn)，介紹了試驗(yàn)應(yīng)關(guān)注的要點(diǎn)，量測(cè)塔基沖刷坑深度，與公式計(jì)算結(jié)果相驗(yàn)證，最終確定縱向沖刷深度取值，為塔基基礎(chǔ)埋深提供合理的設(shè)計(jì)依據(jù)。

該確定縱向沖刷深度的方法對(duì)驗(yàn)收同類項(xiàng)目沖刷演變專題具有借鑒意義。

1 跨越斷面水文情勢(shì)

開封祥符變～新東變500kV線路黃河大跨越工程地處典型的黃河下游游蕩性河段，上接鄭州市中牟縣，下與山東省東明縣相連，該段河道全長(zhǎng)約74km，兩岸堤距5km～15km不等，河床高懸于兩岸地面以上7m～10m，河道縱比降約1.8‰0，河道寬淺，溜勢(shì)散亂，主流擺動(dòng)頻繁，流路極不穩(wěn)定，經(jīng)常發(fā)生橫河、斜河現(xiàn)象，造成灘地大量坍塌，以寬、淺、散亂，主流多變，河槽遷徙不定，是典型的游蕩性河道。

跨越斷面的沖淤及河勢(shì)變化取決于上游來(lái)水來(lái)沙條件，小浪底水庫(kù)是控制該斷面水沙的關(guān)鍵工程，其運(yùn)用分兩個(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(kù)容淤滿后，在2050～2054年進(jìn)入“正常運(yùn)用期”，利用其調(diào)水調(diào)沙庫(kù)容進(jìn)行泥沙多年調(diào)節(jié)，改善出庫(kù)水沙關(guān)系減少下游河道淤積。

通過(guò)對(duì)跨越斷面歷史和小浪底水庫(kù)不同運(yùn)用期河勢(shì)演變的分析，確定大跨越斷面黃河主槽段寬約2.8km，漫灘段寬約5.0km，兩岸大堤間距7.8km，方案確定主槽內(nèi)塔基2個(gè)，灘地塔基10個(gè)。主槽沖刷最不利的年份發(fā)生在2014年，低灘沖刷最不利的年份發(fā)生在現(xiàn)狀年，高灘沖刷最不利的年份發(fā)生在2054年。

現(xiàn)狀年、2014年和2054年不同沖淤斷面的各重現(xiàn)期流量、水位見表1。

表1 跨越斷面各重現(xiàn)期流量水位

根據(jù)歷史實(shí)測(cè)流速資料分析，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。含沙量主槽大于10kg/m3，灘地一般小于10kg/m3。

2 縱向沖刷深度公式計(jì)算及分析

我國(guó)把塔基引起河床的縱向沖刷過(guò)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。通過(guò)斷面水文情勢(shì)分析，采用2014年為特征年計(jì)算主槽沖刷深度，現(xiàn)狀年和2054年分別為計(jì)算低灘和高灘沖刷深度的特征年。

2.1 自然(演變)沖刷

自然(演變)沖刷和塔基本身無(wú)關(guān)，它是河床隨水流和泥沙特性自然演變的過(guò)程和結(jié)果。游蕩性河床主槽變動(dòng)頻繁，灘地沖淤不定，根據(jù)歷史河勢(shì)變遷情況，結(jié)合水利工程運(yùn)用后的影響，劃定主槽與灘地的界限。按不利原則，選擇相應(yīng)特征年河床橫斷面，分析確定主槽和灘地(又分為高灘和低灘)的自然(演變)沖刷深度。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。

2.2 一般沖刷

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，造成過(guò)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)算主槽的一般沖刷，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)范給出的一般沖刷公式依賴于河道設(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)；公式中沒有反映水力、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(見表2)。

2.3 局部沖刷

由于河床中的塔基阻擋水流，使水流在塔基兩側(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，比黃河實(shí)際起動(dòng)流速小，且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。該公式對(duì)黃河游蕩性河床沖刷深度的計(jì)算存在一定的缺陷。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 主槽沖刷計(jì)算結(jié)果 單位：m

