滞洪区分洪对杆塔基础最大局部冲刷分析

张帅领，李 辉，张 磊

(1. 河南省电力勘测设计院，河南 郑州 450007；2. 河南省众慧电力工程咨询有限责任公司，河南 郑州 450007)

由于国民经济的发展以及国家电网建设的进程的加快，越来越多的电力线路必需穿过分蓄洪区，为满足分蓄洪区内电网的安全可靠运行和防汛调度的正常进行的要求，就需要水文专业人员在勘测设计前期准确分析蓄滞洪区分洪过程对线路杆塔基础造成的影响。在蓄滞洪区分洪时，穿越分蓄洪区的架空输电线路，不同于河道水文条件单一稳定的分析计算，受地形条件及区域束水影响，杆塔基础处的水流形态往往比较复杂。所以，准确的模拟出蓄滞洪区洪水演进过程、区域流场形态变化过程、杆塔基础处水位和流速变化过程，对分析该影响程度十分重要。

MIKE21是目前世界范围内应用最为广泛的水力学模型之一，其拥有强大的前、后处理功能，而且可以进行热启动，可以设置涵洞、堰、闸等多种控制性结构，还能够进行干、湿节点与单元的设置等特点，在我国也有很多成功应用案例，如南水北调工程数值模拟、长江综合治理、太湖富营养化模型、杭州湾数值模拟等。本文结合洹安－仓颉500 kV线路工程跨越广润坡分蓄洪区所做的水文分析工作，对分蓄洪区分洪对架空输电线路工程影响的水文分析内容与方法进行介绍，在分析区域水文地质条件基础上，构建了平面二维水流数学模型，准确模拟出分洪过程中线路工程杆塔处的水流过程，然后结合水文计算及数学概化的方法得到塔基础的最大冲刷深度。

1 水文、地质条件

洹安－仓颉Ⅱ回500 kV线路工程，起于安阳洹安500 kV变电站，终于濮阳仓颉500 kV变电站。拟建工程在安阳新区高庄镇遵贵屯村东北、S22省道南侧进入广润坡滞洪区、在河南汤阴县菜元镇葛庄村东出广润坡滞洪区，长度为10.61 km，本滞洪区内线塔为N19～N27、N33～N45，共22座(图1)。

广润坡蓄滞洪区位于海河流域卫河水系汤河中下游，历史上是天然洼地，主要承滞汤河、永通河、羑河超标准洪水。广润坡滞洪区分两级滞洪，蓄滞洪区总面积为152.79 km2。其中一级蓄滞洪区建于1956年，东南以汤河左堤为界，东防洪提为其东边界，北部为自然高地，西部以西防洪堤、羑河堤及自然高地为界，南北宽约13 km，东西长约15 km，面积为71.82 km2，设计滞洪水位57.00 m，相应滞洪量0.73×108m3，本线路工程经过区域在一级滞洪区内。滞洪区地势总体上自西南向东北倾斜，自然坡降1/3500～1/5000；区域分布有村庄和农田，表层土壤主要为粉质粘土，厚度大于5 m。

图1 线路杆塔在广润坡滞洪区位置图

滞洪区运用原则：当汤河双石桥来水超过300 m3/s，水位超过63.00 m 时，上游来水量继续增大，在双石桥破汤河河左堤分洪入广润坡一级蓄滞洪区。当广润坡一级蓄滞洪区蓄水位达到57.00 m时，在王贵庄溢洪堰漫流入广润坡二级蓄滞洪区。

进洪方式：广润坡蓄滞洪区采用破堤扒口进洪方式。退洪方式：广润坡蓄滞洪区退洪方式为无控制自然泄洪，蓄洪水位达到57 m时，王贵庄溢流堰开始泄洪；当水位低于57 m时，王贵庄溢流堰停止泄洪，之后由羑河河道缓慢泄洪。

1963年8月豫北地区普降大暴雨，造成了严重的洪涝灾害，是建国以来最大的一次，1963 年最高滞洪水位58.47 m，滞洪量1.55×108m3，滞洪历时25 d，本次计算将以此次洪水的受淹情况作为分析论证的主要依据。

表1 水位库容对照

2 构建平面二维水流数值模型

2.1 基本方程

二维水流数学模型的计算采用有限体积法，非恒定流基本方程如下：

水流连续性方程

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动量方程

式中：t为时间；x、y、z为右手Cartesian坐标系；η为水面相对于未扰动基面的高度，即水位；u、v为流速在x、y方向上的分量；Pa为当地气压；g为重力加速度；h为静止水深 ；ρ为水的密度，ρ0则是参考水密度；f=2Ωsinφ为 Coriolis 参数(其中Ω是地球自转角速率，φ为地理纬度)；fv和fu为地球自转引起的加速度；Sxx、Sxy、Syx、Syy为辐射应力分量 ；Txx、Txy、Tyx、Tyy为水平粘滞应力项 ；τsx、τsy、τhx、τhy为河床边界水流切应力在x、y方向上的分量；S为源汇项；uS、vS源汇项水流流速。

