朱洪英，胡昌盛

(1.國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市100052;2.中南電力設(shè)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(shù)學(xué)模型來計算河流跨越斷面的平均流速，無法根據(jù)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(tǒng)(surface water modeling system，SMS)計算跨越河段在設(shè)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(jù)。

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(yīng)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(zhuǎn)。

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(shù);g為重力加速度;a為底部高程;n為曼寧糙率系數(shù);ξ為風(fēng)速切變系數(shù);ω為地球自轉(zhuǎn)角速度;φ為當(dāng)?shù)鼐暥?Va為風(fēng)速;ψ為風(fēng)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(fā)源于陜西省秦嶺南麓，流經(jīng)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(wěn)定，河床平均比降為0.2‰左右;下游流經(jīng)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(fā)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(zāi)害頻繁而且嚴(yán)重，是長江中游洪災(zāi)嚴(yán)重地區(qū)之一。據(jù)統(tǒng)計，1822—1954年132年中，有68年堤防發(fā)生潰口;1931—1955年，有15年發(fā)生潰口，達(dá)到3年2潰的頻率;近50年來以發(fā)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(jié)點(diǎn)，河道主要為堤防控制?？缭綌嗝孀蟀兜添敻叱虨?4.1m，右岸堤頂高程為50.8m。工程斷面為復(fù)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(zhì)粘土為主，左岸岸線沖淤變化較大，右岸相對穩(wěn)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(qū)域堤防進(jìn)行了加固、護(hù)岸工程，堤防對河勢的控制作用得到加強(qiáng)。

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(shí)測河床地形圖作為計算的地形邊界條件。由于SMS劃分網(wǎng)格十分自由，可以將主河槽、邊灘分開進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以根據(jù)塔位的形狀、大小進(jìn)行塔位處局部網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格可以為不規(guī)則的三角形及四邊形等，而且容易收斂，可以根據(jù)不同的塔基形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

首先，沿河道控制邊界及灘地與主槽分界線處構(gòu)造特征線，分別構(gòu)造主槽與灘地的計算網(wǎng)格;然后，重新均勻分布特征線的特征點(diǎn)。本工程采用100m構(gòu)造節(jié)點(diǎn)(兩岸特征線、上/下游的特征點(diǎn)空間大小與岸線的應(yīng)基本一致，這樣可以保證網(wǎng)格尺寸構(gòu)造合理，滿足計算要求)，這樣生成的網(wǎng)格約為100m×100m，塔位附近的網(wǎng)格小于50m×50m，以適應(yīng)塔位處網(wǎng)格劃分。計算河段網(wǎng)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(wǎng)格Fig.2 Finite element mesh of rivers near the tower location

網(wǎng)格生成后，運(yùn)用網(wǎng)格質(zhì)量檢查工具進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，對于質(zhì)量較差、可能在計算不收斂的網(wǎng)格進(jìn)行修正處理。

5 二維流場計算

根據(jù)河道邊界生成河道有限元網(wǎng)格，采用恒定流模式計算百年一遇設(shè)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(jìn)行賦值，塔位處網(wǎng)格采用不過流處理，即塔基所在網(wǎng)格法向流速為0。

(2)對于灘地和主槽，分別輸入相應(yīng)的湍流、糙率等參數(shù)。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(shè)計流量，下游初始水位，糙率，最大迭代次數(shù)，收斂水深，干、濕判斷條件，粘性系數(shù)等。入口洪水采用本河段百年一遇洪峰流量及下游相應(yīng)的水位。

(4)對水深情況和網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，如果在計算過程中存在可能干的節(jié)點(diǎn)，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(yàn)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(jié)果采用SMS后處理模塊進(jìn)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(shè)計流量下的流速見表1。根據(jù)塔位處流速及地質(zhì)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(jié)果Tab.1 Calculation results of flow speed at river-crossing tower foundation

根據(jù)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(jié)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(jù)塔位處流速及地質(zhì)資料進(jìn)行了局部沖刷分析，塔位處網(wǎng)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(xiàn)了塔位建設(shè)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(jù)，且操作簡便，成果可視性強(qiáng)。

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