從表2中看出，兩種公式計(jì)算的結(jié)果偏差較大，用于多沙河流尤其是黃河游蕩性河段時(shí)，僅能作為參考。因公式計(jì)算的不完善，為確定縱向沖刷深度，必須用局部動(dòng)床模型試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)果的對(duì)比和驗(yàn)證。

3 局部動(dòng)床模型

局部動(dòng)床模型試驗(yàn)是研究和驗(yàn)證洪水通過(guò)條件下，塔基附近河段水流流態(tài)和河床變形的重要手段。

局部動(dòng)床模型是以黃河設(shè)計(jì)淤積演變情況下河勢(shì)及塔基建筑物為原型，根據(jù)相似理論按一定的比尺縮制而成。通過(guò)典型洪水過(guò)程進(jìn)行放水試驗(yàn)，量測(cè)設(shè)計(jì)點(diǎn)位沖淤變化，可預(yù)演未來(lái)，重演歷史的各種原型洪水等水力現(xiàn)象和變化過(guò)程。

3.1 模型相似條件

模型實(shí)驗(yàn)的目的是以模型的水流及河床變形來(lái)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。模型和原型應(yīng)做到幾何形狀相似、水流運(yùn)動(dòng)相似和泥沙運(yùn)動(dòng)相似，選擇合理的比尺十分重要。由河勢(shì)、斷面特點(diǎn)給出幾何相似比尺，有水平、垂直比尺λL、λh；由重力相似和阻力相似條件，推出流量比尺λQ、時(shí)間比尺λt、糙率系數(shù)比尺λn；泥沙運(yùn)動(dòng)相似必須使泥沙滿足起動(dòng)相似條件、單寬輸沙率相似條件，即可求出泥沙粒徑比尺λd，起動(dòng)流速比尺λVL，單寬輸沙率比尺λqt，沖淤時(shí)間比尺λt2。

3.2 驗(yàn)證及試驗(yàn)

為確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)的合理性，保證試驗(yàn)的可靠性，需對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。在試驗(yàn)過(guò)程中，利用1982年洪水過(guò)程進(jìn)行水面線、流速分布、表流跡線與河床變形等項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)量測(cè)值與實(shí)際洪水測(cè)驗(yàn)值對(duì)比基本一致時(shí)，認(rèn)為試驗(yàn)合理。繼而轉(zhuǎn)入模型沖刷試驗(yàn)。

本次沖刷試驗(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刷深度，2014年地形是小浪底水庫(kù)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；低灘和高灘灘地塔基發(fā)生沖刷最不利的沖刷條件分別是現(xiàn)狀和2054年地形條件下再發(fā)生大洪水，根據(jù)模擬地形施放不同頻率洪水，得出低灘和高灘塔基沖刷結(jié)果。

塔基沖刷計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表3。

由于局部動(dòng)床模型試驗(yàn)采用了相似理論和驗(yàn)證手段，并考慮了水流方向與塔基軸線的夾角和塔基下方樁群陣列整體結(jié)構(gòu)對(duì)水流的影響，故所確定的河床縱向沖刷深度，較之用半理論半經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算的縱向沖刷深度要合理、準(zhǔn)確。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)黃河游蕩性河床縱向沖刷深度的確定，要綜合考慮歷史演變、實(shí)測(cè)資料和水利工程運(yùn)行方式的影響。

(2)半理論半經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算游蕩性河床大跨越?jīng)_刷深度有一定的局限性，需進(jìn)行模型試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。

注：表中“/”表示很小，但不為零。

(3)局部動(dòng)床模型的建立要注意其相似條件并進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上通過(guò)試驗(yàn)確定的河床縱向沖刷深度較為合理。最終確定縱向沖刷深度取值，為塔基埋置深度提供了合理的設(shè)計(jì)依據(jù)。

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