特高压汉江大跨越工程滩地立塔的二维数值计算

朱洪英，胡昌盛

(1.国网北京经济技术研究院，北京市100052;2.中南电力设计院，武汉市430071)

0 引言

输电线路大跨越工程滩地立塔时，通常采用一维数学模型来计算河流跨越断面的平均流速，无法根据河床的具体地形及水文条件计算塔位处的流速及塔位对河道行洪的影响［1-10］。本文以某1000kV输电线路工程为例，采用地表水模拟系统(surface water modeling system，SMS)计算跨越河段在设计洪水条件下跨越塔位处流场分布、局部冲刷深度及跨越塔对河道行洪的影响，从而为论证滩地立塔可行性提供依据。

1 SMS软件

SMS具有一维、二维、三维地表水前置处理、分析计算、后置处理等功能，主要有:一维HEC-RAS模型;二维河流及河口RMA2模块、HIVEL2D模块、Flo2dh模块;三维河流及河口RMA10模型、CH3D模型等。本文采用RMA2模块计算二维平面流场。

RM2模型可应用于河流、水电厂、取排水、桥梁、河口、水库等流场计算，可以计算恒定及非恒定流，并考虑天气状况及地球的自转。

RMA2程序处理流程见图1，RMA2有限元控制方程为

式中:h为水深;u、v分别为x、y方向的垂线平均流速;r为液体密度;Exx、Eyy分别为x、y方向的紊动粘性系数;g为重力加速度;a为底部高程;n为曼宁糙率系数;ξ为风速切变系数;ω为地球自转角速度;φ为当地纬度;Va为风速;ψ为风向。

图1 RMA2分析计算流程Fig.1 RMA2 calculation flowchart

2 工程河段流域洪水概况

跨越河段位于汉江中游，跨越处百年一遇洪峰控制流量按1935年典型洪水及丹江口水库大坝加高后洪水情况考虑确定为21 000m3/s。汉江是长江中下游最大的支流，发源于陕西省秦岭南麓，流经陕西、湖北两省，于武汉市汇入长江，干流全长为1 571 km，流域面积为1.59×105km2。汉江丹江口以上称上游，丹江口至钟祥称中游，钟祥以下称下游。上游集水面积为9.52×104km2，为山地和丘陵，平均河床比降在0.6‰以上;中游集水面积4.682×104km2，为平原、丘陵及河谷盆地，河道宽阔，河滩众多，河床不稳定，河床平均比降为0.2‰左右;下游流经江汉平原，河道弯曲，河床比降较窄，约0.1‰。

受地形条件和气候的影响，汉江流域上游常因集中暴雨而突发峰高量大的洪水，防洪问题十分突出。尤其是中下游，河槽泄洪能力与上游洪水来量极不平衡，加之下游出口受长江水位顶托的影响，历史上洪水灾害频繁而且严重，是长江中游洪灾严重地区之一。据统计，1822—1954年132年中，有68年堤防发生溃口;1931—1955年，有15年发生溃口，达到3年2溃的频率;近50年来以发生大洪水的年份有1954、1964、1983、2003年等。

3 河道边界条件

本输电工程跨越处河道宽2 600m，左、右岸均滩地立塔，跨江塔高 196.8m，杆塔底部尺寸约40m×40m。工程跨越断面上游700m处左岸为山矶节点，河道主要为堤防控制。跨越断面左岸堤顶高程为54.1m，右岸堤顶高程为50.8m。工程断面为复式河床，右岸大堤外滩地宽度约为520m，滩地高程为45.0～47.0m。左岸滩地宽度为1 000～1 500m，滩地高程为43.0～47.0m。

工程断面左、右岸滩地河床成分以粉质粘土为主，左岸岸线冲淤变化较大，右岸相对稳定。工程附近主河床以粉砂为主，冲淤变化较大。近年来，工程区域堤防进行了加固、护岸工程，堤防对河势的控制作用得到加强。

4 大跨越工程滩地立塔二维有限元计算

选用跨越河段的实测河床地形图作为计算的地形边界条件。由于SMS划分网格十分自由，可以将主河槽、边滩分开进行网格划分，可以根据塔位的形状、大小进行塔位处局部网格划分，网格可以为不规则的三角形及四边形等，而且容易收敛，可以根据不同的塔基形式进行网格划分。

首先，沿河道控制边界及滩地与主槽分界线处构造特征线，分别构造主槽与滩地的计算网格;然后，重新均匀分布特征线的特征点。本工程采用100m构造节点(两岸特征线、上/下游的特征点空间大小与岸线的应基本一致，这样可以保证网格尺寸构造合理，满足计算要求)，这样生成的网格约为100m×100m，塔位附近的网格小于50m×50m，以适应塔位处网格划分。计算河段网格见图2(深色部分为主槽，其他为滩地)。

图2 计算分析河段有限元网格Fig.2 Finite element mesh of rivers near the tower location

网格生成后，运用网格质量检查工具进行网格质量检查，对于质量较差、可能在计算不收敛的网格进行修正处理。

5 二维流场计算

根据河道边界生成河道有限元网格，采用恒定流模式计算百年一遇设计洪水条件下流场情况。计算过程如下:

(1)假定堤岸固体边界法向流量为0，对上、下游水边界进行赋值，塔位处网格采用不过流处理，即塔基所在网格法向流速为0。

(2)对于滩地和主槽，分别输入相应的湍流、糙率等参数。本河段主河槽糙率为0.025，滩地糙率为0.035～0.05。

(3)输入边界条件，如:上游设计流量，下游初始水位，糙率，最大迭代次数，收敛水深，干、湿判断条件，粘性系数等。入口洪水采用本河段百年一遇洪峰流量及下游相应的水位。

(4)对水深情况和网格质量进行检查，如果在计算过程中存在可能干的节点，建议在模型控制中打开干、湿条件判断。

(5)在完成初始条件、材料赋值、模型控制、模型检验后，开始计算，在计算收敛的情况下，1～2 min可完成计算，并自动生成水位、流速、流向成果文件供SMS后处理后用。

计算结果采用SMS后处理模块进行后处理，流迹线跟踪图见图3，绕流效果明显。计算流场及塔位处的放大流场图见图4，塔位处不同设计流量下的流速见表1。根据塔位处流速及地质资料，利用粘性土河床桥墩局部冲刷计算公式计算求得塔位处最大局部冲刷深度见表1。

表1 跨江塔塔基处流速计算结果Tab.1 Calculation results of flow speed at river-crossing tower foundation

根据对建塔前后的水位变化比较，左/右岸塔位前最大水位壅高不超过0.01m，对河道行洪影响很小。

6 结语

本文利用SMS模型计算了特高压汉江跨越滩地立塔处的流速，并根据塔位处流速及地质资料进行了局部冲刷分析，塔位处网格采用不过流处理，改变以往用提高糙率方式来模拟塔位对流场的影响，较好体现了塔位建设对流速分布的影响。SMS计算成果显示左、右岸塔位处最大流速为0.71m/s，最大冲刷深度为2.10m，左、右岸滩地立塔均可行，由此可见，SMS可为线路选择滩地流速相对较低、冲刷深度较小及对河道行洪影响较小的位置立塔提供重要依据，且操作简便，成果可视性强。

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