辽中电力线路电塔对辽河洪水流场的影响

刘　冰

(辽宁省北票市水资源办公室，辽宁 北票 122100)



辽中电力线路电塔对辽河洪水流场的影响

刘冰

(辽宁省北票市水资源办公室，辽宁 北票 122100)

电力线路电塔是河道中的常见工程，其对河道洪水流场影响尚缺少详细的分析成果。文章针对辽河中辽中电力线路电塔，采用HEC-RAS软件和标准 湍流模型对辽河河道和电塔桩基附近水流流场进行计算分析，通过区分主槽和滩地两种情况，在影响范围、回流、涡街等方面得出结论。

辽中；送电线路；电塔；流场；回流

1　综　述

1.1辽中送电线路项目概况

辽中电线路工程于辽中县养士堡乡腰屯(左岸)和满都户镇古城子(右岸)跨越辽河。其断面位置位于辽河大断面112断面～113断面之间。本次线路于106省道辽河大桥上游约1.3km处，辽中县养士堡乡腰囤(左岸)～辽中县满都户镇古城子(右岸)一线跨越辽河，跨越断面较初步设计阶段向上游平移约1.1km，回到可研阶段跨河断面处。

本次线路跨越点下游约300m处辽河大桥下游已建的66kV线路基础加高约3m，2011年汛期基础全部淹没。本次线路跨越段辽河主槽宽约150m，堤防间距3.5km，堤高7m，堤顶宽6m，迎水侧边坡1:2.5，背水侧边坡1:3.5，迎水侧堤脚植有约50m宽的杨树带。辽河滩地农作物主要为玉米。河床质由沙壤土组成，颗粒较小。据现场调查，大水时，滩地内的房屋只露屋顶，滩地玉米也被淹没，大水时滩地淹深约3.5～4.5m。本跨越点约有3.5km线路路径受辽河洪水影响。

本次电线塔跨越辽河的电线塔共8座，其桩号分别为27#～34#，距左岸堤防迎水侧堤脚最小垂直距离分别为80、790、1340、1735、2139、2550、2958和3340m，其基座为4个直径0.5m的圆形桩基础。

大水时滩地淹深约1.5～2.5m，自然地面冲刷深度约0.8m，且河滩地区的地质条件较差，因此在跨河塔位、河滩、等不良地质条件的情况下采用群桩承台灌注桩基础露头需3m以上。淤泥、流塑土等情况根据塔型采用单桩或承台灌注桩基础[1]，灌注桩基础耗钢量和混凝土量均较大且施工费用较高，工程中将尽量控制使用。

1.2跨越辽河段河道基本情况

电线塔跨越处为辽河干流的柳河口～卡力马河段，长约55.4km，因受柳河泥沙淤积影响，河床逐年抬高，平均河宽240m，河床比降0.17‰，河槽宽浅，宽深比为7.54～37.42。左岸为辽中县养士堡乡腰屯，右岸为辽中县满都户镇古城子。电线塔跨越辽河处100 a一遇设计洪峰流量均为5250 m3/s。

电线塔跨越处地形地貌及河道地质情况以主体上受辽河干流冲於的滩地为主，其中间分布着坑塘，地势有起伏，但大体上属于平原地带，大范围内地势起伏较小。其地质条件为，地平线下0～1.1m处为粉质黏土，其下依次分布着中砂(1.1～6.0m)、细沙(6.0～18.0m)、中砂(18.0～21.0m)和细沙(21.0～30.0m)。

1.3工程所在河段河道演变趋势

辽河线路跨域河段为蜿蜒型河道，蜿蜒型河道[2]的特点是滩地宽阔，河槽窄深，河床边界质的抗冲性能差。跨越处河道弯曲，横向、纵向演变比较剧烈。从第2代1∶50 000地形图和2010年前卫星图片对比来看，跨越河段上游河道近30a来已经发生了很大的变化，交替发生截湾取直、冲刷演变情况，整体有左岸冲刷、右岸淤积的发展趋势。据现场洪水调查及测量专业实地岸线测量成果，2010年汛期，跨越断面上游主河道受洪水冲刷影响，发生演变，河湾截湾取直，新形成的河道长度约500m，均为2010年洪水冲刷形成，顶冲点至跨越断面距离仅约180m。经实地测量，2011年汛后定位期间较讯前选线期间跨越断面断面弯道顶冲点处塌岸逾30m。

辽河左岸27#跨越塔位于辽河左岸滩地处，距左侧大堤坡脚约100m，与辽河主河道间有10余排护岸杨树及民堤改建的辽堤路相隔，相距约300m，塔位相对较为安全不受辽河河道横、纵向演变影响。辽河右岸28#跨越塔位于辽河右岸荒滩，距辽河现有岸线约200m，期间多为2010年、2011年形成的沙质淤积三角洲，抗冲刷能力极差。

28#塔位位于近年来辽河右岸不断淤积形成的沙洲上，塔位处多由粉细沙淤积而成，抗冲刷能力极差，上游200～800m处2010年刚刚发生截弯取直，上游滩地亦有粉细沙组成，抗冲刷能力较差，上游顶冲点向塔位处发展速度较快，预计河道再次发生截弯取直，将塔位处冲开形成主河道的几率极大。

2　河段洪水一维水力计算

2.1边界条件

河道水力计算采用软件HEC-RAS一维模型[3]，依据2005年地形测量资料，计算范围从红庙子公路桥(辽中水文站断面)向上游至送电线路跨越断面处，计算范围内河道全长12500m；布置计算横断面24个。计算区间内，河道无支流汇入干流。

