舟山大跨越输电工程海中输电塔塔基局部冲刷研究

张浙杭，傅剑鸣，朱天浩，韩海骞，杨涛，高志林

（1.浙江省电力设计院，杭州市，310014；2浙江省电力公司，杭州市，310007；3浙江省水利河口研究院，杭州市，310020）

0 引言

舟山电网是浙江省唯一的海岛电网，随着以上海为龙头的长江三角洲沿海经济带的发展，舟山与大陆连岛工程的竣工，舟山必将展开新一轮振兴海洋、开发港口的经济建设高峰，届时舟山电力供求矛盾将会更加突出，因此，建设舟山与宁波之间220 kV电力架空线势在必行。大猫山大跨越是220 kV舟山与大陆联网工程的最重要组成部分，该工程北起舟山市大猫山岛，南至宁波市外峙岛，全长6 203m，该跨越的3个铁塔基础中唯一的海上塔基位于外神马岛东侧约450m的海面上。

塔基附近海床冲刷深度的科学确定是保证工程施工与安全运行的基础，其相应不利床面高程是桩基设计的重要依据。各国学者对建在河流上的桥墩附近床面冲刷作了大量研究，有根据模型试验或实测资料得到的经验公式[1]，有根据能量转化方法、墩周挤压理论、马蹄形旋涡理论、墩周清水环流切线流速理论、墩周旋涡束紊流理论等建立的半经验、半理论公式[2-3]，也有根据非粘性河床质桥墩局部冲刷研究得到的桥墩局部冲刷计算公式[4]。近年来河口地区针对桥墩局部冲刷也有专门开展相关研究的[5-7]，但对于输电塔基的冲刷少有研究，加之对其作用的水流为复杂的双向潮流，已有的研究成果难以适用。

塔基附近的海床冲刷主要包括因风浪和潮流引起的自然冲刷、塔基使过水断面缩窄而产生的一般冲刷和阻水形成的马蹄形漩流引起的局部冲刷。本文利用塔基所在海域的多年实测水下地形资料，分析确定了塔基附近海床的自然冲刷，采用水槽模型分析了海中输电塔塔基局部冲刷。

1 海床自然冲刷

大猫山跨越工程地理位置如图1所示。塔基近旁为大榭岛、穿鼻岛、凉帽山、白鸭山、外神马岛、内神马岛等岛屿组成的岛群。从平面位置看，该岛群西侧为金塘水道，东侧为螺头水道，南部紧靠大陆岸线，各岛屿内部及与大陆之间分布有数条潮流通道，宽度几百m，水深几十m，部分岛屿流影区水流动力较弱，在岛旁小范围内形成浅滩，如工程所在的外神马岛东侧浅滩。-5m等高程线以上部分顺流向长度约800m，宽度约300m。塔基工程即位于外神马岛东侧的浅滩上，2007年测图显示，东侧浅滩呈舌型，根部略有收缩，且收缩处地形坡度极大；工程位置最低床面高程为-2.5m。

从实测海床地形资料分析可知，外神马岛东侧舌状浅滩不管从纵向还是横向来看，近年来已基本稳定。塔基所在浅滩纵、横向剖面形态变化如图2所示。由图2可看出：塔基位置东西向浅滩-2m等高程线自1995年后基本稳定；浅滩-4m等高程线近20年来的最大摆幅不超过100m；近年来塔基浅滩横向（南北向）也基本稳定。

另外，外峙岛北侧、穿鼻岛南侧以及外神马岛两侧岸滩-2m等高线的最大摆动不超过150m，在测图误差范围内，岸滩基本稳定。可以预计，今后若无明显改变附近海域水流的工程实施，工程区海床将保持基本稳定。

