特高壓漢江大跨越工程灘地立塔的二維數值計算

朱洪英，胡昌盛

(1.國網北京經濟技術研究院，北京市100052;2.中南電力設計院，武漢市430071)

0 引言

輸電線路大跨越工程灘地立塔時，通常采用一維數學模型來計算河流跨越斷面的平均流速，無法根據河床的具體地形及水文條件計算塔位處的流速及塔位對河道行洪的影響［1-10］。本文以某1000kV輸電線路工程為例，采用地表水模擬系統(surface water modeling system，SMS)計算跨越河段在設計洪水條件下跨越塔位處流場分布、局部沖刷深度及跨越塔對河道行洪的影響，從而為論證灘地立塔可行性提供依據。

1 SMS軟件

SMS具有一維、二維、三維地表水前置處理、分析計算、后置處理等功能，主要有:一維HEC-RAS模型;二維河流及河口RMA2模塊、HIVEL2D模塊、Flo2dh模塊;三維河流及河口RMA10模型、CH3D模型等。本文采用RMA2模塊計算二維平面流場。

RM2模型可應用于河流、水電廠、取排水、橋梁、河口、水庫等流場計算，可以計算恒定及非恒定流，并考慮天氣狀況及地球的自轉。

RMA2程序處理流程見圖1，RMA2有限元控制方程為

式中:h為水深;u、v分別為x、y方向的垂線平均流速;r為液體密度;Exx、Eyy分別為x、y方向的紊動粘性系數;g為重力加速度;a為底部高程;n為曼寧糙率系數;ξ為風速切變系數;ω為地球自轉角速度;φ為當地緯度;Va為風速;ψ為風向。

圖1 RMA2分析計算流程Fig.1 RMA2 calculation flowchart

2 工程河段流域洪水概況

跨越河段位于漢江中游，跨越處百年一遇洪峰控制流量按1935年典型洪水及丹江口水庫大壩加高后洪水情況考慮確定為21 000m3/s。漢江是長江中下游最大的支流，發源于陜西省秦嶺南麓，流經陜西、湖北兩省，于武漢市匯入長江，干流全長為1 571 km，流域面積為1.59×105km2。漢江丹江口以上稱上游，丹江口至鐘祥稱中游，鐘祥以下稱下游。上游集水面積為9.52×104km2，為山地和丘陵，平均河床比降在0.6‰以上;中游集水面積4.682×104km2，為平原、丘陵及河谷盆地，河道寬闊，河灘眾多，河床不穩定，河床平均比降為0.2‰左右;下游流經江漢平原，河道彎曲，河床比降較窄，約0.1‰。

受地形條件和氣候的影響，漢江流域上游常因集中暴雨而突發峰高量大的洪水，防洪問題十分突出。尤其是中下游，河槽泄洪能力與上游洪水來量極不平衡，加之下游出口受長江水位頂托的影響，歷史上洪水災害頻繁而且嚴重，是長江中游洪災嚴重地區之一。據統計，1822—1954年132年中，有68年堤防發生潰口;1931—1955年，有15年發生潰口，達到3年2潰的頻率;近50年來以發生大洪水的年份有1954、1964、1983、2003年等。

3 河道邊界條件

本輸電工程跨越處河道寬2 600m，左、右岸均灘地立塔，跨江塔高 196.8m，桿塔底部尺寸約40m×40m。工程跨越斷面上游700m處左岸為山磯節點，河道主要為堤防控制。跨越斷面左岸堤頂高程為54.1m，右岸堤頂高程為50.8m。工程斷面為復式河床，右岸大堤外灘地寬度約為520m，灘地高程為45.0～47.0m。左岸灘地寬度為1 000～1 500m，灘地高程為43.0～47.0m。

工程斷面左、右岸灘地河床成分以粉質粘土為主，左岸岸線沖淤變化較大，右岸相對穩定。工程附近主河床以粉砂為主，沖淤變化較大。近年來，工程區域堤防進行了加固、護岸工程，堤防對河勢的控制作用得到加強。

4 大跨越工程灘地立塔二維有限元計算

選用跨越河段的實測河床地形圖作為計算的地形邊界條件。由于SMS劃分網格十分自由，可以將主河槽、邊灘分開進行網格劃分，可以根據塔位的形狀、大小進行塔位處局部網格劃分，網格可以為不規則的三角形及四邊形等，而且容易收斂，可以根據不同的塔基形式進行網格劃分。

首先，沿河道控制邊界及灘地與主槽分界線處構造特征線，分別構造主槽與灘地的計算網格;然后，重新均勻分布特征線的特征點。本工程采用100m構造節點(兩岸特征線、上/下游的特征點空間大小與岸線的應基本一致，這樣可以保證網格尺寸構造合理，滿足計算要求)，這樣生成的網格約為100m×100m，塔位附近的網格小于50m×50m，以適應塔位處網格劃分。計算河段網格見圖2(深色部分為主槽，其他為灘地)。

圖2 計算分析河段有限元網格Fig.2 Finite element mesh of rivers near the tower location

網格生成后，運用網格質量檢查工具進行網格質量檢查，對于質量較差、可能在計算不收斂的網格進行修正處理。

5 二維流場計算

根據河道邊界生成河道有限元網格，采用恒定流模式計算百年一遇設計洪水條件下流場情況。計算過程如下:

(1)假定堤岸固體邊界法向流量為0，對上、下游水邊界進行賦值，塔位處網格采用不過流處理，即塔基所在網格法向流速為0。

(2)對于灘地和主槽，分別輸入相應的湍流、糙率等參數。本河段主河槽糙率為0.025，灘地糙率為0.035～0.05。

(3)輸入邊界條件，如:上游設計流量，下游初始水位，糙率，最大迭代次數，收斂水深，干、濕判斷條件，粘性系數等。入口洪水采用本河段百年一遇洪峰流量及下游相應的水位。

(4)對水深情況和網格質量進行檢查，如果在計算過程中存在可能干的節點，建議在模型控制中打開干、濕條件判斷。

(5)在完成初始條件、材料賦值、模型控制、模型檢驗后，開始計算，在計算收斂的情況下，1～2 min可完成計算，并自動生成水位、流速、流向成果文件供SMS后處理后用。

計算結果采用SMS后處理模塊進行后處理，流跡線跟蹤圖見圖3，繞流效果明顯。計算流場及塔位處的放大流場圖見圖4，塔位處不同設計流量下的流速見表1。根據塔位處流速及地質資料，利用粘性土河床橋墩局部沖刷計算公式計算求得塔位處最大局部沖刷深度見表1。

表1 跨江塔塔基處流速計算結果Tab.1 Calculation results of flow speed at river-crossing tower foundation

根據對建塔前后的水位變化比較，左/右岸塔位前最大水位壅高不超過0.01m，對河道行洪影響很小。

6 結語

本文利用SMS模型計算了特高壓漢江跨越灘地立塔處的流速，并根據塔位處流速及地質資料進行了局部沖刷分析，塔位處網格采用不過流處理，改變以往用提高糙率方式來模擬塔位對流場的影響，較好體現了塔位建設對流速分布的影響。SMS計算成果顯示左、右岸塔位處最大流速為0.71m/s，最大沖刷深度為2.10m，左、右岸灘地立塔均可行，由此可見，SMS可為線路選擇灘地流速相對較低、沖刷深度較小及對河道行洪影響較小的位置立塔提供重要依據，且操作簡便，成果可視性強。

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