舟山大跨越輸電工程海中輸電塔塔基局部沖刷研究

張浙杭，傅劍鳴，朱天浩，韓海騫，楊濤，高志林

（1.浙江省電力設計院，杭州市，310014；2浙江省電力公司，杭州市，310007；3浙江省水利河口研究院，杭州市，310020）

0 引言

舟山電網是浙江省唯一的海島電網，隨著以上海為龍頭的長江三角洲沿海經濟帶的發(fā)展，舟山與大陸連島工程的竣工，舟山必將展開新一輪振興海洋、開發(fā)港口的經濟建設高峰，屆時舟山電力供求矛盾將會更加突出，因此，建設舟山與寧波之間220 kV電力架空線勢在必行。大貓山大跨越是220 kV舟山與大陸聯網工程的最重要組成部分，該工程北起舟山市大貓山島，南至寧波市外峙島，全長6 203m，該跨越的3個鐵塔基礎中唯一的海上塔基位于外神馬島東側約450m的海面上。

塔基附近海床沖刷深度的科學確定是保證工程施工與安全運行的基礎，其相應不利床面高程是樁基設計的重要依據。各國學者對建在河流上的橋墩附近床面沖刷作了大量研究，有根據模型試驗或實測資料得到的經驗公式[1]，有根據能量轉化方法、墩周擠壓理論、馬蹄形旋渦理論、墩周清水環(huán)流切線流速理論、墩周旋渦束紊流理論等建立的半經驗、半理論公式[2-3]，也有根據非粘性河床質橋墩局部沖刷研究得到的橋墩局部沖刷計算公式[4]。近年來河口地區(qū)針對橋墩局部沖刷也有專門開展相關研究的[5-7]，但對于輸電塔基的沖刷少有研究，加之對其作用的水流為復雜的雙向潮流，已有的研究成果難以適用。

塔基附近的海床沖刷主要包括因風浪和潮流引起的自然沖刷、塔基使過水斷面縮窄而產生的一般沖刷和阻水形成的馬蹄形漩流引起的局部沖刷。本文利用塔基所在海域的多年實測水下地形資料，分析確定了塔基附近海床的自然沖刷，采用水槽模型分析了海中輸電塔塔基局部沖刷。

1 海床自然沖刷

大貓山跨越工程地理位置如圖1所示。塔基近旁為大榭島、穿鼻島、涼帽山、白鴨山、外神馬島、內神馬島等島嶼組成的島群。從平面位置看，該島群西側為金塘水道，東側為螺頭水道，南部緊靠大陸岸線，各島嶼內部及與大陸之間分布有數條潮流通道，寬度幾百m，水深幾十m，部分島嶼流影區(qū)水流動力較弱，在島旁小范圍內形成淺灘，如工程所在的外神馬島東側淺灘。-5m等高程線以上部分順流向長度約800m，寬度約300m。塔基工程即位于外神馬島東側的淺灘上，2007年測圖顯示，東側淺灘呈舌型，根部略有收縮，且收縮處地形坡度極大；工程位置最低床面高程為-2.5m。

從實測海床地形資料分析可知，外神馬島東側舌狀淺灘不管從縱向還是橫向來看，近年來已基本穩(wěn)定。塔基所在淺灘縱、橫向剖面形態(tài)變化如圖2所示。由圖2可看出：塔基位置東西向淺灘-2m等高程線自1995年后基本穩(wěn)定；淺灘-4m等高程線近20年來的最大擺幅不超過100m；近年來塔基淺灘橫向（南北向）也基本穩(wěn)定。

另外，外峙島北側、穿鼻島南側以及外神馬島兩側岸灘-2m等高線的最大擺動不超過150m，在測圖誤差范圍內，岸灘基本穩(wěn)定?？梢灶A計，今后若無明顯改變附近海域水流的工程實施，工程區(qū)海床將保持基本穩(wěn)定。

海床演變分析表明，工程區(qū)海床基本穩(wěn)定，沖淤幅度很小，多年最大沖淤變幅0.8m，因此，從工程運行安全角度出發(fā)，自然沖刷幅度按1.0m考慮。

