董 軍，胡進(jìn)寶

（中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西西安710032）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和“西電東送”等國家戰(zhàn)略的實(shí)施，高壓和特高壓輸電線路的建設(shè)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(dāng)跨越一些較寬的河流時(shí)，需要在河道或者河灘地立塔。位于河道的桿塔將占據(jù)部分行洪斷面，對(duì)河道的行洪會(huì)產(chǎn)生一定的影響[1-3]。桿塔建成后由于河道水流過水?dāng)嗝鏈p小，會(huì)形成雍水，產(chǎn)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(gòu)筑物，必須考慮河流的天然沖淤情況及因構(gòu)筑物對(duì)水流影響而導(dǎo)致的沖淤情況。本文使用《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的沖刷計(jì)算公式，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)架空輸電線路跨河河道沖刷問題進(jìn)行研究，旨在為類似工程項(xiàng)目提供參考依據(jù)。

1 沖刷計(jì)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?dāng)嗝婷娣e減小和流速增大而引起的在河槽過水?dāng)嗝嫔习l(fā)生的沖刷，這種沖刷不同程度地分布在整個(gè)斷面上。隨著沖刷的發(fā)展，工程所在處河床加深，過水面積加大，流速逐漸下降，待達(dá)到新的水沙平衡狀態(tài)，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(gòu)筑物周圍以強(qiáng)烈的渦流形式與床面泥沙發(fā)生作用，因而在構(gòu)筑物周圍，特別是迎水面附近產(chǎn)生沖刷坑，使構(gòu)筑物所阻水流自身結(jié)構(gòu)發(fā)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(jì)算

建在河灘上的輸電線路或跨河支架的沖刷計(jì)算，要注意調(diào)查河灘能否變成河槽或河槽是否可能擴(kuò)寬和擺動(dòng)。對(duì)于可能變成河槽的河灘，其河灘跨度內(nèi)應(yīng)按河槽沖刷設(shè)置桿塔或支架基礎(chǔ)；如確定無改變?yōu)楹硬鄣目赡軙r(shí)，應(yīng)按河灘沖刷公式計(jì)算[8-9]。《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中橋下一般沖刷的計(jì)算公式如下。

河槽部分一般沖刷計(jì)算公式為

河灘部分一般沖刷計(jì)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(shù)；QP為河槽部分通過的設(shè)計(jì)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(shù)，指構(gòu)筑物側(cè)面因漩渦形成滯流區(qū)而減小過水?dāng)嗝娴恼蹨p系數(shù)；E為與含沙量有關(guān)的系數(shù)；B、H分別為造床流量時(shí)的河寬和平均水深，m，可按滿槽（平攤）水位計(jì)算；為河床土壤平均粒徑，mm；Vh1為河灘水深1 m時(shí)非黏性土不沖刷流速，m/s。

1.2 局部沖刷計(jì)算

當(dāng)V≤V0時(shí)

文化消費(fèi)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中發(fā)揮著重要作用，經(jīng)過調(diào)查顯示，我國多數(shù)農(nóng)村文化消費(fèi)失調(diào)，結(jié)構(gòu)單一，消費(fèi)觀念以及消費(fèi)方式也相對(duì)落后，這就促使農(nóng)村文化消費(fèi)水平較低。當(dāng)下，隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)的逐漸發(fā)展，農(nóng)村生活水平逐漸提升，文化消費(fèi)占據(jù)的比例也逐漸發(fā)生變化，擁有更多居民開始關(guān)注文化消費(fèi)，借助文化消費(fèi)促使自身生活質(zhì)量得到有效提高。

當(dāng)V＞V0時(shí)

其中，hb為局部沖刷深度，m；Kζ為墩形系數(shù)；Kη1為河床土壤粒徑影響系數(shù)；b1為橋墩計(jì)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(dòng)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(shí)例

2.1 背景介紹

喀拉喀什河發(fā)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(nèi)（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(guān)系密切，與持續(xù)高溫時(shí)間密切相關(guān)，流域降水集中在汛期的6月—8月內(nèi)，它與融雪型洪水形成較大的混合型洪水。該河實(shí)測(cè)最大洪峰流量1 420 m3/s。根據(jù)烏魯瓦提水文站觀測(cè)1975年—2000年共26 a連續(xù)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)的洪峰流量計(jì)算，頻率為1%的設(shè)計(jì)洪峰流量為1 600 m3/s?？κ埠佑?5 a封凍記錄，平均封凍天數(shù)99 d，最大封凍天數(shù)122 d。一般11月中旬進(jìn)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(xiàng)具有灌溉、防洪、發(fā)電、改善生態(tài)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(jí)建筑物設(shè)計(jì)。水庫設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為100年一遇洪水，校核重現(xiàn)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(xiāng)艾格勒村跨越喀拉喀什河，跨越點(diǎn)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(jí)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(jí)階地立塔，塔位距離河道約50 m，現(xiàn)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(guī)整，水流較紊亂，發(fā)洪水時(shí)，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(yīng)按照河槽考慮計(jì)算沖刷。從塔位與喀拉喀什河的相對(duì)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(cè)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(tài)較為脆弱，當(dāng)發(fā)生洪水時(shí)，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(jì)算沖刷時(shí)應(yīng)按照主槽水力條件計(jì)算。

