辽阳市龙头66 kV输变电工程跨越太子河导致雍水及冲刷分析

刘 明

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

1 工程概况

龙头66 kV输变电工程线路起点位于柳壕镇66 kV柳壕变电站，终点位于拟新建66 kV龙头变电站，线路亘长10.8 km，工程跨越太子河段线路总长度1.456 km，起点位于南水口A，距左岸背水堤脚20 m；终点为大沟B，距右岸背水堤脚20 m。跨越太子河段设置33#、34#、35#、36#共计4座塔基，河道管理范围外衔接塔基2座，分别为32#、37#。

2 壅水分析计算

2.1 计算范围

本次水面线计算范围下边界为T23断面，上边界分别为T26断面，两岸边界为两侧现状堤防，评价范围河道长度为7.290 km。

2.2 计算频率及设计流量

河段设计防洪标准为50 a一遇，电力架空线路工程防洪标准为50 a一遇，洪峰流量5050 m3/s，施工期洪水标准为10 a一遇，洪峰流量516 m3/s，本次按50 a一遇及施工期洪水条件进行水力计算。

2.3 测量资料

平面资料采用2004年1∶10 000河道地形图及2019年谷歌卫星影像图资料，从横断套绘成果中可知，1989—2016年河道总体下切，偏于工程安全考虑，本次水力计算采用1990年横断资料进行，其中架空线路段地形资料采用2020年6月辽阳市泗和测绘有限公司实测柳壕至小北河带状地形图数据。电力线路基础、塔杆以建筑物的方式进行概化。

2.4 起点水位及糙率

计算50 a一遇起点水位采用“太子河可研”成果，为14.90 m；施工期起点水位采用曼宁公式进行计算，为9.15 m。结合《辽河流域防洪规划》《辽宁省太子河干流防洪治理工程可行性研究报告》河道糙率取值成果，本次河道糙率主槽采用0.019～0.027，左右边滩糙率采用0.050～0.105。

2.5 水面线计算原理与方法

考虑塔基数量相对较少，高出地面高程仅为3 m，不同于一般桥梁墩柱顶高程高于河段防洪标准对应的设计水位的情况。一维数学模型模拟效果相对较差，本次水力计算采用二维数学模型进行。

本次水力计算采用SMS二维水动力模型，采用有限元法进行计算，主要控制方程如下：

(1)水深平均流速分量计算如式(1)、式(2)：

(1)

(2)

式中：U、V分别为沿垂直坐标某点x、y方向的平均水平速度，m/s；H为水深，mm；Zw为水面高程，m；Zb河床高程，m；u、v为沿垂直坐标某点x、y方向的水平速度，m/s；z为坐标高程。

(2)质量守恒方程如式(3)：

(3)

式中：q1、q2为x、y方向单宽流量，m3/s；t为时间，s；qm为单位面积的旁侧入流或出流，m3。

(3)x、y方向的水流动量方程如式(4)～式(5)：

(4)

(5)

式中：β为各向同性的动量修正系数；g重力加速度，m/s2；ρ为水流密度，kg/m3；pa水面大气压力，N；Ω为柯氏力参数；τbx、τby分别为x、y方向的河床剪切应力，N；τsx、τsy分别为x、y方向的表面风剪切应力，N；τxx、τxy、τyx、τyy为由紊流引起的剪切应力，N。

2.6 水面线推求成果

根据选定的河道糙率、计算断面、设计频率下的流量、起点水位，计算工程建设前后的水面线及水流流速变化情况，成果见表1～表3。

表1 主槽水面线计算成果 m

表2 线路基础所处位置50 a一遇水力要素统计

表3 施工期水面线计算成果 m

由表可以看出，本次水面线计算成果与可研成果相比较，跨越位置水位相差1 cm，上游T26断面相差2 cm，总体较为吻合，即本次水面线计算成果是较为合理的。

工程建设前后，水面线成果基本无变化。主要是由于工程建设占用河道行洪断面所占比重较小，仅为112 m2(4处塔基灌注桩基础地面以上截面面积之和)，占河道过流面积15 240 m2的7‰，且基础均位于河滩地上，水流流速相对较小，工程建设对水流流态基本无影响。

