浅析高压线塔对浑河沈阳城市段水力特性及行洪安全的影响

杨水草

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

浑河发源于辽宁省东部抚顺市清原县湾甸子镇长白山余脉龙岗山脉的滚马岭，自东北向西南注入渤海湾。河道长495km，流域面积28260km2。

浑河为沈阳的母亲河，纵贯沈阳市，近些年，随着沈阳市的不断发展，跨河桥梁、跨河电力线路、穿河管线等跨河工程不断修建。本文以沈阳市某220kV高压线移设工程为例，采用河道二维水力计算，进行跨河高压线塔对沈阳城市段河道流场及行洪安全的影响分析。

1 河道壅水计算

1.1 模型计算范围

该220kV高压线移设工程跨浑河段位于长大铁路桥和南阳湖桥之间，为避免模型进出口边界影响，计算范围确定为砂山橡胶坝(位于长大铁路桥上游1078m)至浑河闸，河长8.21km。

1.2 计算方案

满融地区220kV浑太、白太高压线移设工程跨河段位于长大铁路桥下游0.39km，工程防洪标准50a一遇，本河段左岸堤防设计防洪标准为100a一遇，右岸防洪标准为300a一遇。

因此，本次水力计算浑河计算频率P需包括2%、1%、0.33%。

1.3 计算方法

计算采用Mike21 FM软件中的HD模块建立模型，该模块采用垂向平均二维浅水方程，离散方法为有限差分法，计算方法采用ADI(Alternating Direction Implicit)和DS(Double Sweep)格式，其基本方程如下。

垂向平均二维浅水方程：

(1)

(2)

(3)

质量守恒方程：

(4)

动量方程：

(5)

(6)

式中，h—水深,m；ζ—水面高程,m；p、q—x、y方向的单宽流量，其中p=uh，q=vh,u、v分别为x,y方向上沿水深的平均流速；c—谢才系数；g—重力加速度；f—风摩擦系数；V、Vx、Vy—风速及在x、y方向上的分量，m/s；Ω—柯氏力参数，s-1；pa—大气压强，kg/(m·s-2)；ρω—水的密度，kg/m3；S、Six、Siy—源汇项及在x、y方向上的分量；τxx、τxy、τyy—有效剪切力分量。

塔基对水流的影响在模型中是通过计算单个桥墩对水流的拖曳力来体现，有效拖曳力定义如下：

(7)

式中，γ—流线因子(典型值为1.02)；CD—拖曳力系数；Ae—塔基的有效阻水面积；其他变量含义同前所述。

1.4 模型概化

本次水力计算采用的地形资料为：二维计算地形图以2008年浑河1∶1000带状地形图为主要依据。参考2011年河道横断面图、2012年浑河左岸长大铁路桥至浑河闸段1∶2000地形图，及Google Earth 2018年航拍图，对滩地进行修正，对新建的公园、广场等进行相应的处理。

河道主槽地形根据《浑河沈阳城区段防洪规划修编报告》(以下简称《规划修编》)中的设计河底进行处理。

地形处理主要分以下部分：河道主槽和过流滩地，由于本河段滩地内主要为公园、足球场、广场等，无居民区，地势开阔，故本次计算滩地采用面积不大于2000m2的网格进行概化；主槽采用面积不大于1000m2的网格进行概化；为了更为准确地反映跨河线路对水流影响，杆塔位置计算网格加密，采用面积不大于1m2的网格进行概化。

杆塔概化，为了较好反映杆塔附近水流形态和壅水作用，并偏安全考虑，将杆塔从基础至塔顶均做不过水处理，采用局部加高地形的方式概化。概化后地形如图1所示，杆塔处网格如图2所示。

图1 概化后地形示意图

图2 杆塔处网格划分示意图

1.5 边界条件及水文

(1)起点水位。“长大铁路桥～浑河闸段”河道水力计算起点水位采用《浑河闸整体水工模型试验初步报告》成果，即以浑河闸改建后的闸上水位流量关系作为起点计算水位，见表1。