2.3 沖刷計(jì)算

輸入?yún)?shù)的確定。

a）設(shè)計(jì)流量。根據(jù)烏魯瓦提水庫發(fā)生100年一遇洪水時(shí)的下泄流量，再加上烏魯瓦提水庫至線路跨越處的區(qū)間流量計(jì)算得到。

b）河道比降。根據(jù)測(cè)量人員現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

c）水位、最大水深、平均水深。根據(jù)測(cè)量人員現(xiàn)場實(shí)測(cè)的斷面和比降，使用工程水文氣象分析計(jì)算制圖系統(tǒng)（EHP2.0）計(jì)算得到。

d）河床土壤平均粒徑?，F(xiàn)場使用篩分法做土壤顆粒分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 土壤顆粒級(jí)配適線圖

輸入?yún)?shù)和計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 沖刷計(jì)算輸入和輸出參數(shù)

2.4 影響沖刷深度的因素分析

河道沖刷計(jì)算涉及的參數(shù)眾多，且各因素對(duì)計(jì)算的影響也不甚相同，計(jì)算時(shí)有一些參數(shù)并非完全確定。例如，對(duì)于某一確定的河流和斷面，當(dāng)計(jì)算重現(xiàn)期確定時(shí)，流量等參數(shù)已經(jīng)確定，但粗糙率取值不同將影響斷面的洪水位和流速，計(jì)算得到的沖刷深度也不同。在實(shí)際工程運(yùn)用時(shí)，了解沖刷深度對(duì)參數(shù)的敏感性尤為重要，在沖刷計(jì)算時(shí)重點(diǎn)計(jì)算較為敏感的參數(shù)，可以在保證計(jì)算結(jié)果精確的前提下提高工作效率。

為了研究影響沖刷計(jì)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(gè)因素來進(jìn)行研究，通過計(jì)算各參數(shù)變化±10%時(shí)沖刷深度及其組分的變化，結(jié)果如表2所示。

表2 河道沖刷深度對(duì)影響參數(shù)的敏感性%

從表2可以看出，對(duì)總沖刷深度影響最大的參數(shù)是平均水深和最大水深，當(dāng)這2個(gè)參數(shù)變化10%時(shí)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(shí)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(shí)總沖刷深度改變1.14%～1.32%。一般沖刷對(duì)平均水深和最大水深最敏感，當(dāng)這2個(gè)參數(shù)變化10%時(shí)一般沖刷改變9.64%～12.24%；其次是土壤平均粒徑，對(duì)平均流速和塔基直徑最不敏感，當(dāng)平均流速和塔基直徑變化10%時(shí)一般沖刷深度改變不超過0.06%。局部沖刷對(duì)塔基直徑和斷面平均流速最敏感，當(dāng)塔基直徑和平均流速改變10%時(shí)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(yīng)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?yàn)楫?dāng)塔基直徑變大時(shí)，塔基處的阻攔作用變強(qiáng)，但斷面平均流速增加導(dǎo)致沖刷增強(qiáng)，形成的旋渦變大，塔基基礎(chǔ)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(dāng)土壤平均粒徑變大時(shí)，產(chǎn)生沖刷時(shí)的啟動(dòng)沖刷流速增大，相應(yīng)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(jì)算一般沖刷深度時(shí)，尤其要注意最大水深和平均水深的計(jì)算，這2個(gè)參數(shù)很大程度上影響了計(jì)算結(jié)果的精度，對(duì)于存在局部沖刷的沖刷計(jì)算，選取合理的橋墩計(jì)算寬度和塔基直徑變得尤為重要。另外，在進(jìn)行河道沖刷計(jì)算時(shí)要注意幾個(gè)敏感參數(shù)的合理確定。

3 結(jié)論

a）使用《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的沖刷計(jì)算公式對(duì)某750 kV輸電線路跨喀拉喀什河河道沖刷進(jìn)行計(jì)算，計(jì)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(shù)研究了沖刷深度對(duì)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(jié)果表明一般沖刷和總沖刷深度對(duì)平均水深和最大水深最敏感，而局部沖刷對(duì)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(jìn)行河道沖刷計(jì)算時(shí)，一定要注意幾個(gè)敏感參數(shù)的合理確定。