微地形影响下铁塔设计优化

罗克伟 鄢庆锰 尹元 李扬森 陈俊 翁兰溪

（1 国网福建省电力有限公司 福建福州 350003 2 中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司 福建福州 350003）

微地形是大地形中的1 个局部狭小而又特殊的地形范围，对大风形成及电线覆冰强度等气象因子影响较大，可能对输电线路铁塔造成一定影响［1-5］。例如，陡峻河谷的谷口正迎主导风向时，风速增加；当气流由开阔地区进入狭窄地区，由于狭管效应，风速增加；在突出开阔的山顶，高空强劲的气流未受到周围山脉的阻挡，风速亦增加。设计架空输电线路铁塔时，应考虑所处地形环境中微地形作用。本文以一条输电线路工程为例，开展微地形仿真分析，进行微地形塔位铁塔设计优化。

1 输电线路微地形塔位辨识分析

榕城（福州）特～长泰特1 000 kV 交流输电线路工程线路起于榕城（福州）特，止于漳州市长泰县长泰特高压站过渡点。沿线地形比例为：丘陵占2.1%、山地占65.9%、高山占32%。海拔高度在10 m～1 200 m。对线路途经区域进行微地形分析识别，包括初步辨识、对比观测、现场识别。

初步辨识：收集线路路径区域地形图或数字影像图、气候特征资料、覆冰和风速资料等，根据不同微地形、微气象区的特点，结合路径区域气候特点、覆冰与大风分布特性以及地形条件，判别可能存在微地形的重点区段。

对比观测：针对上述重点区段，通过微地形与一般地形的实测气象数据对比，由风速、温度、湿度及气压等差异，分析区域内气流是否集中加速、水汽是否充足等，以辅助判断微地形和微气象区段及其类别。

现场识别：根据不同微地形类型各自的地形特点和实测气象数据，与一般地形及气象站对比分析，主要考虑微地形点与覆冰期或大风期主导风向的交角、地形对气流集中或扩散的影响程度、微地形点与一般地形点或气象站的气象参数差异程度，并结合现场覆冰和大风调研情况，综合分析确定微地形、微气象区类型与影响范围。

根据上述分析方法，初步判定：线路途径安溪县湖上乡横坪村山顶附近的塔位（包括JL26F、JR31、ZL128、ZL129、ZR131 5 个塔位）受微地形影响。如图1 所示，线路途经本处山脊走向大致为南北向，线路以东北-西南走向斜跨山脊，从东北开始向西南海拔逐渐抬升，在约3 km 路径长度内从海拔600 m 上升到1 100 m 左右的山顶分水岭，且线路方向与常年主导风向一致。在迎风坡侧，风速存在加速效应，从东北坡底至山顶逐渐增大，为高山型或地形抬升型微地形。

图1 安溪横坪村山顶微地形

2 微地形塔位CFD 流体力学分析

2.1 控制方程

CFD 仿真基于流体动力学的基本控制方程—连续方程、动量方程和能量方程，即满足质量守恒、动量守恒、能量守恒。本文忽略温度效应，不考虑能量守恒。

质量守恒方程形式如式（1）。

式中：ρ 为密度；t 为时间；ui为速度张量；xi为坐标张量。

动量守恒方程在惯性坐标系下，i 方向的动量守恒方程如式（2）。

式中：uj为速度张量；xj为坐标张量；ρgi为重力体积力，p 为静压力；Fi为重力质量力和其他质量力，还包括其他源项。

其中τij是应力张量，定义如式（3）。

式中：μ 为流体黏性系数。

2.2 湍流模型

本文分析该微地形风场，采用B 类粗糙度，地表粗糙度指数α=0.12。

空气的运动黏度ν=1.46×105m2/s，雷诺数计算公式如式（4）。

由公式（4）可推算出，当特征长度取中心点高度超过4.38 m时的雷诺数远远超出平板外部绕流的临界雷诺数5×105～3×106，此时应采取湍流模型模拟该流场。

在流体计算软件Fluent 中，湍流模型有标准k-ε 模型、重整化群k-ε 模型和可实现k-ε 模型。选择误差最小的标准k-ε模型。标准k-ε 模型的湍动能k 和耗散率ε 的方程如式（5）～（6）。

式中：k 为湍流动能；ε 为耗散率；Gk表示由平均速度梯度引起的湍流动能；Gb表示由于浮力影响引起的湍流动能。σk、C1ε、C2ε、C3ε为常系数；μt为湍流黏性系数，如式（7）。

2.3 风向角

以45°为一个步长，从0°开始，计算8 个角度的风向角，见图2 所示。

图2 风向角示意图

2.4 边界条件设定

当风向角为0°、90°、180°、270°时，将垂直于风向角的侧边界面设置为速度入口，对应的侧边界面为自由出口，剩下的侧面与顶面采用对称面，地面与山体采用壁面。当风向角为45°、135°、225°、315°时，将风向角入口靠近的两个侧面设置为速度入口，另外两个侧面为自由出口，地面与山体采用壁面，顶面采用对称面。

网格选择六边形网格，在竖直方向上由于400 m 以下风速变化较大，所以400 m 以下的网格进行加密处理。网格数量与高度成指数关系，不同大小的地形网格数量也不一样，一般网格数量达到千万数量级以保证计算的准确性。网格划分结果如图3 所示。

