输电线路溃堤洪水冲刷计算方法研究

2015-03-20张文杰桂红华陈全勇王玮玮

电力勘测设计 2015年1期

张文杰，桂红华，陈全勇，王玮玮

(中南电力设计院，湖北武汉 430071)

根据我国西电送出发展规划，将会修建多条长距离输电工程。“十二五”规划将建成锦苏等11条特高压、多条500 kV输电线路。500 kV、特高压输电线路会出现塔位距离一些河流堤防较近的情形。我国众多中小河流堤防设计标准较低，多为20年一遇及以下，而据现行技术标准，500 kV以上输电线路的防洪标准均为100年一遇。所以，当输电线路塔位距离堤防较近时，需要考虑溃堤洪水对塔位安全产生的影响。溃堤洪水对线路塔位最不利的影响因素就是冲刷，溃堤洪水冲刷计算的关键和根本就是冲刷坑最大深度的计算。因此，对输电线路中溃堤洪水冲刷坑深度计算的研究具有重要意义。

1 计算方法

1.1 一维洪水水力计算方法

计算步骤：首先，基于溃堤水头与堤身质量等因素，采用溃坝最大流量简化计算公式估算溃堤最大单宽流量；其次，根据单宽流量计算堤下临界水深、最大流速；最后，假定冲刷坑的形式和范围，结合冲刷区域的土壤特性等因素，依据毛昶熙局部冲刷公式推求冲刷坑的最大深度。

1.1.1 河道溃堤口门最大单宽流量计算

河堤溃决后，泄流洪水与水库溃坝下泄性质类似，主要区别在于溃口上侧水位变化不同。为简化计算，仍用溃坝最大流量简化公式近似计算溃堤最大单宽流量，即：

式中：q为溃堤口门最大单宽流量，(m3/s)；H为溃堤水头，(m)；Kc为侧堰系数。

超设计标准洪水位下，可假定堤防瞬时溃决至地面，溃堤水头H值取堤身高度。当决口横断面与河水流向平行时，Kc＝0.8～0.9(一般可取0.85)；当决口横断面与河水流向垂直时，Kc＝1.0。当决口横断面与河水流向交角β在0°～90°之间时，可按其角度的正弦值即按sinβ值内插。

1.1.2 河道溃堤洪水水力计算

(1)溃堤口门堤下的临界水深

式中：hk为溃堤口门堤下的临界水深，(m)；a为流速不均匀系数，一般取a＝1.1；g为重力加速度，(m/s2)。

(2) 堤下收缩水深及最大流速计算

式中：H0为以堤下地面或冲刷坑底部为基准面的决口上游侧总水头，包括行近流速水头，(m)；hc为收缩水深，(m)；q为收缩断面的单宽流量，可采用决口最大单宽流量，(m3/s)；φ为流速系数，考虑到决口一般比较粗糙，取φ≤0.8；vc为水流为自由出流时的收缩断面流速，即最大流速，(m/s)。

(3)溃堤堤下的冲刷坑

① 堤下冲刷坑最大深度估算

毛昶熙根据紊流力学理论，分析局部冲刷机理，并运用水流剪切应力观点，结合模型试验，推导出估算冲刷坑最大深度的计算公式，经过修正后的公式如下：

式中：h为冲刷坑最大深度，(m)；G1为冲刷坑范围内泥沙的比重，取G1＝2.7；G为溃泄水体的比重，若含沙量不大时，取G＝1.0；为被冲刷地区土壤的平均粒径，若为黏性土，可采用其换算当量粒径，(m)，见表1；hx为堤下地面的水流深度，(m) (在作冲刷坑深度估算时，往往未知hx，建议试用hx值代替，求出h值后，结合水流分析进一步确定的采用值)。

表1 黏性土壤抗冲刷能力换算当量直径

②消能冲刷坑形状估计

冲刷坑的形式和范围与地质条件好坏有关，一般上游侧的坡度为1:3～1:6，即坑底－堤脚的距离是冲刷坑深度的3～6倍，下游侧坡度为1:10或更小，冲刷影响范围可由下式计算：

