输电工程黄河大跨越基础壅水计算

任宗栋，王东波，苏　斌，程志恒，苏京伟

（1.国核电力规划设计研究院，北京　100095；2.山东送变电工程公司，济南　250022）



输电工程黄河大跨越基础壅水计算

任宗栋1，王东波2，苏斌2，程志恒2，苏京伟1

（1.国核电力规划设计研究院，北京100095；2.山东送变电工程公司，济南250022）

摘要：以±800 kV锡盟—江苏特高压工程黄河大跨越段基础壅水计算为例，探讨基础立于滩地或主槽时计算壅水的方法。通过对经验公式法、水工模型法、理论计算法的对比分析，确定了采用经验公式法能够满足工程的实际需要，并利用经验公式得出了壅水高度。

关键词：壅水高度；大跨越；基础；特高压；架空线路

0　引言

桥梁作为跨河的主要结构形式，桥梁压缩河道后，桥址上游水流变缓，水流动能转换为势能，客观表现为水流的壅高，河道压缩前后同一位置水位差称为这一位置的壅水高度。影响桥梁壅水的因素有很多，如河道压缩程度，河流上游行进流速，河道底部粗糙系数，河床底坡，桥址断面形状等。在平原宽浅河流上建桥，从水流通过能力和工程造价两方面考虑，一般不可能在全部泛滥宽度（包括不经常浸水的河滩）都布设桥孔，穿过河滩的路堤往往压缩较多的汛期过流断面，致使大桥上游产生壅水（见图1）。壅水高度及其对上下游河段的影响范围，不但决定着桥梁的设计高度，而且还经常涉及两岸堤防、附近城市和厂矿企业的防洪安全，因此壅水计算有着非常大的实际意义。

图1　桥梁基础壅水

随着输电线路工程建设不断加快，线路跨越河流的情况逐年增多，线路的塔基不可避免会放置在河滩或河槽中，与桥梁结构一样会引起跨越断面处的壅水高度增加的情况。因此，有必要借鉴桥梁结构计算壅水高度的方法，探讨输电线路基础壅水高度的计算方法。

1　工程概况

±800kV锡盟—江苏特高压直流工程输送容量为10 000 MW，线路起点为内蒙古锡林郭勒盟，途经内蒙古、河北、天津、山东、江苏5省，落点江苏泰州换流站，线路长度1 619.7 km。该工程可以推动锡盟能源基地电力大规模外送，提高资源开发容量，促进锡盟经济发展，还能够缓解江苏电力供需矛盾，满足受端地区经济及负荷快速增长需要。

线路在山东省东营市利津县和滨州市博兴县跨越黄河，跨越段长3 734 m，跨越方式采用“耐张塔—直线塔—直线塔—直线塔—耐张塔”的五塔跨越方式，其中两基锚塔在黄河大堤外面，三基跨塔位于黄河大堤的滩地上。跨越段基础均采用灌注桩基础，其中堤外两基塔采用低桩灌注桩承台，堤内的三基跨塔采用高桩承台灌注桩基础［1-2］，跨越塔的基础外形见图2。

图2　黄河大跨越基础示意

由于三基跨塔设置于滩地中，黄河的过流断面受塔墩压缩，自然水流将受到挤压，在塔墩上游形成壅水区，壅水水面以平缓的曲线（近似于抛物线）向上游延伸。塔前壅水高度将涉及两岸防洪工程的高度和安全，因此应对设防流量下上游最大壅水高度及范围进行分析计算。

2　壅水高度计算方法

对于输电线路的基础，位于河流中的情况较少，并未有专门的规范研究基础壅水高度的计算问题，一般是借鉴桥梁壅水的计算方法。在以往的桥梁壅水研究中，桥梁壅水高度的确定主要有3种方法：经验公式法、水工模型法、数值计算法。其中桥梁壅水计算的经验公式主要可以分为能量公式和动量公式。

2.1能量公式

能量公式是根据能量转化原理或能量守恒定律建立起来的壅水计算公式，是守恒缓变非均匀水流的伯诺里方程的应用。最初的壅水公式就是能量公式推导出的，据文献［3-5］介绍，最有代表性的是道不松公式和罗坚布尔格公式。