表1 浑河长大铁路桥～浑河闸段水力计算起点水位成果

(2)水文条件。50、100、300a设计洪峰流量分别为4174、4939、6294m3/s。

1.6 计算参数

Mike21 FM模型在建立完二维地形后，需对模型所使用的参数进行设定，主要参数如下。

(1)计算区域的曼宁值(糙率)。计算区域的曼宁值反映区域内不同地物对水流的阻力作用，和地形网格相对应。根据河道形态及植被、附着物等，参考《水力学计算手册》，结合浑河水面线计算经验，主槽糙率取值0.025～0.035，滩地糙率取值0.05～0.10。

(2)涡旋粘性系数。选用Smagorinsky formulation湍流模型，涡旋粘性系数根据本地区河段二维计算经验取0.28。

(3)模型干湿度。模型干湿度是模型在计算二维洪水演进时判断水流在网格间传递的2个参数，低于drying depth洪水不再演进，高于drying depth低于flooding depth洪水演进但不参与计算，高于flooding depth洪水演进且参与计算，此参数越大模型越稳定，根据现场查勘对滩面组成的分析，本次计算drying depth选用0.01m，flooding depth选用0.05m。

(4)时间步长及CFL数。模型采用非恒定流计算恒定流方法，时间步长设定为10s，计算过程中超过10h水位保持不变，即认为模拟洪水达到稳定。CFL数可近似理解为模型空间步长与时间步长之比，模型通过自动调节时间步长，来保证CFL数小于设定值，以保证模型的计算迭代稳定，本次计算最大CFL数设定为0.8。

1.7 计算成果

P=2%，P=1%、P=0.33%工程后水位影响范围分别如图3—5所示，工程前后流速对比如图6—8所示。P=0.33%工程前后杆塔处的流场变化如图9—10所示，P=2%、P=1%工程前后流场图与P=0.33%类似，不再列出。

图3 P=2%条件下工程后水位影响范围

图4 P=1%条件下工程后水位影响范围

图5 P=0.33%条件下工程后水位影响范围

图6 P=2%条件下工程后流速影响范围

图7 P=1%条件下工程后流速影响范围

图8 P=0.33%条件下工程后流速影响范围

图9 工程前杆塔处局部流场(P=0.33%)

图10 工程后杆塔处局部流场(P=0.33%)

2 成果分析

由图3—5可以看出，在50、100、300a一遇条件下，1#杆塔位置局部水位壅高值分别为0.08、0.06、0.07m；2#杆塔位置部水位壅高值分别为0.18、0.21、0.25m；3#杆塔位置部水位壅高值分别为0.06、0.08、0.11m。1#、2#、3#杆塔对上游水位的影响范围在胜利桥位置(工程位置上游约710m)基本消失，在两岸堤脚位置水位壅高不足0.015m。浑河本段两岸堤防设计超高均为2m，因此该220kV高压线移设工程的建设不会对两岸防洪标准造成较大影响，对河道行洪亦影响较小。

由图6—8以及图9—10中可以看出由于杆塔的存在导致杆塔上游水位壅高，流速较工程前减小。由于塔基的阻挡水流向塔基两侧分流，导致塔基两侧局部单宽流量增加，流速变大，50、100、300a一遇条件下各杆塔处流速最大增加值分别为0.4、0.6、0.6m/s，并由近及远逐渐减小至0，对流速的影响范围较小，最大范围仅为120m。由于水流在塔基处形成绕流，导致塔基下游局部流速减小，减小幅度最大发生在塔基背水面。

3 结论

(1)河道中新建阻水建筑物对局部流场的影响较大，由于建筑物的阻挡其周边流线、水位、流速发生剧烈变化，但其影响范围一般较小，对与其有一定距离的防洪工程的正常运行无影响。

(2)由于浑河主槽开阔，洪水期仍以主槽过流为主，在滩地上修建阻水建筑物，其阻水面积在洪水期水面较小的情况下，对河道流场影响较小，对河道行洪影响亦较小。

(3)本次选取的河段具有北方大部分河流城市段特性即主槽开阔、现状拦跨河建筑物较多等，设计地形的采用、水力学计算模型的概化处理以及阻水建筑物对河道水力特性的影响对我国北方相似城市段河流有较为普遍的参考价值。