某750 kV架空输电线路工程跨河冲刷计算

董 军，胡进宝

（中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西西安710032）

0 引言

随着我国经济的高速发展和“西电东送”等国家战略的实施，高压和特高压输电线路的建设必不可少。输电线路一般距离较长，不可避免地要跨越河流，当跨越一些较宽的河流时，需要在河道或者河滩地立塔。位于河道的杆塔将占据部分行洪断面，对河道的行洪会产生一定的影响[1-3]。杆塔建成后由于河道水流过水断面减小，会形成雍水，产生冲刷反过来影响杆塔的安全[4-5]，所以在河道上修建杆塔等构筑物，必须考虑河流的天然冲淤情况及因构筑物对水流影响而导致的冲淤情况。本文使用《公路工程水文勘测设计规范》中的冲刷计算公式，结合工程实例，对架空输电线路跨河河道冲刷问题进行研究，旨在为类似工程项目提供参考依据。

1 冲刷计算公式

冲刷主要分为天然冲刷、一般冲刷和局部冲刷3种情况[6-7]。

一般冲刷是指水流受到压缩后，有效过水断面面积减小和流速增大而引起的在河槽过水断面上发生的冲刷，这种冲刷不同程度地分布在整个断面上。随着冲刷的发展，工程所在处河床加深，过水面积加大，流速逐渐下降，待达到新的水沙平衡状态，冲刷即停止。

局部冲刷是由于杆塔或桥墩等阻碍了水流，被阻水流在构筑物周围以强烈的涡流形式与床面泥沙发生作用，因而在构筑物周围，特别是迎水面附近产生冲刷坑，使构筑物所阻水流自身结构发生变化，挟沙能力也随着冲刷坑的加深和加大而减小。

1.1 一般冲刷计算

建在河滩上的输电线路或跨河支架的冲刷计算，要注意调查河滩能否变成河槽或河槽是否可能扩宽和摆动。对于可能变成河槽的河滩，其河滩跨度内应按河槽冲刷设置杆塔或支架基础；如确定无改变为河槽的可能时，应按河滩冲刷公式计算[8-9]。《公路工程水文勘测设计规范》中桥下一般冲刷的计算公式如下。

河槽部分一般冲刷计算公式为

河滩部分一般冲刷计算公式为

其中，hp为一般冲刷后的最大水深，m；A为单宽流量集中系数；QP为河槽部分通过的设计流量，m3/s；L为桥孔净宽，m；hmax为最大水深，m；h为平均水深，m；μ为水流压缩系数，指构筑物侧面因漩涡形成滞流区而减小过水断面的折减系数；E为与含沙量有关的系数；B、H分别为造床流量时的河宽和平均水深，m，可按满槽（平摊）水位计算；为河床土壤平均粒径，mm；Vh1为河滩水深1 m时非黏性土不冲刷流速，m/s。

1.2 局部冲刷计算

当V≤V0时

文化消费在社会经济活动中发挥着重要作用，经过调查显示，我国多数农村文化消费失调，结构单一，消费观念以及消费方式也相对落后，这就促使农村文化消费水平较低。当下，随着农村经济社会的逐渐发展，农村生活水平逐渐提升，文化消费占据的比例也逐渐发生变化，拥有更多居民开始关注文化消费，借助文化消费促使自身生活质量得到有效提高。

当V＞V0时

其中，hb为局部冲刷深度，m；Kζ为墩形系数；Kη1为河床土壤粒径影响系数；b1为桥墩计算宽度，m；v为一般冲刷后的垂线平均流速，m/s；v0为河床泥沙启动流速，m/s；为墩前始冲流速，m/s；为河床土壤平均粒径，mm。

2 工程实例

2.1 背景介绍

喀拉喀什河发源于昆仑山和喀喇昆仑山，河流全长808 km，流域面积26 600 km2，多年平均径流量21.9×108m3，平均流量68.2 m3/s。该河径流年内（水文年）分配比例为春季9.75%、夏季73.20%、秋季13.43%、冬季3.62%。洪水以融雪洪水为基本类型，与气温等热量因素关系密切，与持续高温时间密切相关，流域降水集中在汛期的6月—8月内，它与融雪型洪水形成较大的混合型洪水。该河实测最大洪峰流量1 420 m3/s。根据乌鲁瓦提水文站观测1975年—2000年共26 a连续观测统计的洪峰流量计算，频率为1%的设计洪峰流量为1 600 m3/s。喀拉喀什河有25 a封冻记录，平均封冻天数99 d，最大封冻天数122 d。一般11月中旬进入初冰期，次年3月开始解冻，最大河心冰厚1.18 m，最大岸边冰厚1.06 m。

乌鲁瓦提水利枢纽工程位于和田河西支流喀拉喀什河中游河段出山口处，坝址以上集水面积19 983 km2。本工程是一项具有灌溉、防洪、发电、改善生态等综合效益的大（二）型水利枢纽，大坝、泄洪排沙洞、溢洪道等主要建筑物按二级建筑物设计。水库设计重现期为100年一遇洪水，校核重现期为2 000年一遇洪水加15%的安全保证值。

