輸電工程黃河大跨越基礎(chǔ)壅水計(jì)算

任宗棟，王東波，蘇　斌，程志恒，蘇京偉

（1.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京　100095；2.山東送變電工程公司，濟(jì)南　250022）

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輸電工程黃河大跨越基礎(chǔ)壅水計(jì)算

任宗棟1，王東波2，蘇斌2，程志恒2，蘇京偉1

（1.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100095；2.山東送變電工程公司，濟(jì)南250022）

摘要：以±800 kV錫盟—江蘇特高壓工程黃河大跨越段基礎(chǔ)壅水計(jì)算為例，探討基礎(chǔ)立于灘地或主槽時(shí)計(jì)算壅水的方法。通過(guò)對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式法、水工模型法、理論計(jì)算法的對(duì)比分析，確定了采用經(jīng)驗(yàn)公式法能夠滿足工程的實(shí)際需要，并利用經(jīng)驗(yàn)公式得出了壅水高度。

關(guān)鍵詞：壅水高度；大跨越；基礎(chǔ)；特高壓；架空線路

0　引言

橋梁作為跨河的主要結(jié)構(gòu)形式，橋梁壓縮河道后，橋址上游水流變緩，水流動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能，客觀表現(xiàn)為水流的壅高，河道壓縮前后同一位置水位差稱為這一位置的壅水高度。影響橋梁壅水的因素有很多，如河道壓縮程度，河流上游行進(jìn)流速，河道底部粗糙系數(shù)，河床底坡，橋址斷面形狀等。在平原寬淺河流上建橋，從水流通過(guò)能力和工程造價(jià)兩方面考慮，一般不可能在全部泛濫寬度（包括不經(jīng)常浸水的河灘）都布設(shè)橋孔，穿過(guò)河灘的路堤往往壓縮較多的汛期過(guò)流斷面，致使大橋上游產(chǎn)生壅水（見(jiàn)圖1）。壅水高度及其對(duì)上下游河段的影響范圍，不但決定著橋梁的設(shè)計(jì)高度，而且還經(jīng)常涉及兩岸堤防、附近城市和廠礦企業(yè)的防洪安全，因此壅水計(jì)算有著非常大的實(shí)際意義。

圖1　橋梁基礎(chǔ)壅水

隨著輸電線路工程建設(shè)不斷加快，線路跨越河流的情況逐年增多，線路的塔基不可避免會(huì)放置在河灘或河槽中，與橋梁結(jié)構(gòu)一樣會(huì)引起跨越斷面處的壅水高度增加的情況。因此，有必要借鑒橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算壅水高度的方法，探討輸電線路基礎(chǔ)壅水高度的計(jì)算方法。

1　工程概況

±800kV錫盟—江蘇特高壓直流工程輸送容量為10 000 MW，線路起點(diǎn)為內(nèi)蒙古錫林郭勒盟，途經(jīng)內(nèi)蒙古、河北、天津、山東、江蘇5省，落點(diǎn)江蘇泰州換流站，線路長(zhǎng)度1 619.7 km。該工程可以推動(dòng)錫盟能源基地電力大規(guī)模外送，提高資源開(kāi)發(fā)容量，促進(jìn)錫盟經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還能夠緩解江蘇電力供需矛盾，滿足受端地區(qū)經(jīng)濟(jì)及負(fù)荷快速增長(zhǎng)需要。

線路在山東省東營(yíng)市利津縣和濱州市博興縣跨越黃河，跨越段長(zhǎng)3 734 m，跨越方式采用“耐張塔—直線塔—直線塔—直線塔—耐張塔”的五塔跨越方式，其中兩基錨塔在黃河大堤外面，三基跨塔位于黃河大堤的灘地上?？缭蕉位A(chǔ)均采用灌注樁基礎(chǔ)，其中堤外兩基塔采用低樁灌注樁承臺(tái)，堤內(nèi)的三基跨塔采用高樁承臺(tái)灌注樁基礎(chǔ)［1-2］，跨越塔的基礎(chǔ)外形見(jiàn)圖2。

圖2　黃河大跨越基礎(chǔ)示意

由于三基跨塔設(shè)置于灘地中，黃河的過(guò)流斷面受塔墩壓縮，自然水流將受到擠壓，在塔墩上游形成壅水區(qū)，壅水水面以平緩的曲線（近似于拋物線）向上游延伸。塔前壅水高度將涉及兩岸防洪工程的高度和安全，因此應(yīng)對(duì)設(shè)防流量下上游最大壅水高度及范圍進(jìn)行分析計(jì)算。