式中：L为冲刷影响范围，m；X为冲刷坑上下坡深长综合比系数，上游侧一般取3～6、下游侧一般取10或更大。

1.2 二维水动力学模型方法

依据泥沙连续方程和河床变形方程,结合冲刷区域泥沙的级配，对基本方程进行有限元离散，模拟出溃堤后堤下流速场、冲刷坑随着时间而逐步变化的过程，从而获得冲刷坑的最大深度。

1.2.1 平面二维水流基本方程

式中：qx、qy及u、v分别表示x、y方向的单宽流量和流速；C为谢才阻力系数，由曼宁公式计算；水流涡粘性系数由近似，其中为卡门常数，μ*为摩阻流速；水位函数ξ(x,y,t)由水深h(x,y,t)和床面底高程zb(x,y,t)确定，即ξ(x,y,t)=h(x,y,t)+zb(x,y,t)。

1.2.2 悬移质泥沙运动方程

式中：Sk、S*k及ωk分别为第k粒径组悬移质泥沙的含沙量、挟沙力和沉速；φ=hsk；α为恢复饱和系数；泥沙紊动扩散系数εs假定与水流涡粘性系数相等。

1.2.3 悬移质河床变形方程

式中：γ's为淤积物干容重；Ns为悬沙的分组数。

通过对溃堤区域计算网格的划分，结合平面二维的数值计算方法，建立了溃堤瞬间溃决后水流运动和冲刷坑发展的水动力学模型。

堤防洪水溃堤过程十分复杂，上述两种分析计算方法均基于诸多假设条件。二维水动力学模型方法较一维洪水水力计算方法更直观地表现了溃堤水流过程以及冲刷坑的发展，但二维水动力学模型方法需要的经济投入大，且计算硬件要求高于一维洪水水力计算方法，在输电线路工程中难以推广使用。

一维洪水力学计算方法因其计算简便，已被电力工程相关技术标准推荐，目前输电线路工程中涉及溃堤计算一般均采用该方法。

2 计算输入因素分析

在一维洪水水力计算方法中，需要输入的参数主要有溃堤水位下的水头H、侧堰系数Kc、流速不均匀系数a、流速系数φ、冲刷坑范围内泥沙的比重G1、溃泄水体的比重G和被冲刷地区土壤的当量粒径d－。其中H、Kc、a、φ、G1、G的取值均可根据实地情况按规程推荐取值。

在毛昶熙根据紊流力学理论推导的非粘土局部冲刷公式(5)中，当量粒径是一个重要的输入参数。若杆塔处土壤垂直分布均匀且特性一致，即可根据土壤的特性在表1中选取相应的当量直径进行计算。但实际中，土壤垂直分布表现为明显的分层分布，见图1，不同层间的土壤特性均有差异。

图1 某杆塔地质柱状图

根据图1，土壤在垂直分布上是有明显变化，杆塔的地质柱状图上显示的土壤的分类随深度而不同，0～2.3 m深度土层，当量直径可以取值0.02 m；2.3 m～6.0 m深度土层，当量直径可以取值0.04 m；6.0 m～15.4 m深度土层，当量直径可以取值0.08 m。这时当量直径取值往往主要依托于设计人员的主观意识。可能会为了安全考虑，采取最小当量直径值，也可能直接根据第一层土壤类型取值。这样导致的计算结果与实际可能有较大的差异，且存在一定的风险。

因此，设计者对当量直径参数的取值出现困惑，不同设计者选择的结果就出现了差异。通过对多位从业人员进行调查，一般采用下列三个方法：

(1) 多数人员为工程安全，选取一个偏保守的当量直径用于计算。

(2)部分人员直接选用顶层土壤特性对应的当量直径用于计算。

(3)部分人员根据近2～3层(深度一般达到10 m以上)土壤的特性对应的当量直径的均值用于计算。

明显可以看出，上述几种选择方式会导致当量直径选取出现偏差，对冲刷坑最大深度计算中的结果产生影响。若当量直径取值偏大时，将导致冲刷坑计算深度变小，当发生超标准洪水时，可能会发生溃堤洪水冲刷导致的倒塔事故；若当量直径取值偏小时，就导致冲刷坑深度偏大，无谓增加杆塔灌注桩长度，增加输电线路工程投资。

根据试算，当量直径取值0.01 m的差异，会导致冲刷坑最大深度偏差超过1 m。由此可见，当量直径的正确选取对计算结果是至关重要的。