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滯洪區(qū)分洪對(duì)桿塔基礎(chǔ)最大局部沖刷分析

2018-08-31 08:01張帥領(lǐng)
電力勘測(cè)設(shè)計(jì) 2018年8期
關(guān)鍵詞:分洪滯洪區(qū)水深

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(lái)越多的電力線路必需穿過(guò)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(guò)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(guò)程、區(qū)域流場(chǎng)形態(tài)變化過(guò)程、桿塔基礎(chǔ)處水位和流速變化過(guò)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(guò)程中線路工程桿塔處的水流過(guò)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(yáng)洹安500 kV變電站,終于濮陽(yáng)倉(cāng)頡500 kV變電站。擬建工程在安陽(yáng)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(guò)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(lái)水超過(guò)300 m3/s,水位超過(guò)63.00 m 時(shí),上游來(lái)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(wú)控制自然泄洪,蓄洪水位達(dá)到57 m時(shí),王貴莊溢流堰開(kāi)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(lái)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(kù)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(guò)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(kāi)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(lái)的樂(lè)趣。如教學(xué)識(shí)字過(guò)程中,教師通過(guò)創(chuàng)編兒歌,口述故事,或者猜字謎等課堂小游戲的方法來(lái)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(lè)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(guò)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(guò)10 m2(見(jiàn)圖2)。由于滯洪區(qū)內(nèi)沒(méi)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(wú)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(wèn)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(guò)程見(jiàn)圖3、圖4。

由圖3、圖4可以看出,分洪及泄洪過(guò)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(guò)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(guò)程流場(chǎng)變化圖

圖4 退洪過(guò)程流場(chǎng)變化圖

3.2 水位流速過(guò)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(guò)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(guò)程線見(jiàn)圖5。

圖5 N40塔位處水深流速過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)分洪、泄洪口門以及較為低洼的主要行洪區(qū)域。

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