滯洪區(qū)分洪對(duì)桿塔基礎(chǔ)最大局部沖刷分析

張帥領(lǐng)，李 輝，張 磊

(1. 河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450007；2. 河南省眾慧電力工程咨詢有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450007)

由于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及國(guó)家電網(wǎng)建設(shè)的進(jìn)程的加快，越來越多的電力線路必需穿過分蓄洪區(qū)，為滿足分蓄洪區(qū)內(nèi)電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行和防汛調(diào)度的正常進(jìn)行的要求，就需要水文專業(yè)人員在勘測(cè)設(shè)計(jì)前期準(zhǔn)確分析蓄滯洪區(qū)分洪過程對(duì)線路桿塔基礎(chǔ)造成的影響。在蓄滯洪區(qū)分洪時(shí)，穿越分蓄洪區(qū)的架空輸電線路，不同于河道水文條件單一穩(wěn)定的分析計(jì)算，受地形條件及區(qū)域束水影響，桿塔基礎(chǔ)處的水流形態(tài)往往比較復(fù)雜。所以，準(zhǔn)確的模擬出蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)過程、區(qū)域流場(chǎng)形態(tài)變化過程、桿塔基礎(chǔ)處水位和流速變化過程，對(duì)分析該影響程度十分重要。

MIKE21是目前世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的水力學(xué)模型之一，其擁有強(qiáng)大的前、后處理功能，而且可以進(jìn)行熱啟動(dòng)，可以設(shè)置涵洞、堰、閘等多種控制性結(jié)構(gòu)，還能夠進(jìn)行干、濕節(jié)點(diǎn)與單元的設(shè)置等特點(diǎn)，在我國(guó)也有很多成功應(yīng)用案例，如南水北調(diào)工程數(shù)值模擬、長(zhǎng)江綜合治理、太湖富營(yíng)養(yǎng)化模型、杭州灣數(shù)值模擬等。本文結(jié)合洹安－倉(cāng)頡500 kV線路工程跨越廣潤(rùn)坡分蓄洪區(qū)所做的水文分析工作，對(duì)分蓄洪區(qū)分洪對(duì)架空輸電線路工程影響的水文分析內(nèi)容與方法進(jìn)行介紹，在分析區(qū)域水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，構(gòu)建了平面二維水流數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)確模擬出分洪過程中線路工程桿塔處的水流過程，然后結(jié)合水文計(jì)算及數(shù)學(xué)概化的方法得到塔基礎(chǔ)的最大沖刷深度。

1 水文、地質(zhì)條件

洹安－倉(cāng)頡Ⅱ回500 kV線路工程，起于安陽洹安500 kV變電站，終于濮陽倉(cāng)頡500 kV變電站。擬建工程在安陽新區(qū)高莊鎮(zhèn)遵貴屯村東北、S22省道南側(cè)進(jìn)入廣潤(rùn)坡滯洪區(qū)、在河南湯陰縣菜元鎮(zhèn)葛莊村東出廣潤(rùn)坡滯洪區(qū)，長(zhǎng)度為10.61 km，本滯洪區(qū)內(nèi)線塔為N19～N27、N33～N45，共22座(圖1)。

廣潤(rùn)坡蓄滯洪區(qū)位于海河流域衛(wèi)河水系湯河中下游，歷史上是天然洼地，主要承滯湯河、永通河、羑河超標(biāo)準(zhǔn)洪水。廣潤(rùn)坡滯洪區(qū)分兩級(jí)滯洪，蓄滯洪區(qū)總面積為152.79 km2。其中一級(jí)蓄滯洪區(qū)建于1956年，東南以湯河左堤為界，東防洪提為其東邊界，北部為自然高地，西部以西防洪堤、羑河堤及自然高地為界，南北寬約13 km，東西長(zhǎng)約15 km，面積為71.82 km2，設(shè)計(jì)滯洪水位57.00 m，相應(yīng)滯洪量0.73×108m3，本線路工程經(jīng)過區(qū)域在一級(jí)滯洪區(qū)內(nèi)。滯洪區(qū)地勢(shì)總體上自西南向東北傾斜，自然坡降1/3500～1/5000；區(qū)域分布有村莊和農(nóng)田，表層土壤主要為粉質(zhì)粘土，厚度大于5 m。

圖1 線路桿塔在廣潤(rùn)坡滯洪區(qū)位置圖

滯洪區(qū)運(yùn)用原則：當(dāng)湯河雙石橋來水超過300 m3/s，水位超過63.00 m 時(shí)，上游來水量繼續(xù)增大，在雙石橋破湯河河左堤分洪入廣潤(rùn)坡一級(jí)蓄滯洪區(qū)。當(dāng)廣潤(rùn)坡一級(jí)蓄滯洪區(qū)蓄水位達(dá)到57.00 m時(shí)，在王貴莊溢洪堰漫流入廣潤(rùn)坡二級(jí)蓄滯洪區(qū)。