2 塔基局部沖刷

研究塔基局部沖刷，需考慮塔基使過水斷面縮窄而產生的一般沖刷和阻水形成的馬蹄形漩流等引起的局部沖刷，因此，水槽模型必須按正態(tài)模型設計，以反映由塔基引起的馬蹄形漩渦及尾渦等渦流，且需有一定的寬度，以模擬塔基使過水斷面縮窄產生的影響。經多方面綜合考慮，確定水槽長為35m，寬為5.1m，模型幾何比尺為100。試驗得到的局部沖刷深度已包含了塔基使過水斷面縮窄而引起的一般沖刷，因此本文將一般沖刷和局部沖刷統稱為塔基局部沖刷。

2.1 主要相似比尺

塔基局部沖刷試驗除滿足幾何相似外，模型水流必須遵循慣性力與重力比相似條件和水流連續(xù)相似條件。工程所在海域的水流為往復性潮流，為此，模型按雙向非恒定流設計，主要模擬塔基在不利潮流條件下的局部沖刷，模型水流邊界由大范圍平面2維數學模型提供。模型選沙主要考慮起動相似及水下休止角相似。

工程地質勘察資料表明，工程附近的海床地質組成較為一致，可能沖刷部分主要為淤泥質粉質粘土，平均中值粒徑為0.008 5mm，起動流速為0.8～1.2m/s。據此選取經防腐處理過的木粉作為模型沙，其中值粒徑為0.05mm，起動流速為8～10 cm/s，基本滿足起動流速相似要求。此外，木粉的水下休止角與天然沙的水下休止角也較接近。

2.2 試驗條件

2.2.1 水流條件

根據設計需求，選取50年一遇特大潮和一般大潮2種工況進行局部沖刷深度以及相應床面高程的研究。根據分析計算，得到50年一遇特大潮的設計潮差和設計流速，用實測大潮結合數學模型對其進行放大；一般大潮則選取實測大潮，其潮差保證率約為5％。一般大潮和50年一遇特大潮時，塔基位置的潮位、流速特征值如表1所示。水槽模型完全根據一般大潮和50年一遇設計大潮的相關水位、流速參數進行調試，保證模擬的潮位、流速過程曲線與設計值相符。

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 海床沖刷的起始高程

海床演變分析表明，工程區(qū)海床基本穩(wěn)定，沖淤幅度很小，多年最大沖淤變幅0.8m，因此，從工程運行安全角度出發(fā)，自然沖刷幅度按1.0m考慮，將現在海床床面高程減去自然沖刷厚度后作為沖刷試驗起始高程，塔基位置2007年實測海床床面高程-2.5m，沖刷試驗起始高程取-3.5m。

2.2.3 塔基的結構型式

輸電塔基為樁基承臺結構，承臺平面為56.44m× 56.44m的正方形，由4個鋼筋混凝土承臺通過連系梁連接，高程均在設計高水位之上，不會對水流產生影響；其下為7排7列（間距6.6m）直徑2.2m的鉆孔灌注樁，中間部分再增布4個，共53根鉆孔灌注樁；外側為直徑1.42m的防撞鋼管樁群，共51根，由雙層直徑0.63m的水平連接鋼管和雙層直徑0.82m的交叉鋼管連接，總寬達87.64m。在塔基的東面和南面另布設7根直徑1.42m的船舶轉向樁，如圖3所示。

2.3 塔基局部沖刷深度

2.3.1 潮汐沖刷過程

塔基沖刷坑內不同測點的沖刷深度隨時間變化曲線如圖4所示。初期，塔基樁基附近海床快速下切，形成沖刷坑，隨后沖刷速率迅速減小并漸趨穩(wěn)定。試驗選取穩(wěn)定后的最大沖刷深度作為塔基附近海床的最大局部沖刷深度。模型試驗還表明，漲、落急過后，測點高程一般出現相對低點，且由于流速的減小使海床略有回淤，至高、低平潮后期測點高程相對較高。