道不松公式：

式中：Δz为桥梁上游壅水高度，m；η为随河流类型和滩槽流量相对分配而变的参数；v1为桥前计算断面的平均流速，m/s；v2为桥下断面的平均流速，m/s。

罗坚布尔格公式：

式中：k为考虑上游河段阻力作用系数；vq为建桥后桥址断面平均流速，m/s；v0q为建桥前桥址断面平均流速，m/s；g为重力加速度，m/s2。

2.2动量公式

动量公式中有代表性的是拉笛申科夫公式：

2.3水工模型试验

水流运动是一种非常复杂的自然现象，至今还没有很好掌握各种作用力存在的情况和它们发展的规律。数学分析的方法或是经验公式都有一定的局限性。事实上，天然河道中水工建筑物的边界条件各不相同，而且非常复杂，须经过水工模型试验的分析研究，方可切合实际。因此，可以说水工模型试验是流体力学理论和实际水利工程中间的媒介，起到非常重要的作用。

桥渡模型设计和试验方法，是以水流相似原理为基础的，只有相似理论所规定的各项相似条件得到满足时，模型水流运动才能同原型水流达到相似，从而根据模型水流观测资料推断原型水流中已经或即将发生的过程和结果。水工模型试验实际就是依据流动相似原理，把原型流动按相似准则制成模型，根据不同的布桥方案施放相应流量的水流，通过对模型数据的量测和相似关系换算到原型，来预测原型水流在受到建桥压缩后，桥梁上游水面的壅高情况。

理论分析法是用数学分析的方法建立流体运动的基本方程并进行求解，所得出的结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指导试验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计算模型进行抽象简化，只能解决一些简单的问题，而难以求解具有复杂边界的三维流动。近来随着电子计算机的广泛应用，使很多过去无法通过数学解析得到解答的理论数学物理方程，得到了具有足够精度的近似数值解。

3　壅水高度计算方法的对比

3.1经验公式方法

国内的桥梁主要是应用在公路和铁路上，相应的国内的研究主要是针对公路和铁路桥梁的跨河，分别在TB 10017—1999《铁路工程水文勘测设计规范》［6］和JTG C30—2015《公路工程水文勘测设计规范》［7］中给出了计算桥梁壅水高度的计算方法。两个公式均是源于能量公式，并在此基础上根据各自的考虑进行了修正，形成工程中可以直接应用的经验公式。

经验公式有着很大的优点：简单便于计算，但精度不是很高。对于具体的工程，只需按照规范给出的经验系数，再通过计算桥梁压缩前后的断面平均流速就可以得出所需要的壅水高度。但是，它的计算也存在一定的误差，有时会超出在工程所允许的范围。

3.2水工模型试验方法

水工模型试验方法相对来说精度较高［8］，结论容易被大家所接受。它的计算结果误差主要来源于边界条件的相似误差，但是在应用中，这些误差都很小，往往可以忽略不计，但是水工模型的制作要耗费巨大人力、物力和时间，在实际中很难大范围应用。

3.3数值计算

流动方程的简化及模型离散和方程计算中都会产生误差，但根据实际的观测数据，这种模型表达的流动状态与实际情况的符合程度是令人满意的［9-10］。天然河道建桥前后流场的实例计算，计算结果和实测资料及水流流态符合良好，计算成果可以达到实际工程的要求。

3.4壅水计算方法的对比结论

桥梁壅水的计算主要分为经验公式、水工模型和理论分析与数值计算3种，全面比较3种方法，如表1所示。

表1　壅水高度计算方法对比

对于锡盟—江苏特高压直流线路工程来说，基础顶面的高程主要是由冲刷深度、淤积高度、百年一遇洪水位等参数来决定，壅水高度不是主要因素。因此，基础设计时对壅水高度的精度要求不高。同时考虑到开展水工模型试验和理论计算对线路的建设投资、建设工期的影响较大，推荐本工程采用经验公式的方法来计算壅水高度，可满足工程的各方面要求。

4　经验公式法计算壅水高度的分析

4.1公路规范的经验公式

现行的JTG C30—2015《公路工程水文勘测设计规范》［6］中没有计算壅水高度的公式，可参考JTJ 062—1991《公路桥位勘测设计规范》中有如下壅水高度计算公式：