2　壅水高度計(jì)算方法

對(duì)于輸電線路的基礎(chǔ)，位于河流中的情況較少，并未有專門(mén)的規(guī)范研究基礎(chǔ)壅水高度的計(jì)算問(wèn)題，一般是借鑒橋梁壅水的計(jì)算方法。在以往的橋梁壅水研究中，橋梁壅水高度的確定主要有3種方法：經(jīng)驗(yàn)公式法、水工模型法、數(shù)值計(jì)算法。其中橋梁壅水計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式主要可以分為能量公式和動(dòng)量公式。

2.1能量公式

能量公式是根據(jù)能量轉(zhuǎn)化原理或能量守恒定律建立起來(lái)的壅水計(jì)算公式，是守恒緩變非均勻水流的伯諾里方程的應(yīng)用。最初的壅水公式就是能量公式推導(dǎo)出的，據(jù)文獻(xiàn)［3-5］介紹，最有代表性的是道不松公式和羅堅(jiān)布爾格公式。

道不松公式：

式中：Δz為橋梁上游壅水高度，m；η為隨河流類型和灘槽流量相對(duì)分配而變的參數(shù)；v1為橋前計(jì)算斷面的平均流速，m/s；v2為橋下斷面的平均流速，m/s。

羅堅(jiān)布爾格公式：

式中：k為考慮上游河段阻力作用系數(shù)；vq為建橋后橋址斷面平均流速，m/s；v0q為建橋前橋址斷面平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2。

2.2動(dòng)量公式

動(dòng)量公式中有代表性的是拉笛申科夫公式：

2.3水工模型試驗(yàn)

水流運(yùn)動(dòng)是一種非常復(fù)雜的自然現(xiàn)象，至今還沒(méi)有很好掌握各種作用力存在的情況和它們發(fā)展的規(guī)律。數(shù)學(xué)分析的方法或是經(jīng)驗(yàn)公式都有一定的局限性。事實(shí)上，天然河道中水工建筑物的邊界條件各不相同，而且非常復(fù)雜，須經(jīng)過(guò)水工模型試驗(yàn)的分析研究，方可切合實(shí)際。因此，可以說(shuō)水工模型試驗(yàn)是流體力學(xué)理論和實(shí)際水利工程中間的媒介，起到非常重要的作用。

橋渡模型設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法，是以水流相似原理為基礎(chǔ)的，只有相似理論所規(guī)定的各項(xiàng)相似條件得到滿足時(shí)，模型水流運(yùn)動(dòng)才能同原型水流達(dá)到相似，從而根據(jù)模型水流觀測(cè)資料推斷原型水流中已經(jīng)或即將發(fā)生的過(guò)程和結(jié)果。水工模型試驗(yàn)實(shí)際就是依據(jù)流動(dòng)相似原理，把原型流動(dòng)按相似準(zhǔn)則制成模型，根據(jù)不同的布橋方案施放相應(yīng)流量的水流，通過(guò)對(duì)模型數(shù)據(jù)的量測(cè)和相似關(guān)系換算到原型，來(lái)預(yù)測(cè)原型水流在受到建橋壓縮后，橋梁上游水面的壅高情況。

理論分析法是用數(shù)學(xué)分析的方法建立流體運(yùn)動(dòng)的基本方程并進(jìn)行求解，所得出的結(jié)果具有普遍性，各種影響因素清晰可見(jiàn)，是指導(dǎo)試驗(yàn)研究和驗(yàn)證新的數(shù)值計(jì)算方法的理論基礎(chǔ)。但是，它往往要求對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行抽象簡(jiǎn)化，只能解決一些簡(jiǎn)單的問(wèn)題，而難以求解具有復(fù)雜邊界的三維流動(dòng)。近來(lái)隨著電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，使很多過(guò)去無(wú)法通過(guò)數(shù)學(xué)解析得到解答的理論數(shù)學(xué)物理方程，得到了具有足夠精度的近似數(shù)值解。