海床演变分析表明，工程区海床基本稳定，冲淤幅度很小，多年最大冲淤变幅0.8m，因此，从工程运行安全角度出发，自然冲刷幅度按1.0m考虑。

2 塔基局部冲刷

研究塔基局部冲刷，需考虑塔基使过水断面缩窄而产生的一般冲刷和阻水形成的马蹄形漩流等引起的局部冲刷，因此，水槽模型必须按正态模型设计，以反映由塔基引起的马蹄形漩涡及尾涡等涡流，且需有一定的宽度，以模拟塔基使过水断面缩窄产生的影响。经多方面综合考虑，确定水槽长为35m，宽为5.1m，模型几何比尺为100。试验得到的局部冲刷深度已包含了塔基使过水断面缩窄而引起的一般冲刷，因此本文将一般冲刷和局部冲刷统称为塔基局部冲刷。

2.1 主要相似比尺

塔基局部冲刷试验除满足几何相似外，模型水流必须遵循惯性力与重力比相似条件和水流连续相似条件。工程所在海域的水流为往复性潮流，为此，模型按双向非恒定流设计，主要模拟塔基在不利潮流条件下的局部冲刷，模型水流边界由大范围平面2维数学模型提供。模型选沙主要考虑起动相似及水下休止角相似。

工程地质勘察资料表明，工程附近的海床地质组成较为一致，可能冲刷部分主要为淤泥质粉质粘土，平均中值粒径为0.008 5mm，起动流速为0.8～1.2m/s。据此选取经防腐处理过的木粉作为模型沙，其中值粒径为0.05mm，起动流速为8～10 cm/s，基本满足起动流速相似要求。此外，木粉的水下休止角与天然沙的水下休止角也较接近。

2.2 试验条件

2.2.1 水流条件

根据设计需求，选取50年一遇特大潮和一般大潮2种工况进行局部冲刷深度以及相应床面高程的研究。根据分析计算，得到50年一遇特大潮的设计潮差和设计流速，用实测大潮结合数学模型对其进行放大；一般大潮则选取实测大潮，其潮差保证率约为5％。一般大潮和50年一遇特大潮时，塔基位置的潮位、流速特征值如表1所示。水槽模型完全根据一般大潮和50年一遇设计大潮的相关水位、流速参数进行调试，保证模拟的潮位、流速过程曲线与设计值相符。

表1 一般大潮和50年一遇特大潮的潮位、流速特征值Tab.1 Tide leveland flow velocity designedforan ordinary spring tideand heaviestonein 50years

2.2.2 海床冲刷的起始高程

海床演变分析表明，工程区海床基本稳定，冲淤幅度很小，多年最大冲淤变幅0.8m，因此，从工程运行安全角度出发，自然冲刷幅度按1.0m考虑，将现在海床床面高程减去自然冲刷厚度后作为冲刷试验起始高程，塔基位置2007年实测海床床面高程-2.5m，冲刷试验起始高程取-3.5m。

2.2.3 塔基的结构型式

输电塔基为桩基承台结构，承台平面为56.44m× 56.44m的正方形，由4个钢筋混凝土承台通过连系梁连接，高程均在设计高水位之上，不会对水流产生影响；其下为7排7列（间距6.6m）直径2.2m的钻孔灌注桩，中间部分再增布4个，共53根钻孔灌注桩；外侧为直径1.42m的防撞钢管桩群，共51根，由双层直径0.63m的水平连接钢管和双层直径0.82m的交叉钢管连接，总宽达87.64m。在塔基的东面和南面另布设7根直径1.42m的船舶转向桩，如图3所示。

2.3 塔基局部冲刷深度

2.3.1 潮汐冲刷过程

塔基冲刷坑内不同测点的冲刷深度随时间变化曲线如图4所示。初期，塔基桩基附近海床快速下切，形成冲刷坑，随后冲刷速率迅速减小并渐趋稳定。试验选取稳定后的最大冲刷深度作为塔基附近海床的最大局部冲刷深度。模型试验还表明，涨、落急过后，测点高程一般出现相对低点，且由于流速的减小使海床略有回淤，至高、低平潮后期测点高程相对较高。