2.3.2 沖刷坑深度

不同潮流作用下，塔基最大局部沖刷深度值如表2所示。由表2可知，塔基局部沖刷坑的深度隨著流速的增大而增大，其主要原因為隨著水流流速的增大，水流的挾沙能力不斷增強，沖刷深度加大；此外，塔基樁基周圍形成的各種環(huán)流相應增強，樁基周圍泥沙起動概率增大，其局部沖刷坑深度相應增大。

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

從沖刷試驗可看出：樁基呈順水流方向布設時，沖刷坑最深；水流與輸電線路軸線的法向夾角越大，樁基阻水作用越明顯，致樁基間沖刷深度相對較小，但其兩側水流的沖刷幅度以及沖刷范圍相對要大一些。

2.3.3 沖刷坑形態(tài)

50年一遇特大潮條件下，夾角20.5°時塔基附近海床沖刷面貌如圖5所示。從圖5中可看出：（1）由于潮流受到輸電塔基的阻擋，水流在其兩側集中，形成2條沖刷槽；（2）防撞樁群在迎流側時，樁群類似于板樁丁壩，對水流有一定的導流作用，沖刷槽沿樁群走向分布，而當防撞樁群在背流側時，潮流作用下沿樁群突出轉角的切線方向形成沖刷槽；（3）塔基工程所在海域受漲、落潮雙向水流的作用，其兩側分別由漲潮流和落潮流形成沖刷槽；（4）由于4個鋼筋混凝土承臺間的距離較大（21.24m），其間僅布設了1排灌注樁，而4個鋼筋混凝土承臺下則分別布設3排9根灌注樁，因此，在鋼筋混凝土承臺中間形成1個相對較強的潮流通道，沖刷坑沿樁群的導流方向向背流側延伸。

3 沖刷后海床高程的建議值

根據模擬試驗結果，建議：沖刷后海床高程值=當前海床高程－海床自然沖刷建議值－塔基局部沖刷坑深度。這里，海床自然沖刷建議值為1.0m。試驗中，將考慮自然沖刷后的床面高程作為海床起始沖刷高程，局部沖刷也考慮了阻水影響引起的普遍沖刷，因此，表2中的不利床面高程即為考慮自然沖刷、普遍沖刷和局部沖刷后的床面高程。

一般大潮條件下，塔基附近海床不利設計高程為-9.2m。50年一遇特大潮條件下，水流與輸電線路軸線的法向夾角為6°時，局部沖刷坑深度最大，約為7.8m，但其最深點出現在漲潮流來流側，是漲急流速作用下形成的，而實際上漲急流速與輸電線路軸線的法向夾角為35°。對于漲急流速形成的最大沖刷深度，應該以水流與輸電線路軸線的法向夾角為35°時的試驗最大沖刷深度為準，其最大沖刷坑深度為7.4m。試驗表明，由于樁基眾多，不同角度布設條件下樁基附近最大沖刷深度相差不大，因此，建議50年一遇特大潮塔基附近最不利沖刷深度取兼顧漲潮、落潮影響，水流與輸電線路軸線的法向夾角為20.5°時的試驗值7.5m，海床不利設計高程按-11.0m考慮。

4 結語

舟山大跨越輸電工程塔基附近海床沖刷，主要包括因風浪和潮流引起的自然沖刷、塔基使過水斷面縮窄而產生的一般沖刷和阻水形成的馬蹄形漩流引起的局部沖刷。塔基所處海域的實測地形資料表明，工程區(qū)海床基本穩(wěn)定，沖淤幅度很小，多年最大沖淤變幅0.8m。

塔基海域受漲落潮流控制，難以利用現有公式計算其局部沖刷深度。水槽模擬試驗表明，潮流作用下，塔基使過水斷面縮窄而產生的一般沖刷和阻水形成的馬蹄形漩流引起的局部沖刷明顯大于自然沖刷幅度，最大局部沖刷幅度為7.5m。

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