计算流量针对辽河干流石佛寺以下设计防洪标准为100 a一遇，其相应河段流量为5 250 m3/s。

起点水位以辽中水文站断面为起始断面，查其水位流量关系曲线知起点水位为16.8m。

本次计算采用的糙率值参考辽河规划资料，并结合滩地植被情况综合考虑确定。辽河河段为平原河道且河槽极度弯曲，且平均水深>2m，选取主槽糙率为0.035；河滩地上植被较多，树林成片，阻水严重，其糙率值较大，糙率取值为0.085。

2.2一维水力学计算成果

经计算，得到辽河干流红庙子公路桥至电线塔跨越处100 a一遇洪水水位成果，其中跨越处断面处水位高程20.4m，主河槽和滩地平均流速分别为1.11m/s和0.32m/s，河道水面宽度3523.05m。

3　河段洪水二维计算

3.1基本控制方程及边界条件

当洪水来临时，跨越在河道内的电线塔桩基会对其周围的水流流场造成影响。

电线塔桩基绕流运动的控制方程可以采用标准k-ε湍流模型[4]。即：

连续性方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

k-ε湍流模型：

(3)

(4)

3.2计算区域和边界条件

在100 a一遇洪水的情况下，河道内水位高程20.4m，针对主槽和边滩的不同流速1.11m/s和0.32m/s的情况下分别对其进行讨论、计算和分析。

本次计算所建立的简化物理模型：将单个电塔的4个圆形桩基做出水平投影，建立二维的模型，针对主槽和滩地不同的水流速度用有限体积法(FVM)的进行求解。

考虑到电塔对周围水流流场产生影响的大致范围，选取的研究对象为沿水流方沿水流方向长、宽均为40m的水平截面，将单个电塔的四个圆形桩基做出水平投影，建立二维的模型，针对主槽和滩地不同的水流速度用有限体积法(FVM)的进行求解；此即二维模型的计算域，将计算域进行离散，建立网格，其分布情况：节点数162801，单元数161940，其具体情况如图1、图2、图3；图中镂空的实心圆代表竖立在水中的电塔的四个圆柱桩基础，直径为1.0mm。

图1　电塔桩基网格划分示意图

图2　靠左岸两个桩基网格细部划分示意图

图3　靠右岸两个桩基网格细部划分示意图

3.3计算结果及分析

3.3.1主槽内电塔流场

河道内水位高程20.4m，主槽相应流速为1.11m/s的情况下，计算结果参见电塔桩基周围流速流速等值云图见图4。

图4　主槽内电塔桩基周围流速流速等值云图

分析图4可知，由于电线塔4个桩基的存在，使得水流在横(Y)向和纵(X)向都受到影响；横(Y)向挤压影响范围约为左右各2m；桩基下游纵(X)向水流摆动范围达到20m，宽度约为6m。而且在桩基下游产生回流和涡街，回流范围约为5m，回流最大流速约在0.4m/s左右；涡街范围也达到20m，其局部流速约在1.4m/s左右。

3.3.2滩地内电塔流场

河道内水位高程20.4m，滩地相应流速为0.32m/s的情况下，计算结果参见电塔桩基周围流速流速等值云图见图5。

图5　滩地内电塔桩基周围流速流速等值云图

分析上图5可知，滩地电线塔桩基同样使得水流在横(Y)向和纵(X)向都受到影响；横(Y)向挤压影响范围约为左右各1.5m；桩基下游纵(X)向水流摆动范围达到20m，宽度约为5m。而且桩基下游产生回流和涡街，回流范围约为5m，回流最大流速约在0.05m/s左右；涡街范围也达到20m，其局部流速约在0.4m/s左右。

4　结　论

综上，当修建电线塔后，电线塔桩基会对周边局部的水流流场产生一定影响，主槽比滩地内的所受影响程度要大。其影响主要表现为：影响范围横向为5～6m，纵向为20m；桩基下游5m左右产生回流，20m范围产生涡街；局部流速增大20%～30%。

[1]王刚耀.110kV电塔锚杆-承台基础的工程实录[J].土工基础,2003，17(3):10-12.

[2]韩文利.辽河河道演变及治理[J].东北水利水电，2002，20(12):21-22.

[3]方园皓，张行南，夏达忠.HEC-RAS系列模型在洪水演进模拟中的应用研究[J].三峡大学学报(自然科学版)，2011，33(2):12-15.

[4]魏文礼.紊流模型理论与工程应用[M].西安:陕西科学技术出版社,2006:84-86.

[5]赵恩宝.长江口水文、泥沙过程与圆桩冲刷的数值模拟[D].北京:中国科学院研究生院,2008.

Effect of Electric Power Line Tower of Middle Liaoning Province on Flood Flow Field in Liao River

LIU Bing

(Beipiao Urban Water Resources Office Liaoning Province，Beipiao 122100,China)

Electric power line tower is a common project in river channel，detailed analysis is still lacking on how it affects the flow field of a river.This paper uses the HEC-RAS software and the standard turbulence model to calculate and analyze the flow field near the Liaohe River and tower pile foundation based on the electric power line tower in Middle Liaoning Province，and comes to the conclusion on affected area，reflux and vortex etc by distinguish the main channel and floodplain.

Middle Liaoning Province；power transmission line；electric tower；flow field；reflux

1007-7596(2016)05-0012-04

2016-03-25

刘冰(1980-)，女，辽宁北票人，工程师，从事水文水资源管理工作。

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