黄河游荡性河床大跨越纵向冲刷深度的确定

席占生，李显鑫

(1.国核电力规划设计研究院，北京 100094；2.国网北京经济技术研究院，北京 100052)

为保证大跨越线路塔基的安全，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。塔基纵向冲刷深度是分析塔基最小埋置深度，评价基础安全性和经济性的重要技术指标。

国内规范推荐的冲刷计算公式，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，属于半理论半经验公式。在黄河多年详实的断面、流量、水位、流速、河床变形等实测及研究资料基础上，利用推荐公式分析计算跨越断面内塔基纵向冲刷深度，分析公式计算结果的可靠性和采用值。

结合黄河游荡性河床的特点，利用相似理论进行局部动床模型试验，介绍了试验应关注的要点，量测塔基冲刷坑深度，与公式计算结果相验证，最终确定纵向冲刷深度取值，为塔基基础埋深提供合理的设计依据。

该确定纵向冲刷深度的方法对验收同类项目冲刷演变专题具有借鉴意义。

1 跨越断面水文情势

开封祥符变～新东变500kV线路黄河大跨越工程地处典型的黄河下游游荡性河段，上接郑州市中牟县，下与山东省东明县相连，该段河道全长约74km，两岸堤距5km～15km不等，河床高悬于两岸地面以上7m～10m，河道纵比降约1.8‰0，河道宽浅，溜势散乱，主流摆动频繁，流路极不稳定，经常发生横河、斜河现象，造成滩地大量坍塌，以宽、浅、散乱，主流多变，河槽迁徙不定，是典型的游荡性河道。

跨越断面的冲淤及河势变化取决于上游来水来沙条件，小浪底水库是控制该断面水沙的关键工程，其运用分两个阶段，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。

通过对跨越断面历史和小浪底水库不同运用期河势演变的分析，确定大跨越断面黄河主槽段宽约2.8km，漫滩段宽约5.0km，两岸大堤间距7.8km，方案确定主槽内塔基2个，滩地塔基10个。主槽冲刷最不利的年份发生在2014年，低滩冲刷最不利的年份发生在现状年，高滩冲刷最不利的年份发生在2054年。

现状年、2014年和2054年不同冲淤断面的各重现期流量、水位见表1。

表1 跨越断面各重现期流量水位

根据历史实测流速资料分析，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。含沙量主槽大于10kg/m3，滩地一般小于10kg/m3。

2 纵向冲刷深度公式计算及分析

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。通过断面水文情势分析，采用2014年为特征年计算主槽冲刷深度，现状年和2054年分别为计算低滩和高滩冲刷深度的特征年。

2.1 自然(演变)冲刷

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，根据历史河势变迁情况，结合水利工程运用后的影响，划定主槽与滩地的界限。按不利原则，选择相应特征年河床横断面，分析确定主槽和滩地(又分为高滩和低滩)的自然(演变)冲刷深度。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。

2.2 一般冲刷

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，造成过水面积减少，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修正式计算主槽的一般冲刷，使用64-1滩地冲刷公式计算非粘性土滩地一般冲刷。

现行规范给出的一般冲刷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；公式中没有反映水力、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(见表2)。

2.3 局部冲刷

由于河床中的塔基阻挡水流，使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，但公式所选用的泥沙起动流速都是靠水槽实验资料率定的，比黄河实际起动流速小，且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。该公式对黄河游荡性河床冲刷深度的计算存在一定的缺陷。计算结果见表2。

表2 主槽冲刷计算结果 单位：m

从表2中看出，两种公式计算的结果偏差较大，用于多沙河流尤其是黄河游荡性河段时，仅能作为参考。因公式计算的不完善，为确定纵向冲刷深度，必须用局部动床模型试验进行结果的对比和验证。

3 局部动床模型

局部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。

局部动床模型是以黄河设计淤积演变情况下河势及塔基建筑物为原型，根据相似理论按一定的比尺缩制而成。通过典型洪水过程进行放水试验，量测设计点位冲淤变化，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。

3.1 模型相似条件

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。模型和原型应做到几何形状相似、水流运动相似和泥沙运动相似，选择合理的比尺十分重要。由河势、断面特点给出几何相似比尺，有水平、垂直比尺λL、λh；由重力相似和阻力相似条件，推出流量比尺λQ、时间比尺λt、糙率系数比尺λn；泥沙运动相似必须使泥沙满足起动相似条件、单宽输沙率相似条件，即可求出泥沙粒径比尺λd，起动流速比尺λVL，单宽输沙率比尺λqt，冲淤时间比尺λt2。

3.2 验证及试验

为确保试验结果的准确性，检验模型设计的合理性，保证试验的可靠性，需对模型进行验证。在试验过程中，利用1982年洪水过程进行水面线、流速分布、表流迹线与河床变形等项目进行验证，当量测值与实际洪水测验值对比基本一致时，认为试验合理。继而转入模型冲刷试验。

本次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刷深度，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；低滩和高滩滩地塔基发生冲刷最不利的冲刷条件分别是现状和2054年地形条件下再发生大洪水，根据模拟地形施放不同频率洪水，得出低滩和高滩塔基冲刷结果。

塔基冲刷计算与试验结果对比见表3。

由于局部动床模型试验采用了相似理论和验证手段，并考虑了水流方向与塔基轴线的夹角和塔基下方桩群阵列整体结构对水流的影响，故所确定的河床纵向冲刷深度，较之用半理论半经验公式法计算的纵向冲刷深度要合理、准确。

4 结语

(1)黄河游荡性河床纵向冲刷深度的确定，要综合考虑历史演变、实测资料和水利工程运行方式的影响。

(2)半理论半经验公式法计算游荡性河床大跨越冲刷深度有一定的局限性，需进行模型试验进行对比分析。

注：表中“/”表示很小，但不为零。

(3)局部动床模型的建立要注意其相似条件并进行验证，在此基础上通过试验确定的河床纵向冲刷深度较为合理。最终确定纵向冲刷深度取值，为塔基埋置深度提供了合理的设计依据。

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