黃河游蕩性河床大跨越縱向沖刷深度的確定

席占生，李顯鑫

(1.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100094；2.國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京 100052)

為保證大跨越線路塔基的安全，必須保證塔基基礎(chǔ)有足夠的埋置深度，以免因水流沖刷而遭到破壞。塔基縱向沖刷深度是分析塔基最小埋置深度，評價基礎(chǔ)安全性和經(jīng)濟性的重要技術(shù)指標。

國內(nèi)規(guī)范推薦的沖刷計算公式，都是在一定水力模式的基礎(chǔ)上，根據(jù)模型試驗和現(xiàn)場觀測資料建立的，屬于半理論半經(jīng)驗公式。在黃河多年詳實的斷面、流量、水位、流速、河床變形等實測及研究資料基礎(chǔ)上，利用推薦公式分析計算跨越斷面內(nèi)塔基縱向沖刷深度，分析公式計算結(jié)果的可靠性和采用值。

結(jié)合黃河游蕩性河床的特點，利用相似理論進行局部動床模型試驗，介紹了試驗應(yīng)關(guān)注的要點，量測塔基沖刷坑深度，與公式計算結(jié)果相驗證，最終確定縱向沖刷深度取值，為塔基基礎(chǔ)埋深提供合理的設(shè)計依據(jù)。

該確定縱向沖刷深度的方法對驗收同類項目沖刷演變專題具有借鑒意義。

1 跨越斷面水文情勢

開封祥符變～新東變500kV線路黃河大跨越工程地處典型的黃河下游游蕩性河段，上接鄭州市中牟縣，下與山東省東明縣相連，該段河道全長約74km，兩岸堤距5km～15km不等，河床高懸于兩岸地面以上7m～10m，河道縱比降約1.8‰0，河道寬淺，溜勢散亂，主流擺動頻繁，流路極不穩(wěn)定，經(jīng)常發(fā)生橫河、斜河現(xiàn)象，造成灘地大量坍塌，以寬、淺、散亂，主流多變，河槽遷徙不定，是典型的游蕩性河道。

跨越斷面的沖淤及河勢變化取決于上游來水來沙條件，小浪底水庫是控制該斷面水沙的關(guān)鍵工程，其運用分兩個階段，初期采取“攔沙、調(diào)水調(diào)沙”運用，逐步抬高主汛期水位，攔粗排細，同時進行調(diào)水調(diào)沙；當攔沙庫容淤滿后，在2050～2054年進入“正常運用期”，利用其調(diào)水調(diào)沙庫容進行泥沙多年調(diào)節(jié)，改善出庫水沙關(guān)系減少下游河道淤積。

通過對跨越斷面歷史和小浪底水庫不同運用期河勢演變的分析，確定大跨越斷面黃河主槽段寬約2.8km，漫灘段寬約5.0km，兩岸大堤間距7.8km，方案確定主槽內(nèi)塔基2個，灘地塔基10個。主槽沖刷最不利的年份發(fā)生在2014年，低灘沖刷最不利的年份發(fā)生在現(xiàn)狀年，高灘沖刷最不利的年份發(fā)生在2054年。

現(xiàn)狀年、2014年和2054年不同沖淤斷面的各重現(xiàn)期流量、水位見表1。

表1 跨越斷面各重現(xiàn)期流量水位

根據(jù)歷史實測流速資料分析，主槽最大點流速5.22m/s，相應(yīng)最大垂線平均流速4.37m/s，相應(yīng)斷面平均流速2.54m/s；灘地最大表面流速1.80m/s，相應(yīng)最大垂線平均流速1.62m/s。含沙量主槽大于10kg/m3，灘地一般小于10kg/m3。

2 縱向沖刷深度公式計算及分析

我國把塔基引起河床的縱向沖刷過程分解為自然(演變)沖刷、一般沖刷和局部沖刷三部分，假定它們獨立地相繼進行，分別計算，疊加值作為塔基的最大沖刷深度。通過斷面水文情勢分析，采用2014年為特征年計算主槽沖刷深度，現(xiàn)狀年和2054年分別為計算低灘和高灘沖刷深度的特征年。

2.1 自然(演變)沖刷

自然(演變)沖刷和塔基本身無關(guān)，它是河床隨水流和泥沙特性自然演變的過程和結(jié)果。游蕩性河床主槽變動頻繁，灘地沖淤不定，根據(jù)歷史河勢變遷情況，結(jié)合水利工程運用后的影響，劃定主槽與灘地的界限。按不利原則，選擇相應(yīng)特征年河床橫斷面，分析確定主槽和灘地(又分為高灘和低灘)的自然(演變)沖刷深度。其精度取決于對歷史資料的掌握及河床演變趨勢分析的科學性和研究深度。

2.2 一般沖刷

水流急速地集中流入線路大跨越塔基，在稍下游處形成收縮斷面，造成過水面積減少，流速加大，由此引起的沖刷稱為一般沖刷。對非粘性土，國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范推薦64-2簡化式及64-1修正式計算主槽的一般沖刷，使用64-1灘地沖刷公式計算非粘性土灘地一般沖刷。