从表3中可知，施工期洪水条件下，河段水位为9.15～10.07 m，出T23断面右侧滩面高程相对较低(8.49 m)，其余河段主槽顶高程均高于施工期洪水位，基本未出槽，不会影响滩面灌注桩基础施工及塔杆的安装[1-2]。

工程建设壅水高度最大仅为0.01 m，壅水影响范围集中在塔基周边20 m范围内，流速基本无变化，影响较小，基本不会影响河道正常行洪。

50 a一遇洪水条件下，塔基处水位较基础顶高程高出1.36～2.46 m。考虑本工程已按最大可能出现的污秽情况配置绝缘子耐污染水平，从根源上提高了绝缘配置的可靠性；工程设计过程中已考虑覆冰、水等不平衡纵向张力荷载，增加了杆塔的纵向强度。即洪水浸泡、冲击等对工程自身安全无影响[3]。

线路导线最低弧垂点高程为29.80 m，与50 a一遇洪水位15.31 m之间的最小垂直距离为14.49 m。即洪水位对线路导线安全无直接影响。

3 冲刷计算

3.1 计算方法

3.1.1 天然冲刷

天然条件下，由河床演变引起的冲刷称为天然冲刷。根据历年河道演变分析成果，尤其是滩面高程变化成果，初步确定滩面天然冲刷成果。根据河道演变分析成果，历年滩面高程基本无变化，本次滩面自然演变冲刷深度取值为0 m。

3.1.2 一般冲刷

一般冲刷计算如式(6)～式(8)：

(6)

(7)

(8)

式中：hp为桥下一般冲刷后最大水深，m；Ad为单宽流量集中系数，当Ad>1.8时，可采用1.8；Q1为桥下河滩部分通过的设计流量，m3/s；μ为调整系数；Btj为桥长部分桥孔净长，m；htm为桥下河滩最大水深，m；htq为桥下河滩平均水深，m；IL为冲刷坑范围内黏性土液性指数，取0.16～1.19；Qc、Qt1为天然状态下河槽、河滩部分设计流量，m3/s；Qp为设计流量，m3/s；Bz为造床流量下的河槽宽度，m；Hz为造床流量下的河槽平均水深，m。

3.1.3 局部冲刷

局部冲刷计算如下：

当hp/B1≤2.5时，如式(9)：

(9)

当hp/B1>2.5时，如式(10)：

(10)

式中：hb为局部冲刷深度，m；kζ为形状系数；B1为桥墩计算宽度，m；v为一般冲刷后墩前行进流速，m/s。v的计算如式(11)：

(11)

3.2 计算条件

3.2.1 地质条件

根据地勘成果，从上往下依次为粉质黏土、细砂、中砂、砾砂；主槽从上往下土层依次为细砂、中砂、砾砂。各土层特性及相关指标见表4。

表4 土层特性及相关指标统计

3.2.2 水力条件

冲刷深度计算所需水力参数主要为塔基处流速、水深，计算频率为50 a一遇塔基设计标准。具体成果见表5。

表5 水力计算要素统计

3.2.3 计算成果

冲刷计算成果见表6。50 a一遇设计洪水条件下，33#、34#、35#、36#一般冲刷深度计算值分别为0.27 m、0.11 m、0.14 m、0.17 m；局部冲刷计算值分别为0.50 m、0.43 m、0.45 m、0.46 m；自然演变冲刷按0考虑；各塔基累计最大冲刷深度为0.54～0.77 m。即塔基处冲刷深度均小于粉质黏土层厚度，不会发生分层冲刷，即上述计算值即为最终的冲刷计算深度取值。

表6 塔基冲刷计算成果

塔基基础地面以下埋设深度为7.0 m，远大于塔基处最大冲刷深度。

4 结 论

(1)工程建设壅水高度最大仅为0.01 m，壅水影响范围集中在塔基周边20 m范围内，流速基本无变化，基本不会影响河道正常行洪。

(2)33#、34#、35#、36#一般冲刷深度计算值分别为0.27 m、0.11 m、0.14 m、0.17 m；局部冲刷计算值分别为0.50 m、0.43 m、0.45 m、0.46 m；自然演变冲刷按0考虑；各塔基累计最大冲刷深度为0.54～0.77 m。塔基基础地面以下埋设深度为7.0 m，远大于塔基处最大冲刷深度。