2.2 模型概化

计算时所需的初始条件包括：滞洪区地形，滞洪区内的积水深；边界条件为：水流边界条件为分洪、泄洪口门，外边界为滞洪区四周围堤。

地形数据、网格和糙率：数学模型计算的地形数据采用河南省电力勘测设计院三维数字中心提供的1∶10000地形资料，并用1994年6月河南省防汛抗旱指挥部办公室编制的《河南省滞洪区进本资料汇编》作参考(其中滞洪区地图比例尺为1.5∶100000)。网格剖分为最大网格面积不超过50000 m2，并在工程所在区域进行局部加密，加密后最大网格面积不超过10 m2(见图2)。由于滞洪区内没有实测分洪、泄洪资料，只有统计的蓄滞洪水位，蓄滞洪量、蓄滞洪面积及历时数据，建立的模型无法得到率定和检验，因此，根据有关分蓄洪区的分析报告，并参照相关教材，计算中采用的糙率如下：农田0.050，村庄0.065，河道0.025。如果某网格内含有多种地形，则按照各种地形糙率的加权平均值确定该网格的糙率。此外，经验表明，糙率随水深增加而减小，并趋于稳定，据此规律确定洪水演进计算中网格的糙率。

陆地边界处理：陆地边界的处理方法是令闭边界的法向流速为0，而沿切线方向的流速为非0值，即： 随着水位的变化，陆地边界位置不断变化，本模型采用“冻结法”处理这种问题，根据计算水位和地面高程判断网格单元是否露出水面，即定义临界水深Dh=0.005～0.01 m，当水深h＞Dh时，糙率取正常值，反之糙率取一大值(1010量级)。

3 数值模拟结果

3.1 流场

依据1963年资料提供的广润坡滞洪区分洪、退洪情况，由二维水流数值模型计算得到整个滞洪区流场随时间变化过程见图3、图4。

由图3、图4可以看出，分洪及泄洪过程中，分洪口及泄洪口的流速较大(由箭头的长短及颜色变化判断)；在整个滞洪过程，水流主要沿滞洪区内地势较低洼的中部狭长地带行洪。

图2 网格剖分

图3 滞洪区分洪过程流场变化图

图4 退洪过程流场变化图

3.2 水位流速过程

依据1963年资料提供的广润坡滞洪区分洪、退洪情况，由二维水流数值模型计算得到各杆塔位置处水深流速随时间变化过程曲线。由于大部分塔位处水流流速很小，选取离退洪口门最近、受分洪影响最大的N40塔位进行分析，N40塔位水深流速过程线见图5。

图5 N40塔位处水深流速过程线

4 最大局部冲刷分析

根据N40塔位处详细地质资料，塔位处土层为黏性土，采用《电力工程水文计算手册》黏性土河床局部冲刷公式计算：

根据各塔位处土层条件，局部冲刷采用黏性土冲刷的计算公式和非黏性土冲刷计算公式。

根据《电力工程水文计算手册》粘土局部冲刷计算公式：

当hp/B1≥2.5时：

当hp/B1≤2.5时：

式中：hb为桥渡局部冲刷深度(m)；Kξ为墩形系数；IL为冲刷坑范围内粘性土液性指数，该式中IL的适用范围为0.16～1.48；B1为桥墩计算宽度(m)；hp为冲刷后水深(m)；V为桥墩前行进垂线平均流速(m/s)。

根据线路结构相关设计资料，N40杆塔设计基础为圆形(墩形系数为1)桩式基础，直径为1.5 m。由于塔位处最大水深不超过2.5 m，故本次冲刷计算采用公式(5)进行计算。

由式(5)可以看出，局部冲刷深度正比于冲刷后水深及流速，根据图5塔位处水深流速过程线可知，最大冲刷深度时，流速、水深的取值范围在最大水深出现的时间节点到最大流速出现的时间节点之间(灰色虚线标识)。

将水位、流速值代入公式(5)即得出一系列冲刷深度值，取其最大值得出N40塔位处最大冲刷深度为0.4 m。

5 结论

(1)在分析广润坡滞洪区水文地质条件基础上，构建了滞洪区分洪过程水流场数值模型，得到了杆塔基础处水流的变化过程，为分析最大局部冲刷深度奠定了基础。

(2)综合运用数值模拟、数学方法、经验公式得到杆塔基础处最大冲刷深度，对实际工程计算具有一定的参考意义。

(3)在整个分洪及退洪流场图可以看出，流速较大的区域主要在分洪、泄洪口门以及中间较为低洼的主要行洪地带，尤其的分洪、泄洪口门处流速影响相对较大。本工程杆塔基础处土壤类型为黏性土壤，该土层抗冲能力较强，故计算得出的冲刷深度不大，假若在抗冲能力较弱的土层条件下，冲刷的影响程度势必会增加，故建议线路立塔应尽量避开分洪、泄洪口门以及较为低洼的主要行洪区域。