图3 网格划分

2.5 实际微地形CFD 分析

在谷歌地图确定该微地形范围，并捕捉高程数据，形成等高线，采用SKETCH-UP 绘制三维模型，安溪县湖上乡横坪村附近地形三维模型如图4 所示。

图4 微地形三维模型

2.6 风速加速效应分析

通过Fluent 软件进行仿真计算，提取该微地形的风速分布云图，见图5。分析并提取不同风向下各个塔位处的风速随高度变化规律，见图6 所示，总体趋势为高度在20 m 以下风速急剧增加，40 m～50 m 高度以上，风速随高度增加变化较小。

图5 山顶海拔380m 处风速（270°）分布云图

图6 270 度入口风的风速随高度变化曲线

为分析微地形对风速的增强效应，定义微地形的风速加速比为离地10 m 高位置处塔位风速与入口风速（周边平地气象站统计风速）的比值。提取微地形塔位CFD 仿真结果，得到该微地形不同风向下各塔位的风速，计算其风速加速比，见表1。

表1 各塔位不同风向角的风速加速比

从表1 可看出该段塔位在微地形作用下的风速，大部分为增强效应，少数存在降低的效果。风速加速比位于1.07～2.09之间。

风速加速比与入口处风速乘积可以得到塔位模拟风速。对比各风向10 m 高处的模拟风速与线路铁塔设计基本风速，结果见表2。

表2 CFD 仿真模拟风速与工程设计风速对比

表2 可以看出，该微地形共计算的5 个塔位，其中4 个超过了设计风速，微地形风速加速较明显。从现场地形判断，ZR131 处于山顶，预计风速增加幅度最大，与辨识分析结果吻合。JR31 处于2 座山涧底部，海拔较低，现场地形判断其不应有风速增加效应，CFD 仿真结果显示未超设计风速，与辨识分析结果相符。

3 微地形塔位铁塔设计优化

针对上述微地形区域，考虑微地形风速加速效应，采用以下3 种方案对铁塔进行加强及优化。

3.1 方案一：增大角钢规格、改变辅助材的布置型式

增大角钢规格，可采用更大型号的角钢、改变截面类型（单拼改双拼、双拼改四拼）。改变辅助材布置型式，可改变辅助材的支撑位置及增加主材等方式。增大角钢规格、改变辅助材的布置型式可以达到提高构件的受拉及受压稳定承载力的作用。

以微地形塔位ZL129（塔型ZBC30103，呼称高72 m）为例，研究微地形对ZL129 铁塔受力的影响。铁塔规划及使用条件如表3 所示，其中微地形下的最大风速为提取的CFD 仿真结果，档距信息为该塔位实际情况。

表3 ZL129（ZBC30103）使用条件

ZL129 塔规划设计时所有杆件应力比均小于1.0，即作为桁架结构，实际包络内力小于受拉或受压稳定承载力。微地形验算结果显示主材受60°大风工况控制，应力比相比规划设计时增加约12%；塔腿主材受60°大风工况控制，应力比增加约12%；曲臂主材应力比增加约16%。

为满足微地形作用下铁塔承载力要求，对微地形验算后的铁塔进行加强及优化：增加塔身辅助材布置、减少主材计算长度，并加大其他位置角钢规格。通过优化，全塔塔重增幅约3.7%，而可承受的风速相比设计风速增加了17%，详见表4。

表4 优化方案增重分析

3.2 方案二：采用Q460 高强度角钢

以微地形塔位ZR131（塔型ZBC30107，呼称高60m）为例，分析主材采用Q460 高强度角钢的加强优化方式。

根据CFD 仿真结果，微地形引起风速加速效应，ZR131 塔位风速增大至39.9 m/s，相比规划设计时增幅达33.1%。按照39.9 m/s 的风速验算该塔型，主材应力比达112%～150%，具体见表5。严重超出承载能力。

表5 ZR131（ZBC30107）优化方案比较

通过计算分析，采用Q420 主材加强方案的塔重增加13.27%，Q460 主材加强方案的塔重增加10.50%，因此Q460高强钢相比Q420 能节约2.7%塔重。

因此，ZR131 塔位主材采用Q460 高强角钢进行加强，在塔重增重约10.5%情况下，可承受的风速相比设计风速增加了33.1%。

3.3 方案三：采用高强度钢管塔

与普通角钢塔相比，钢管塔构件风压小、刚度大、结构简洁、传力清晰，能够充分发挥材料的承载性能，适合荷载较大的铁塔。

以微地形塔位ZL129 为例，基于微地形验算模型，分别对比Q420 角钢塔、Q345 钢管塔及Q420 钢管塔3 种加强优化方案。

采用这3 种主材加强优化方案，铁塔都可承受的微地形验算风速（35.1 m/s），相比设计风速增加了17%，铁塔增重不同：Q345 钢管塔相比Q420 角钢塔减轻8%，而Q420 钢管塔相比Q420 角钢塔减轻11%塔重，见表6 所示，可以看出，相对角钢塔，高强度钢管塔抗风承载能力优越。

表6 高强度钢管塔方案对比

4 结论

（1）通过初步辨识、对比观测、现场识别，判定在线路途经福建安溪县湖上乡横坪村山顶附近的塔位，受微地形影响。

（2）建立地形三维模型，采用CFD 软件进行仿真计算，提取该微地形的风速分布云图，计算得到风速加速比。通过分析可知，微地形对周边无遮挡、高海拔的风水岭或山脊风速具有明显的加速效应。

（3）微地形风速验算条件下，铁塔主要受力构件的承载能力不足，可以采用这三种加强优化方案：增加角钢规格并改变辅助材布置形式、Q460 高强角钢主材、Q420 钢管塔主材。