3　壅水高度計(jì)算方法的對(duì)比

3.1經(jīng)驗(yàn)公式方法

國(guó)內(nèi)的橋梁主要是應(yīng)用在公路和鐵路上，相應(yīng)的國(guó)內(nèi)的研究主要是針對(duì)公路和鐵路橋梁的跨河，分別在TB 10017—1999《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］和JTG C30—2015《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］中給出了計(jì)算橋梁壅水高度的計(jì)算方法。兩個(gè)公式均是源于能量公式，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)各自的考慮進(jìn)行了修正，形成工程中可以直接應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)公式。

經(jīng)驗(yàn)公式有著很大的優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單便于計(jì)算，但精度不是很高。對(duì)于具體的工程，只需按照規(guī)范給出的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，再通過(guò)計(jì)算橋梁壓縮前后的斷面平均流速就可以得出所需要的壅水高度。但是，它的計(jì)算也存在一定的誤差，有時(shí)會(huì)超出在工程所允許的范圍。

3.2水工模型試驗(yàn)方法

水工模型試驗(yàn)方法相對(duì)來(lái)說(shuō)精度較高［8］，結(jié)論容易被大家所接受。它的計(jì)算結(jié)果誤差主要來(lái)源于邊界條件的相似誤差，但是在應(yīng)用中，這些誤差都很小，往往可以忽略不計(jì)，但是水工模型的制作要耗費(fèi)巨大人力、物力和時(shí)間，在實(shí)際中很難大范圍應(yīng)用。

3.3數(shù)值計(jì)算

流動(dòng)方程的簡(jiǎn)化及模型離散和方程計(jì)算中都會(huì)產(chǎn)生誤差，但根據(jù)實(shí)際的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這種模型表達(dá)的流動(dòng)狀態(tài)與實(shí)際情況的符合程度是令人滿意的［9-10］。天然河道建橋前后流場(chǎng)的實(shí)例計(jì)算，計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)資料及水流流態(tài)符合良好，計(jì)算成果可以達(dá)到實(shí)際工程的要求。

3.4壅水計(jì)算方法的對(duì)比結(jié)論

橋梁壅水的計(jì)算主要分為經(jīng)驗(yàn)公式、水工模型和理論分析與數(shù)值計(jì)算3種，全面比較3種方法，如表1所示。

表1　壅水高度計(jì)算方法對(duì)比

對(duì)于錫盟—江蘇特高壓直流線路工程來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)頂面的高程主要是由沖刷深度、淤積高度、百年一遇洪水位等參數(shù)來(lái)決定，壅水高度不是主要因素。因此，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)壅水高度的精度要求不高。同時(shí)考慮到開(kāi)展水工模型試驗(yàn)和理論計(jì)算對(duì)線路的建設(shè)投資、建設(shè)工期的影響較大，推薦本工程采用經(jīng)驗(yàn)公式的方法來(lái)計(jì)算壅水高度，可滿足工程的各方面要求。

4　經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算壅水高度的分析

4.1公路規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式

現(xiàn)行的JTG C30—2015《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］中沒(méi)有計(jì)算壅水高度的公式，可參考JTJ 062—1991《公路橋位勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中有如下壅水高度計(jì)算公式：

式中：K為總的壅水系數(shù)

式中：H1=1m；0M為建塔墩前天然情況下高壓線跨越斷面平均流速，可表示為

式中：Q0M為天然狀態(tài)下塔墩間通過(guò)的設(shè)計(jì)流量，m3/s；ω0M為塔墩下過(guò)水面積，㎡。

塔墩間斷面實(shí)際流速

式（4）在壅水高度受河槽沖刷影響等方面尚不完善，并且是已經(jīng)過(guò)期規(guī)范中的公式，不符合現(xiàn)行規(guī)范的要求，因此不推薦采用《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算基礎(chǔ)的壅水高度。

4.2鐵路規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式

TB 10017—1999《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》同樣給出了計(jì)算壅水高度的公式：

式中：ΔZm為塔墩前最大壅水高度，m；η為系數(shù)，根據(jù)阻擋流量和設(shè)計(jì)流量的比值確定，由于采取全跨越方案，塔墩阻擋洪水的流量小于總流量的10%，按《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》表3.5.1-1規(guī)范要求取0.15；為斷面平均流速，為設(shè)計(jì)流量QP被全河過(guò)水?dāng)嗝妫òㄟ厼┖秃訛┏弥?，m/s；m為擬建工程修建后平均流速，規(guī)范要求“應(yīng)按該規(guī)范表3.5.1-2規(guī)定計(jì)算求得”，m/s。