進(jìn)洪方式：廣潤(rùn)坡蓄滯洪區(qū)采用破堤扒口進(jìn)洪方式。退洪方式：廣潤(rùn)坡蓄滯洪區(qū)退洪方式為無控制自然泄洪，蓄洪水位達(dá)到57 m時(shí)，王貴莊溢流堰開始泄洪；當(dāng)水位低于57 m時(shí)，王貴莊溢流堰停止泄洪，之后由羑河河道緩慢泄洪。

1963年8月豫北地區(qū)普降大暴雨，造成了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，是建國(guó)以來最大的一次，1963 年最高滯洪水位58.47 m，滯洪量1.55×108m3，滯洪歷時(shí)25 d，本次計(jì)算將以此次洪水的受淹情況作為分析論證的主要依據(jù)。

表1 水位庫容對(duì)照

2 構(gòu)建平面二維水流數(shù)值模型

2.1 基本方程

二維水流數(shù)學(xué)模型的計(jì)算采用有限體積法，非恒定流基本方程如下：

水流連續(xù)性方程

學(xué)生只有在產(chǎn)生濃郁興趣前提下，能更好地提高識(shí)字學(xué)習(xí)的效率，有效快速地讀認(rèn)生字生詞。所以教師在課堂過程中，要運(yùn)用各種不同的識(shí)字教學(xué)辦法，調(diào)動(dòng)起學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，讓學(xué)生在愉悅輕松氛圍中開展學(xué)習(xí)內(nèi)容，真正發(fā)自內(nèi)心地感受學(xué)習(xí)帶來的樂趣。如教學(xué)識(shí)字過程中，教師通過創(chuàng)編兒歌，口述故事，或者猜字謎等課堂小游戲的方法來增強(qiáng)學(xué)生的興趣和注意力，讓學(xué)生能夠積極投入到識(shí)字學(xué)習(xí)中，這樣在游戲的識(shí)字環(huán)節(jié)中，可以讓學(xué)生求知欲與好奇心充分發(fā)揮起作用，輕松快樂的掌握識(shí)字內(nèi)容，提高了教學(xué)質(zhì)量獲得良好的識(shí)字效果。

動(dòng)量方程

式中：t為時(shí)間；x、y、z為右手Cartesian坐標(biāo)系；η為水面相對(duì)于未擾動(dòng)基面的高度，即水位；u、v為流速在x、y方向上的分量；Pa為當(dāng)?shù)貧鈮海籫為重力加速度；h為靜止水深 ；ρ為水的密度，ρ0則是參考水密度；f=2Ωsinφ為 Coriolis 參數(shù)(其中Ω是地球自轉(zhuǎn)角速率，φ為地理緯度)；fv和fu為地球自轉(zhuǎn)引起的加速度；Sxx、Sxy、Syx、Syy為輻射應(yīng)力分量 ；Txx、Txy、Tyx、Tyy為水平粘滯應(yīng)力項(xiàng) ；τsx、τsy、τhx、τhy為河床邊界水流切應(yīng)力在x、y方向上的分量；S為源匯項(xiàng)；uS、vS源匯項(xiàng)水流流速。

2.2 模型概化

計(jì)算時(shí)所需的初始條件包括：滯洪區(qū)地形，滯洪區(qū)內(nèi)的積水深；邊界條件為：水流邊界條件為分洪、泄洪口門，外邊界為滯洪區(qū)四周圍堤。

地形數(shù)據(jù)、網(wǎng)格和糙率：數(shù)學(xué)模型計(jì)算的地形數(shù)據(jù)采用河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院三維數(shù)字中心提供的1∶10000地形資料，并用1994年6月河南省防汛抗旱指揮部辦公室編制的《河南省滯洪區(qū)進(jìn)本資料匯編》作參考(其中滯洪區(qū)地圖比例尺為1.5∶100000)。網(wǎng)格剖分為最大網(wǎng)格面積不超過50000 m2，并在工程所在區(qū)域進(jìn)行局部加密，加密后最大網(wǎng)格面積不超過10 m2(見圖2)。由于滯洪區(qū)內(nèi)沒有實(shí)測(cè)分洪、泄洪資料，只有統(tǒng)計(jì)的蓄滯洪水位，蓄滯洪量、蓄滯洪面積及歷時(shí)數(shù)據(jù)，建立的模型無法得到率定和檢驗(yàn)，因此，根據(jù)有關(guān)分蓄洪區(qū)的分析報(bào)告，并參照相關(guān)教材，計(jì)算中采用的糙率如下：農(nóng)田0.050，村莊0.065，河道0.025。如果某網(wǎng)格內(nèi)含有多種地形，則按照各種地形糙率的加權(quán)平均值確定該網(wǎng)格的糙率。此外，經(jīng)驗(yàn)表明，糙率隨水深增加而減小，并趨于穩(wěn)定，據(jù)此規(guī)律確定洪水演進(jìn)計(jì)算中網(wǎng)格的糙率。

