特高壓漢江大跨越工程灘地立塔的二維數(shù)值計(jì)算

朱洪英，胡昌盛

(1.國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市100052;2.中南電力設(shè)計(jì)院，武漢市430071)

0 引言

輸電線路大跨越工程灘地立塔時(shí)，通常采用一維數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算河流跨越斷面的平均流速，無(wú)法根據(jù)河床的具體地形及水文條件計(jì)算塔位處的流速及塔位對(duì)河道行洪的影響［1-10］。本文以某1000kV輸電線路工程為例，采用地表水模擬系統(tǒng)(surface water modeling system，SMS)計(jì)算跨越河段在設(shè)計(jì)洪水條件下跨越塔位處流場(chǎng)分布、局部沖刷深度及跨越塔對(duì)河道行洪的影響，從而為論證灘地立塔可行性提供依據(jù)。

1 SMS軟件

SMS具有一維、二維、三維地表水前置處理、分析計(jì)算、后置處理等功能，主要有:一維HEC-RAS模型;二維河流及河口RMA2模塊、HIVEL2D模塊、Flo2dh模塊;三維河流及河口RMA10模型、CH3D模型等。本文采用RMA2模塊計(jì)算二維平面流場(chǎng)。

RM2模型可應(yīng)用于河流、水電廠、取排水、橋梁、河口、水庫(kù)等流場(chǎng)計(jì)算，可以計(jì)算恒定及非恒定流，并考慮天氣狀況及地球的自轉(zhuǎn)。

RMA2程序處理流程見(jiàn)圖1，RMA2有限元控制方程為

式中:h為水深;u、v分別為x、y方向的垂線平均流速;r為液體密度;Exx、Eyy分別為x、y方向的紊動(dòng)粘性系數(shù);g為重力加速度;a為底部高程;n為曼寧糙率系數(shù);ξ為風(fēng)速切變系數(shù);ω為地球自轉(zhuǎn)角速度;φ為當(dāng)?shù)鼐暥?Va為風(fēng)速;ψ為風(fēng)向。

圖1 RMA2分析計(jì)算流程Fig.1 RMA2 calculation flowchart

2 工程河段流域洪水概況

跨越河段位于漢江中游，跨越處百年一遇洪峰控制流量按1935年典型洪水及丹江口水庫(kù)大壩加高后洪水情況考慮確定為21 000m3/s。漢江是長(zhǎng)江中下游最大的支流，發(fā)源于陜西省秦嶺南麓，流經(jīng)陜西、湖北兩省，于武漢市匯入長(zhǎng)江，干流全長(zhǎng)為1 571 km，流域面積為1.59×105km2。漢江丹江口以上稱上游，丹江口至鐘祥稱中游，鐘祥以下稱下游。上游集水面積為9.52×104km2，為山地和丘陵，平均河床比降在0.6‰以上;中游集水面積4.682×104km2，為平原、丘陵及河谷盆地，河道寬闊，河灘眾多，河床不穩(wěn)定，河床平均比降為0.2‰左右;下游流經(jīng)江漢平原，河道彎曲，河床比降較窄，約0.1‰。

受地形條件和氣候的影響，漢江流域上游常因集中暴雨而突發(fā)峰高量大的洪水，防洪問(wèn)題十分突出。尤其是中下游，河槽泄洪能力與上游洪水來(lái)量極不平衡，加之下游出口受長(zhǎng)江水位頂托的影響，歷史上洪水災(zāi)害頻繁而且嚴(yán)重，是長(zhǎng)江中游洪災(zāi)嚴(yán)重地區(qū)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1822—1954年132年中，有68年堤防發(fā)生潰口;1931—1955年，有15年發(fā)生潰口，達(dá)到3年2潰的頻率;近50年來(lái)以發(fā)生大洪水的年份有1954、1964、1983、2003年等。

3 河道邊界條件

本輸電工程跨越處河道寬2 600m，左、右岸均灘地立塔，跨江塔高 196.8m，桿塔底部尺寸約40m×40m。工程跨越斷面上游700m處左岸為山磯節(jié)點(diǎn)，河道主要為堤防控制。跨越斷面左岸堤頂高程為54.1m，右岸堤頂高程為50.8m。工程斷面為復(fù)式河床，右岸大堤外灘地寬度約為520m，灘地高程為45.0～47.0m。左岸灘地寬度為1 000～1 500m，灘地高程為43.0～47.0m。

工程斷面左、右岸灘地河床成分以粉質(zhì)粘土為主，左岸岸線沖淤變化較大，右岸相對(duì)穩(wěn)定。工程附近主河床以粉砂為主，沖淤變化較大。近年來(lái)，工程區(qū)域堤防進(jìn)行了加固、護(hù)岸工程，堤防對(duì)河勢(shì)的控制作用得到加強(qiáng)。