式中：P為沖刷系數(shù)。按照規(guī)范第3.4.8條，沖刷系數(shù)可按式（10）求算。

式中：ωg為橋下供給過(guò)水?dāng)嗝娣e，m2；ωx為橋下需要過(guò)水?dāng)嗝娣e，m2，由式（11）計(jì)算。

式中：α為水流方向與線路軸線之法線間的夾角。

對(duì)于該工程，水流方向與線路軸線之法線間的夾角α為0，式（12）則為

式（8）即變?yōu)?/p>

根據(jù)山東黃河水文水資源局實(shí)測(cè)的線位斷面地形資料，計(jì)算出現(xiàn)狀設(shè)防流量水位下線位全斷面過(guò)流面積14 757 m2，得斷面平均流速=0.747 m/s，即斷面平均流速約為0.75 m/s。

由于該工程采用低樁承臺(tái)形式，水中阻水面寬度僅10.8 m，阻水面積38.034 m2，故扣除塔墩后的有效過(guò)水面積與自然狀況下的面積相差很小，g比平均流速僅大一點(diǎn)，再根據(jù)該表3.5.1-2中松軟土（淤泥、細(xì)粒砂、中粒砂、松軟的淤泥質(zhì)砂黏土等）的規(guī)定和擬建工程所在河段的土質(zhì)狀況，應(yīng)取m=p。而對(duì)于設(shè)計(jì)流速p，該規(guī)范明確：“在河灘較小、壓縮不多的河段，可采用通過(guò)設(shè)計(jì)流量時(shí)河槽（包括邊灘）的天然平均流速；當(dāng)河灘很大時(shí)，可按經(jīng)驗(yàn)確定”。

對(duì)于設(shè)計(jì)流速，本計(jì)算取河槽寬度為1 135 m，根據(jù)過(guò)流比例和設(shè)防流量可以得出m=p=0.90 m/s。根據(jù)分析計(jì)算出的、m值代入式（8），可算出塔墩前最大壅水高度等于24.8 mm，約為25 mm。

對(duì)于本工程上游的壅水高度，可取上述計(jì)算的最大值，亦即最大壅水高度取25 mm。

5　結(jié)語(yǔ)

輸電線路跨越河流時(shí)，若在灘地或主槽立塔時(shí)則需要根據(jù)河道管理部門(mén)的意見(jiàn)進(jìn)行壅水高度計(jì)算。目前還缺少針對(duì)輸電線路壅水高度計(jì)算的公式，可采用經(jīng)驗(yàn)公式法、水工模型

法、理論計(jì)算法等方式來(lái)計(jì)算壅水高度?？筛鶕?jù)工程對(duì)計(jì)算精度的要求、工期、費(fèi)用等綜合因素選取合適的計(jì)算方法。針對(duì)±800kV錫盟—江蘇特高壓直流輸電線路工程，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式法分別進(jìn)行分析。推薦采用鐵路規(guī)范的公式進(jìn)行計(jì)算，符合工程的實(shí)際情況，計(jì)算精度能滿足工程需要。建議電力行業(yè)與水利行業(yè)進(jìn)一步加大對(duì)線路跨越河流時(shí)壅水高度的計(jì)算研究，推出更符合線路特點(diǎn)的壅水計(jì)算方法。

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Foundation Backwater Calculation of UHV DC Transmission Line Crossing the Yellow River

REN Zongdong1，WANG Dongbo2，SU Bin2，CHENG Zhiheng2，SU Jingwei1
（1. State Nuclear Electric Research Institute，Beijing 100095，China；2. Shandong Electric Power T&T Engineering Company，Jinan 250022，China）

Abstract:Taking the part of transmission line crossed the Yellow River in the±800 kV UHV DC project from Ximeng to Jiangsu as an example，the calculation method of damming height was discussed when the tower sited on the river of beach and main channel. According to the comparison with hydraulic model method and theory calculation method，the experience formula method was adopted which can meet the project requirement，and the damming height was calculated by this method.

Key words:damming height；long span crossing；foundation；ultra-high voltage；overhead transmission line

中圖分類號(hào)：TM752

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007－9904（2016）05－0043－04

收稿日期：2016-03-26

作者簡(jiǎn)介：

任宗棟（1979），男，高工，從事輸電線路的設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)管理工作。