式中：K为总的壅水系数

式中：H1=1m；0M为建塔墩前天然情况下高压线跨越断面平均流速，可表示为

式中：Q0M为天然状态下塔墩间通过的设计流量，m3/s；ω0M为塔墩下过水面积，㎡。

塔墩间断面实际流速

式（4）在壅水高度受河槽冲刷影响等方面尚不完善，并且是已经过期规范中的公式，不符合现行规范的要求，因此不推荐采用《公路工程水文勘测设计规范》计算基础的壅水高度。

4.2铁路规范的经验公式

TB 10017—1999《铁路工程水文勘测设计规范》同样给出了计算壅水高度的公式：

式中：ΔZm为塔墩前最大壅水高度，m；η为系数，根据阻挡流量和设计流量的比值确定，由于采取全跨越方案，塔墩阻挡洪水的流量小于总流量的10%，按《铁路工程水文勘测设计规范》表3.5.1-1规范要求取0.15；为断面平均流速，为设计流量QP被全河过水断面（包括边滩和河滩）除得之商，m/s；m为拟建工程修建后平均流速，规范要求“应按该规范表3.5.1-2规定计算求得”，m/s。

式中：P为冲刷系数。按照规范第3.4.8条，冲刷系数可按式（10）求算。

式中：ωg为桥下供给过水断面积，m2；ωx为桥下需要过水断面积，m2，由式（11）计算。

式中：α为水流方向与线路轴线之法线间的夹角。

对于该工程，水流方向与线路轴线之法线间的夹角α为0，式（12）则为

式（8）即变为

根据山东黄河水文水资源局实测的线位断面地形资料，计算出现状设防流量水位下线位全断面过流面积14 757 m2，得断面平均流速=0.747 m/s，即断面平均流速约为0.75 m/s。

由于该工程采用低桩承台形式，水中阻水面宽度仅10.8 m，阻水面积38.034 m2，故扣除塔墩后的有效过水面积与自然状况下的面积相差很小，g比平均流速仅大一点，再根据该表3.5.1-2中松软土（淤泥、细粒砂、中粒砂、松软的淤泥质砂黏土等）的规定和拟建工程所在河段的土质状况，应取m=p。而对于设计流速p，该规范明确：“在河滩较小、压缩不多的河段，可采用通过设计流量时河槽（包括边滩）的天然平均流速；当河滩很大时，可按经验确定”。

对于设计流速，本计算取河槽宽度为1 135 m，根据过流比例和设防流量可以得出m=p=0.90 m/s。根据分析计算出的、m值代入式（8），可算出塔墩前最大壅水高度等于24.8 mm，约为25 mm。

对于本工程上游的壅水高度，可取上述计算的最大值，亦即最大壅水高度取25 mm。

5　结语

输电线路跨越河流时，若在滩地或主槽立塔时则需要根据河道管理部门的意见进行壅水高度计算。目前还缺少针对输电线路壅水高度计算的公式，可采用经验公式法、水工模型

法、理论计算法等方式来计算壅水高度。可根据工程对计算精度的要求、工期、费用等综合因素选取合适的计算方法。针对±800kV锡盟—江苏特高压直流输电线路工程，应用经验公式法分别进行分析。推荐采用铁路规范的公式进行计算，符合工程的实际情况，计算精度能满足工程需要。建议电力行业与水利行业进一步加大对线路跨越河流时壅水高度的计算研究，推出更符合线路特点的壅水计算方法。

参考文献

［1］DL/T 5504—2015特高压架空输电线路大跨越设计技术规定［S］.

［2］DL/T 5219—2014架空输电线路基础设计技术规程［S］.

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［4］薛明.桥涵水文［M］.上海：同济大学出版社，2002.

［5］铁路桥涵技术规范［M］.北京：中国铁道出版社，1994.

［6］TB 10017—1999铁路工程水文勘测设计规范.中国铁道出版社，1999.

［7］JTG C30—2015公路工程水文勘测设计规范［S］.

［8］夏丽丽，吴敦银.防洪评价中跨河桥梁壅水和冲刷计算探讨［J］.江西水利科技，2010，36（4）：251-255.

［9］李付军，张柏战，戴荣尧.桥下壅水高度计算方法的理论分析［J］铁道建筑，2009（6）：31-33.

［10］王开，傅旭东，王广谦.桥墩壅水的计算方法比较［J］.南水北调与水利科技，2006，4（6）：53-55.

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

中图分类号：TM752

文献标志码：B

文章编号：1007－9904（2016）05－0043－04

收稿日期：2016-03-26

作者简介：

任宗栋（1979），男，高工，从事输电线路的设计及设计管理工作。