4 大跨越工程灘地立塔二維有限元計(jì)算

選用跨越河段的實(shí)測(cè)河床地形圖作為計(jì)算的地形邊界條件。由于SMS劃分網(wǎng)格十分自由，可以將主河槽、邊灘分開(kāi)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以根據(jù)塔位的形狀、大小進(jìn)行塔位處局部網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格可以為不規(guī)則的三角形及四邊形等，而且容易收斂，可以根據(jù)不同的塔基形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

首先，沿河道控制邊界及灘地與主槽分界線處構(gòu)造特征線，分別構(gòu)造主槽與灘地的計(jì)算網(wǎng)格;然后，重新均勻分布特征線的特征點(diǎn)。本工程采用100m構(gòu)造節(jié)點(diǎn)(兩岸特征線、上/下游的特征點(diǎn)空間大小與岸線的應(yīng)基本一致，這樣可以保證網(wǎng)格尺寸構(gòu)造合理，滿足計(jì)算要求)，這樣生成的網(wǎng)格約為100m×100m，塔位附近的網(wǎng)格小于50m×50m，以適應(yīng)塔位處網(wǎng)格劃分。計(jì)算河段網(wǎng)格見(jiàn)圖2(深色部分為主槽，其他為灘地)。

圖2 計(jì)算分析河段有限元網(wǎng)格Fig.2 Finite element mesh of rivers near the tower location

網(wǎng)格生成后，運(yùn)用網(wǎng)格質(zhì)量檢查工具進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，對(duì)于質(zhì)量較差、可能在計(jì)算不收斂的網(wǎng)格進(jìn)行修正處理。

5 二維流場(chǎng)計(jì)算

根據(jù)河道邊界生成河道有限元網(wǎng)格，采用恒定流模式計(jì)算百年一遇設(shè)計(jì)洪水條件下流場(chǎng)情況。計(jì)算過(guò)程如下:

(1)假定堤岸固體邊界法向流量為0，對(duì)上、下游水邊界進(jìn)行賦值，塔位處網(wǎng)格采用不過(guò)流處理，即塔基所在網(wǎng)格法向流速為0。

(2)對(duì)于灘地和主槽，分別輸入相應(yīng)的湍流、糙率等參數(shù)。本河段主河槽糙率為0.025，灘地糙率為0.035～0.05。

(3)輸入邊界條件，如:上游設(shè)計(jì)流量，下游初始水位，糙率，最大迭代次數(shù)，收斂水深，干、濕判斷條件，粘性系數(shù)等。入口洪水采用本河段百年一遇洪峰流量及下游相應(yīng)的水位。

(4)對(duì)水深情況和網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，如果在計(jì)算過(guò)程中存在可能干的節(jié)點(diǎn)，建議在模型控制中打開(kāi)干、濕條件判斷。

(5)在完成初始條件、材料賦值、模型控制、模型檢驗(yàn)后，開(kāi)始計(jì)算，在計(jì)算收斂的情況下，1～2 min可完成計(jì)算，并自動(dòng)生成水位、流速、流向成果文件供SMS后處理后用。

計(jì)算結(jié)果采用SMS后處理模塊進(jìn)行后處理，流跡線跟蹤圖見(jiàn)圖3，繞流效果明顯。計(jì)算流場(chǎng)及塔位處的放大流場(chǎng)圖見(jiàn)圖4，塔位處不同設(shè)計(jì)流量下的流速見(jiàn)表1。根據(jù)塔位處流速及地質(zhì)資料，利用粘性土河床橋墩局部沖刷計(jì)算公式計(jì)算求得塔位處最大局部沖刷深度見(jiàn)表1。

表1 跨江塔塔基處流速計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of flow speed at river-crossing tower foundation

根據(jù)對(duì)建塔前后的水位變化比較，左/右岸塔位前最大水位壅高不超過(guò)0.01m，對(duì)河道行洪影響很小。

6 結(jié)語(yǔ)

本文利用SMS模型計(jì)算了特高壓漢江跨越灘地立塔處的流速，并根據(jù)塔位處流速及地質(zhì)資料進(jìn)行了局部沖刷分析，塔位處網(wǎng)格采用不過(guò)流處理，改變以往用提高糙率方式來(lái)模擬塔位對(duì)流場(chǎng)的影響，較好體現(xiàn)了塔位建設(shè)對(duì)流速分布的影響。SMS計(jì)算成果顯示左、右岸塔位處最大流速為0.71m/s，最大沖刷深度為2.10m，左、右岸灘地立塔均可行，由此可見(jiàn)，SMS可為線路選擇灘地流速相對(duì)較低、沖刷深度較小及對(duì)河道行洪影響較小的位置立塔提供重要依據(jù)，且操作簡(jiǎn)便，成果可視性強(qiáng)。

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