2.3.2 冲刷坑深度

不同潮流作用下，塔基最大局部冲刷深度值如表2所示。由表2可知，塔基局部冲刷坑的深度随着流速的增大而增大，其主要原因为随着水流流速的增大，水流的挟沙能力不断增强，冲刷深度加大；此外，塔基桩基周围形成的各种环流相应增强，桩基周围泥沙起动概率增大，其局部冲刷坑深度相应增大。

表2 塔基局部冲刷坑深度及不利床面高程Tab.2 Depth of localscourat tower foundation andundesirable seabed eleva ation

从冲刷试验可看出：桩基呈顺水流方向布设时，冲刷坑最深；水流与输电线路轴线的法向夹角越大，桩基阻水作用越明显，致桩基间冲刷深度相对较小，但其两侧水流的冲刷幅度以及冲刷范围相对要大一些。

2.3.3 冲刷坑形态

50年一遇特大潮条件下，夹角20.5°时塔基附近海床冲刷面貌如图5所示。从图5中可看出：（1）由于潮流受到输电塔基的阻挡，水流在其两侧集中，形成2条冲刷槽；（2）防撞桩群在迎流侧时，桩群类似于板桩丁坝，对水流有一定的导流作用，冲刷槽沿桩群走向分布，而当防撞桩群在背流侧时，潮流作用下沿桩群突出转角的切线方向形成冲刷槽；（3）塔基工程所在海域受涨、落潮双向水流的作用，其两侧分别由涨潮流和落潮流形成冲刷槽；（4）由于4个钢筋混凝土承台间的距离较大（21.24m），其间仅布设了1排灌注桩，而4个钢筋混凝土承台下则分别布设3排9根灌注桩，因此，在钢筋混凝土承台中间形成1个相对较强的潮流通道，冲刷坑沿桩群的导流方向向背流侧延伸。

3 冲刷后海床高程的建议值

根据模拟试验结果，建议：冲刷后海床高程值=当前海床高程－海床自然冲刷建议值－塔基局部冲刷坑深度。这里，海床自然冲刷建议值为1.0m。试验中，将考虑自然冲刷后的床面高程作为海床起始冲刷高程，局部冲刷也考虑了阻水影响引起的普遍冲刷，因此，表2中的不利床面高程即为考虑自然冲刷、普遍冲刷和局部冲刷后的床面高程。

一般大潮条件下，塔基附近海床不利设计高程为-9.2m。50年一遇特大潮条件下，水流与输电线路轴线的法向夹角为6°时，局部冲刷坑深度最大，约为7.8m，但其最深点出现在涨潮流来流侧，是涨急流速作用下形成的，而实际上涨急流速与输电线路轴线的法向夹角为35°。对于涨急流速形成的最大冲刷深度，应该以水流与输电线路轴线的法向夹角为35°时的试验最大冲刷深度为准，其最大冲刷坑深度为7.4m。试验表明，由于桩基众多，不同角度布设条件下桩基附近最大冲刷深度相差不大，因此，建议50年一遇特大潮塔基附近最不利冲刷深度取兼顾涨潮、落潮影响，水流与输电线路轴线的法向夹角为20.5°时的试验值7.5m，海床不利设计高程按-11.0m考虑。

4 结语

舟山大跨越输电工程塔基附近海床冲刷，主要包括因风浪和潮流引起的自然冲刷、塔基使过水断面缩窄而产生的一般冲刷和阻水形成的马蹄形漩流引起的局部冲刷。塔基所处海域的实测地形资料表明，工程区海床基本稳定，冲淤幅度很小，多年最大冲淤变幅0.8m。

塔基海域受涨落潮流控制，难以利用现有公式计算其局部冲刷深度。水槽模拟试验表明，潮流作用下，塔基使过水断面缩窄而产生的一般冲刷和阻水形成的马蹄形漩流引起的局部冲刷明显大于自然冲刷幅度，最大局部冲刷幅度为7.5m。

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