陸地邊界處理：陸地邊界的處理方法是令閉邊界的法向流速為0，而沿切線方向的流速為非0值，即： 隨著水位的變化，陸地邊界位置不斷變化，本模型采用“凍結(jié)法”處理這種問題，根據(jù)計(jì)算水位和地面高程判斷網(wǎng)格單元是否露出水面，即定義臨界水深Dh=0.005～0.01 m，當(dāng)水深h＞Dh時(shí)，糙率取正常值，反之糙率取一大值(1010量級(jí))。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 流場(chǎng)

依據(jù)1963年資料提供的廣潤(rùn)坡滯洪區(qū)分洪、退洪情況，由二維水流數(shù)值模型計(jì)算得到整個(gè)滯洪區(qū)流場(chǎng)隨時(shí)間變化過程見圖3、圖4。

由圖3、圖4可以看出，分洪及泄洪過程中，分洪口及泄洪口的流速較大(由箭頭的長(zhǎng)短及顏色變化判斷)；在整個(gè)滯洪過程，水流主要沿滯洪區(qū)內(nèi)地勢(shì)較低洼的中部狹長(zhǎng)地帶行洪。

圖2 網(wǎng)格剖分

圖3 滯洪區(qū)分洪過程流場(chǎng)變化圖

圖4 退洪過程流場(chǎng)變化圖

3.2 水位流速過程

依據(jù)1963年資料提供的廣潤(rùn)坡滯洪區(qū)分洪、退洪情況，由二維水流數(shù)值模型計(jì)算得到各桿塔位置處水深流速隨時(shí)間變化過程曲線。由于大部分塔位處水流流速很小，選取離退洪口門最近、受分洪影響最大的N40塔位進(jìn)行分析，N40塔位水深流速過程線見圖5。

圖5 N40塔位處水深流速過程線

4 最大局部沖刷分析

根據(jù)N40塔位處詳細(xì)地質(zhì)資料，塔位處土層為黏性土，采用《電力工程水文計(jì)算手冊(cè)》黏性土河床局部沖刷公式計(jì)算：

根據(jù)各塔位處土層條件，局部沖刷采用黏性土沖刷的計(jì)算公式和非黏性土沖刷計(jì)算公式。

根據(jù)《電力工程水文計(jì)算手冊(cè)》粘土局部沖刷計(jì)算公式：

當(dāng)hp/B1≥2.5時(shí)：

當(dāng)hp/B1≤2.5時(shí)：

式中：hb為橋渡局部沖刷深度(m)；Kξ為墩形系數(shù)；IL為沖刷坑范圍內(nèi)粘性土液性指數(shù)，該式中IL的適用范圍為0.16～1.48；B1為橋墩計(jì)算寬度(m)；hp為沖刷后水深(m)；V為橋墩前行進(jìn)垂線平均流速(m/s)。

根據(jù)線路結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)資料，N40桿塔設(shè)計(jì)基礎(chǔ)為圓形(墩形系數(shù)為1)樁式基礎(chǔ)，直徑為1.5 m。由于塔位處最大水深不超過2.5 m，故本次沖刷計(jì)算采用公式(5)進(jìn)行計(jì)算。

由式(5)可以看出，局部沖刷深度正比于沖刷后水深及流速，根據(jù)圖5塔位處水深流速過程線可知，最大沖刷深度時(shí)，流速、水深的取值范圍在最大水深出現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)到最大流速出現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)之間(灰色虛線標(biāo)識(shí))。

將水位、流速值代入公式(5)即得出一系列沖刷深度值，取其最大值得出N40塔位處最大沖刷深度為0.4 m。

5 結(jié)論

(1)在分析廣潤(rùn)坡滯洪區(qū)水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，構(gòu)建了滯洪區(qū)分洪過程水流場(chǎng)數(shù)值模型，得到了桿塔基礎(chǔ)處水流的變化過程，為分析最大局部沖刷深度奠定了基礎(chǔ)。

(2)綜合運(yùn)用數(shù)值模擬、數(shù)學(xué)方法、經(jīng)驗(yàn)公式得到桿塔基礎(chǔ)處最大沖刷深度，對(duì)實(shí)際工程計(jì)算具有一定的參考意義。

(3)在整個(gè)分洪及退洪流場(chǎng)圖可以看出，流速較大的區(qū)域主要在分洪、泄洪口門以及中間較為低洼的主要行洪地帶，尤其的分洪、泄洪口門處流速影響相對(duì)較大。本工程桿塔基礎(chǔ)處土壤類型為黏性土壤，該土層抗沖能力較強(qiáng)，故計(jì)算得出的沖刷深度不大，假若在抗沖能力較弱的土層條件下，沖刷的影響程度勢(shì)必會(huì)增加，故建議線路立塔應(yīng)盡量避開分洪、泄洪口門以及較為低洼的主要行洪區(qū)域。