黄河游荡性河床大跨越纵向冲刷深度的确定

黄河游荡性河床大跨越纵向冲刷深度的确定

作者：席占生

来源：《中华建设科技》2011年第11期

【摘 要】2008 年我国南方冰灾对当地电网安全运行造成极大的危害，输电线路发生大面积倒杆(塔)、断线(串)事故，原因之一是输电线路冰风荷载大大超过国家规定的设计标准。介绍了我国现行的覆冰区送电线路标准，重点分析了我国目前常见的冰区划分及冰厚订正方法。建议应针对此次电网冰灾认真分析、调查地区线路受损情况，因地制宜选择冰区划分方法及订正系数，在此基础上合理提高输电线路抗冰设计标准。 【关键词】滩槽划分；单桩冲刷；局部动床模型；纵向冲刷 Xi Zhan-

【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

【Key words】Beach tank division;Pile erosion;Local fixed-bed mo

通过对河道设计流量、流速、泥沙、河床演变研究，采用二维水沙数学模型计算以及河工动床模型试验，开展设计洪水条件下的杆塔冲刷计算与分析，为大跨越杆塔基础的设计提供科学合理的数据。 1. 引言

为保证在发生设计洪水时线路塔基的安全，必须保证塔基基础有足够的埋置深度，以免因水流冲刷而遭到破坏。塔基冲刷深度的确定是分析塔基最小埋置深度、基础安全性和经济性的重要内容。

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国内外已有不少冲刷计算公式，都是在一定水力模式的基础上，根据模型试验和现场观测资料建立的，具有一定的局限性。在实际工作中，应结合河流的具体情况，判断公式计算结果的可靠性，然后确定采用值。

本文根据黄河多年的断面、流量、水位、流速、河槽演变实测及研究资料，利用半经验半理论公式分析计算单桩纵向冲刷深度，为了验证和补充，利用局部动床模型试验，分析塔基冲刷的深度及冲坑形状。与理论计算和资料分析结果相比较，最终确定出不同位置的纵向冲刷深度，为塔基基础埋深提供设计依据。 2. 跨越断面水文情势

黄河中下游河无定槽，河势多变，属典型的游荡性河道。设计洪水条件下主槽、浅滩和高滩水沙情势变化复杂。大跨越断面黄河主槽段宽约3.0 Km，漫滩段宽约5.0 Km，两岸大堤间距7.8 Km，方案确定主塔基2个，滩地塔基10个。

跨越断面的水沙变化对断面的冲淤变化起决定性的作用，根据上游水利工程情况，小浪底水库是控制黄河下游水沙的关键工程，水库运用分初期拦沙运用和后期正常运用两个阶段。初期采取“拦沙、调水调沙”运用，逐步抬高主汛期水位，拦粗排细，同时进行调水调沙。当拦沙库容淤满后，在2050～2054年水库进入正常运用期，利用其调水调沙库容进行泥沙多年调节，改善出库水沙关系减少下游河道淤积。根据测算，下游河槽冲刷量最大的年份发生在2014年。现状、2014年和2054年不同冲淤断面的各重现期流量、水位见表1。

根据历史实测流速资料，主槽最大点流速5.22m/s，相应最大垂线平均流速4.37m/s，相应断面平均流速2.54m/s；滩地最大表面流速1.80m/s，相应最大垂线平均流速1.62m/s。含沙量主槽远大于10Kg/m 3，滩地一般小于10Kg/m 3。 3. 规范推荐公式适用性分析

我国把塔基引起河床的纵向冲刷过程分解为自然（演变）冲刷、一般冲刷和局部冲刷三部分，假定它们独立地相继进行，分别计算，叠加值作为塔基的最大冲刷深度，以此作为基础埋深的依据。

3.1 自然（演变）冲刷和塔基本身无关，它是河床随水流和泥沙特性自然演变的过程和结果。游荡性河床主槽变动频繁，滩地冲淤不定，一般根据历史河势变迁情况，结合水利工程影响预测槽、滩演变范围，给出明确的主槽与滩地的界线，将自然（演变）冲刷深度分为主槽和滩地（又分为高滩和低滩）两部分，根据预测的冲淤变化分别取值。其精度取决于对历史资料的掌握及河床演变趋势分析的科学性和研究深度。

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3.2 上游水流，急速地集中流入线路大跨越塔基，在稍下游处形成收缩断面，形成过水面积减少，流速加大，由此引起的冲刷称为一般冲刷。对非粘性土，国内现行规范推荐64－2简化式及64－1修正式计算河槽的一般冲刷，使用64－1滩地冲刷公式计算非粘性土滩地一般冲刷。

现行规范给出的半经验半理论冲刷一般公式依赖于河道设计断面，而黄河游荡性河段实测断面因冲淤幅度大，槽滩划分很难有较为清晰的标准，没有反映水力、泥沙因子的影响，计算参数的选取任意性或人为性较大，使得不同公式计算的结果有较大偏差，并不适用多沙河流尤其是黄河游荡性河段。其结果仅能作为参考。

3.3 立于河床中的塔基，经受着河段断面的一般冲刷，同时，塔基阻挡水流，水流在塔基两侧绕流，形成十分复杂的、以绕流漩涡体系为主的绕流结构，引起塔基周围急剧的泥沙运动，形成局部冲刷坑，称为局部冲刷。

国内规范推荐采用65－1修正式和65－2修正式计算非粘性土河床的局部冲刷，其结果主要和泥沙起动流速和塔基前的水深有关，其水深和流速都是采用一般冲刷后的水深和流速。尽管利用塔基尺寸资料能反映建设后的局部影响，但这类公式所选用的泥沙起动流速都是靠水槽实验资料率定的，结果明显比黄河实际起动流速小，使计算的冲刷深度偏大很多，切反映不出一般冲刷深度较大时局部冲刷深度应较小的规律，存在概念上的缺陷。