2.2 线路跨越情况

某750 kV输电线路从和田750 kV变电站出线后向西走线，在和田县郎如乡艾格勒村跨越喀拉喀什河，跨越点位于乌鲁瓦提水库下游约56 km处，跨越处主河道宽约400m，右岸一级阶地宽约600 m，阶地高出河漫滩1m左右，岸边无防洪堤。因河谷较宽，需在右岸一级阶地立塔，塔位距离河道约50 m，现种植有果树。因塔位处高程仅比主河道高1 m，且主河道河床不规整，水流较紊乱，发洪水时，河道容易向塔位方向侵蚀和冲刷，塔位处可能演变成主河道，故应按照河槽考虑计算冲刷。从塔位与喀拉喀什河的相对位置可以看出，从2003年到2009年，塔位上游的主河道不断向右岸靠近且逼近村庄，从2009年到2014年，靠近村庄一侧修筑了防洪堤以阻止河道向右岸侵蚀，但塔位处无防洪措施，生态较为脆弱，当发生洪水时，洪水有可能通过不断向右岸侵蚀而使塔位处演变成主槽，故在计算冲刷时应按照主槽水力条件计算。

2.3 冲刷计算

输入参数的确定。

a）设计流量。根据乌鲁瓦提水库发生100年一遇洪水时的下泄流量，再加上乌鲁瓦提水库至线路跨越处的区间流量计算得到。

b）河道比降。根据测量人员现场实测数据计算得到。

c）水位、最大水深、平均水深。根据测量人员现场实测的断面和比降，使用工程水文气象分析计算制图系统（EHP2.0）计算得到。

d）河床土壤平均粒径。现场使用筛分法做土壤颗粒分析，结果如图1所示。

图1 土壤颗粒级配适线图

输入参数和计算结果如表1所示。

表1 冲刷计算输入和输出参数

2.4 影响冲刷深度的因素分析

河道冲刷计算涉及的参数众多，且各因素对计算的影响也不甚相同，计算时有一些参数并非完全确定。例如，对于某一确定的河流和断面，当计算重现期确定时，流量等参数已经确定，但粗糙率取值不同将影响断面的洪水位和流速，计算得到的冲刷深度也不同。在实际工程运用时，了解冲刷深度对参数的敏感性尤为重要，在冲刷计算时重点计算较为敏感的参数，可以在保证计算结果精确的前提下提高工作效率。

为了研究影响冲刷计算的因素及各因素的敏感性，选取河床土壤平均粒径、塔基直径、最大水深、平均水深和断面平均流速5个因素来进行研究，通过计算各参数变化±10%时冲刷深度及其组分的变化，结果如表2所示。

表2 河道冲刷深度对影响参数的敏感性%

从表2可以看出，对总冲刷深度影响最大的参数是平均水深和最大水深，当这2个参数变化10%时总冲刷深度变化为7.81%～9.88%；其次是断面平均流速，断面平均流速变化10%时总冲刷深度变化1.60%，而土壤平均粒径和塔基直径变化10%时总冲刷深度改变1.14%～1.32%。一般冲刷对平均水深和最大水深最敏感，当这2个参数变化10%时一般冲刷改变9.64%～12.24%；其次是土壤平均粒径，对平均流速和塔基直径最不敏感，当平均流速和塔基直径变化10%时一般冲刷深度改变不超过0.06%。局部冲刷对塔基直径和断面平均流速最敏感，当塔基直径和平均流速改变10%时局部冲刷变化5.89%～7.63%；其次是土壤平均粒径，变化率为2.03%；再次是最大水深和平均水深，相应的变化率只有1.09%～1.31%。冲刷深度的变化与塔基直径、最大水深和断面平均流速的变化方向相同，这是因为当塔基直径变大时，塔基处的阻拦作用变强，但断面平均流速增加导致冲刷增强，形成的旋涡变大，塔基基础处形成的冲刷坑变大。冲刷深度的变化与土壤平均粒径和平均水深的变化方向相反，当土壤平均粒径变大时，产生冲刷时的启动冲刷流速增大，相应的冲刷深度减小。塔基直径和断面平均流速主要是通过影响局部冲刷深度来影响冲刷的，而最大水深和平均水深主要是通过改变一般冲刷水深来影响冲刷。

因此，在计算一般冲刷深度时，尤其要注意最大水深和平均水深的计算，这2个参数很大程度上影响了计算结果的精度，对于存在局部冲刷的冲刷计算，选取合理的桥墩计算宽度和塔基直径变得尤为重要。另外，在进行河道冲刷计算时要注意几个敏感参数的合理确定。

3 结论

a）使用《公路工程水文勘测设计规范》中的冲刷计算公式对某750 kV输电线路跨喀拉喀什河河道冲刷进行计算，计算得到一般冲刷深度5.67 m，局部冲刷深度1.56 m，总冲刷深度7.23 m。

b）使用敏感性系数研究了冲刷深度对河床土壤平均粒径、塔基直径、最大水深、平均水深和断面平均流速的敏感性，结果表明一般冲刷和总冲刷深度对平均水深和最大水深最敏感，而局部冲刷对断面平均流速和塔基直径最敏感，冲刷深度的变化与塔基直径、最大水深和平均流速的变化方向相同，与土壤平均粒径和平均水深的变化方向相反。

c）在进行河道冲刷计算时，一定要注意几个敏感参数的合理确定。