現(xiàn)行規(guī)范給出的一般沖刷公式依賴于河道設(shè)計斷面，而黃河游蕩性河段實測斷面因沖淤幅度大，槽灘劃分很難有較為清晰的標準；公式中沒有反映水力、泥沙因子的影響，計算參數(shù)的選取任意性或人為性較大，使得不同公式計算的結(jié)果有較大偏差(見表2)。

2.3 局部沖刷

由于河床中的塔基阻擋水流，使水流在塔基兩側(cè)繞流，形成十分復(fù)雜的、以繞流漩渦體系為主的繞流結(jié)構(gòu)，引起塔基周圍急劇的泥沙運動，形成局部沖刷坑，稱為局部沖刷。

國內(nèi)規(guī)范推薦采用65-1修正式和65-2修正式計算非粘性土河床的局部沖刷，其結(jié)果主要和泥沙起動流速和塔基前的水深有關(guān)，其水深和流速都是采用一般沖刷后的水深和流速。盡管利用塔基尺寸資料能反映建設(shè)后的局部影響，但公式所選用的泥沙起動流速都是靠水槽實驗資料率定的，比黃河實際起動流速小，且反映不出一般沖刷深度較大時局部沖刷深度應(yīng)較小的規(guī)律。該公式對黃河游蕩性河床沖刷深度的計算存在一定的缺陷。計算結(jié)果見表2。

表2 主槽沖刷計算結(jié)果 單位：m

從表2中看出，兩種公式計算的結(jié)果偏差較大，用于多沙河流尤其是黃河游蕩性河段時，僅能作為參考。因公式計算的不完善，為確定縱向沖刷深度，必須用局部動床模型試驗進行結(jié)果的對比和驗證。

3 局部動床模型

局部動床模型試驗是研究和驗證洪水通過條件下，塔基附近河段水流流態(tài)和河床變形的重要手段。

局部動床模型是以黃河設(shè)計淤積演變情況下河勢及塔基建筑物為原型，根據(jù)相似理論按一定的比尺縮制而成。通過典型洪水過程進行放水試驗，量測設(shè)計點位沖淤變化，可預(yù)演未來，重演歷史的各種原型洪水等水力現(xiàn)象和變化過程。

3.1 模型相似條件

模型實驗的目的是以模型的水流及河床變形來推算原型的水流及河床變形，所以要求兩者必須是相似的，即兩者必須具有一定固定的比例關(guān)系，并能相互換算得到對應(yīng)的水力要素。模型和原型應(yīng)做到幾何形狀相似、水流運動相似和泥沙運動相似，選擇合理的比尺十分重要。由河勢、斷面特點給出幾何相似比尺，有水平、垂直比尺λL、λh；由重力相似和阻力相似條件，推出流量比尺λQ、時間比尺λt、糙率系數(shù)比尺λn；泥沙運動相似必須使泥沙滿足起動相似條件、單寬輸沙率相似條件，即可求出泥沙粒徑比尺λd，起動流速比尺λVL，單寬輸沙率比尺λqt，沖淤時間比尺λt2。

3.2 驗證及試驗

為確保試驗結(jié)果的準確性，檢驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計的合理性，保證試驗的可靠性，需對模型進行驗證。在試驗過程中，利用1982年洪水過程進行水面線、流速分布、表流跡線與河床變形等項目進行驗證，當量測值與實際洪水測驗值對比基本一致時，認為試驗合理。繼而轉(zhuǎn)入模型沖刷試驗。

本次沖刷試驗主要研究五十年一遇和設(shè)防流量條件下的主槽塔基沖刷深度，2014年地形是小浪底水庫攔沙運用末期，主槽沖刷最為嚴重，因此，主槽試驗初始地形采用2014年地形；低灘和高灘灘地塔基發(fā)生沖刷最不利的沖刷條件分別是現(xiàn)狀和2054年地形條件下再發(fā)生大洪水，根據(jù)模擬地形施放不同頻率洪水，得出低灘和高灘塔基沖刷結(jié)果。

塔基沖刷計算與試驗結(jié)果對比見表3。

由于局部動床模型試驗采用了相似理論和驗證手段，并考慮了水流方向與塔基軸線的夾角和塔基下方樁群陣列整體結(jié)構(gòu)對水流的影響，故所確定的河床縱向沖刷深度，較之用半理論半經(jīng)驗公式法計算的縱向沖刷深度要合理、準確。

4 結(jié)語

(1)黃河游蕩性河床縱向沖刷深度的確定，要綜合考慮歷史演變、實測資料和水利工程運行方式的影響。

(2)半理論半經(jīng)驗公式法計算游蕩性河床大跨越?jīng)_刷深度有一定的局限性，需進行模型試驗進行對比分析。

注：表中“/”表示很小，但不為零。

(3)局部動床模型的建立要注意其相似條件并進行驗證，在此基礎(chǔ)上通過試驗確定的河床縱向沖刷深度較為合理。最終確定縱向沖刷深度取值，為塔基埋置深度提供了合理的設(shè)計依據(jù)。

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