根据断面水文情势计算一般和局部冲刷的结果，计算公式的结果相差较大，给设计数据的选取带来较大的困难，不能给出准确合理的设计值。

4. 水工动床模型试验

因公式计算的上述不完善，必须进行模型试验进行对比和验证，确定设计值。

因公式的不适宜性，水工动床模型试验是研究和验证洪水通过条件下，塔基附近河段水流流态和河床变形的重要手段。

塔基水工动床模型试验是以黄河设计淤积演变情况下及塔基建筑物为原型，根据相似理论缩制成模型，放水进行试验，测量设计点位冲淤变化的研究。它可预演未来，重演历史的各种原型洪水等水力现象和变化过程，观察和量测各项水力因素和河床变形，进行分析研究。 模型实验的目的是以模型的水流及河床变形来推算原型的水流及河床变形，所以要求两者必须是相似的，即两者必须具有一定固定的比例关系，并能相互换算得到对应的水力要素。本次试验的目的是研究冲淤变形为主，采用正态动床模型。因为局部冲刷坑中，水流流速的大小

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和方向沿程发生急剧变化，惯性力占有十分重要的地位，所以局部正态模型必须保证水流的重力相似条件。

模型和原型应做到几何相似、运动相似和动力相似，对于动床模型试验，重点要考虑泥沙起动条件相似、输沙量相似和输沙连续性条件（河床变形时间）相似，为保证紊流状态、水流表面张力的相似，对最小水深、水力半径和流速等有严格的要求。

黄河游荡性的特大型河流，采用动床河工模型试验确定其河床纵向冲刷深度，是目前公认的可靠方法。该试验首先对河床边界条件进行假定:0m 标高岸线以上与护岸工程部位是不可动边界，其余河床为可动边界。并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。在试验过程中，需要进行水面线、流速分布、表流迹线与河床变形等项目验证，当验证误差小于某一数值时，才认为试验合理，继而转入今后100 年一遇、300 年一遇等大洪水的模拟冲刷试验。由于该试验采用了相似模型和验证手段，故所确定的河床纵向冲刷深度，较之用半经验公式法(对中小型河流，目前一般采用公式法计算其冲刷深度) 计算的纵向冲刷深度，要合理、准确。

根据相似理论拟定的模型比尺，地形和河床一定长度各横断面资料算出模型的各种尺寸，并在试验场上进行模型放样和施工制作。但是模型河床的水力粗糙度是难以直接根据糙率比尺做成的，要达到阻力相似需要的模型表面糙率，必须通过模型验证试验，进行模型表面糙率修正来实现。

本次局部冲刷试验主要研究五十年一遇和设防流量条件下的主槽塔基冲坑形态及冲刷深度。如前所述，2014年地形是小浪底水库拦沙运用末期，主槽冲刷最为严重，因此，主槽试验初始地形采用2014年地形。2014年地形主槽塔基冲刷结果见表2。

综合历史实测资料成果及整体模型试验成果，五十年一遇洪水的单宽流量约34m 3/s•m（原型，下同），设防洪水条件下，单宽流量约为45m 3/（s•m）。塔基承台顶部高程采用由设计单位提供的2054年50年一遇洪水水位，即84.36m，见表3。

通过试验发现，对于同一种塔基形式，塔基局部冲刷坑形态、冲刷深度主要取决于两方面因素：单宽流量的大小（或流速）和来流的方向。

由表3看出，流量较小时，水流方向与塔基轴线的夹角对塔基局部冲刷的影响较小，塔基局部冲刷主要是由桩群绕流形成的，冲坑主要在桩群周围，最大冲深点位于桩群附近；而流量较大时，水流方向与塔基轴线的夹角对塔基局部冲刷的影响就非常明显，其原因主要是，流量增大后，一方面水流行进流速、紊动扩散作用显著增大，另一方面塔基下方桩群阵列整体结构对水流的影响相对增强，致使冲坑形态、最大冲深点位置相对小流量时发生较大变化，冲坑范围、最大冲深也明显增大。

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另外，综合分析上述试验结果还得出，对于主塔来说，水流方向与塔基轴线夹角为45°时塔基的局部冲刷范围、冲深均较小，因此，将主塔布置成这种形式最为有利。从不利的结果看，五十年一遇塔基的最大冲深10.41m，相应最大水深17.25m；设防流量条件下，塔基最大冲深14.50m，相应最大水深21.98m。

滩地塔基发生冲刷最不利的冲刷条件是，在现状地形条件下再发生大洪水。根据整体模型试验（2004年地形施放不同频率洪水）结果，得出滩地的流速分布及相应的单宽流量，在不同单宽流量作用下，试验得出低滩和高滩、直线塔和角塔的塔基冲刷结果，见表4，表5。

5. 结论和建议

给出了游荡性河床纵向冲刷深度确定的方法，也为验收专项冲刷分析专题报告提供了思路。

必须综合考虑历史演变、实测资料和水利工程调度运行对下游河床变形引起的影响进行分析各时期断面情况，用分析资料采用公式进行纵向冲刷深度计算。对计算结果进行分析公式的适用性，选取较合理的数值。

因河床断面、水沙条件变化范围大，河床糙率男确定，实验前要用模型本身进行对比验证，在相似条件下并进行模型验证后，试验测量结果可作为设计重要依据。

［文章编号］1619-2737（2011）10-14-288