滯洪區分洪對桿塔基礎最大局部沖刷分析

張帥領，李 輝，張 磊

(1. 河南省電力勘測設計院，河南 鄭州 450007；2. 河南省眾慧電力工程咨詢有限責任公司，河南 鄭州 450007)

由于國民經濟的發展以及國家電網建設的進程的加快，越來越多的電力線路必需穿過分蓄洪區，為滿足分蓄洪區內電網的安全可靠運行和防汛調度的正常進行的要求，就需要水文專業人員在勘測設計前期準確分析蓄滯洪區分洪過程對線路桿塔基礎造成的影響。在蓄滯洪區分洪時，穿越分蓄洪區的架空輸電線路，不同于河道水文條件單一穩定的分析計算，受地形條件及區域束水影響，桿塔基礎處的水流形態往往比較復雜。所以，準確的模擬出蓄滯洪區洪水演進過程、區域流場形態變化過程、桿塔基礎處水位和流速變化過程，對分析該影響程度十分重要。

MIKE21是目前世界范圍內應用最為廣泛的水力學模型之一，其擁有強大的前、后處理功能，而且可以進行熱啟動，可以設置涵洞、堰、閘等多種控制性結構，還能夠進行干、濕節點與單元的設置等特點，在我國也有很多成功應用案例，如南水北調工程數值模擬、長江綜合治理、太湖富營養化模型、杭州灣數值模擬等。本文結合洹安－倉頡500 kV線路工程跨越廣潤坡分蓄洪區所做的水文分析工作，對分蓄洪區分洪對架空輸電線路工程影響的水文分析內容與方法進行介紹，在分析區域水文地質條件基礎上，構建了平面二維水流數學模型，準確模擬出分洪過程中線路工程桿塔處的水流過程，然后結合水文計算及數學概化的方法得到塔基礎的最大沖刷深度。

1 水文、地質條件

洹安－倉頡Ⅱ回500 kV線路工程，起于安陽洹安500 kV變電站，終于濮陽倉頡500 kV變電站。擬建工程在安陽新區高莊鎮遵貴屯村東北、S22省道南側進入廣潤坡滯洪區、在河南湯陰縣菜元鎮葛莊村東出廣潤坡滯洪區，長度為10.61 km，本滯洪區內線塔為N19～N27、N33～N45，共22座(圖1)。

廣潤坡蓄滯洪區位于海河流域衛河水系湯河中下游，歷史上是天然洼地，主要承滯湯河、永通河、羑河超標準洪水。廣潤坡滯洪區分兩級滯洪，蓄滯洪區總面積為152.79 km2。其中一級蓄滯洪區建于1956年，東南以湯河左堤為界，東防洪提為其東邊界，北部為自然高地，西部以西防洪堤、羑河堤及自然高地為界，南北寬約13 km，東西長約15 km，面積為71.82 km2，設計滯洪水位57.00 m，相應滯洪量0.73×108m3，本線路工程經過區域在一級滯洪區內。滯洪區地勢總體上自西南向東北傾斜，自然坡降1/3500～1/5000；區域分布有村莊和農田，表層土壤主要為粉質粘土，厚度大于5 m。

圖1 線路桿塔在廣潤坡滯洪區位置圖

滯洪區運用原則：當湯河雙石橋來水超過300 m3/s，水位超過63.00 m 時，上游來水量繼續增大，在雙石橋破湯河河左堤分洪入廣潤坡一級蓄滯洪區。當廣潤坡一級蓄滯洪區蓄水位達到57.00 m時，在王貴莊溢洪堰漫流入廣潤坡二級蓄滯洪區。

進洪方式：廣潤坡蓄滯洪區采用破堤扒口進洪方式。退洪方式：廣潤坡蓄滯洪區退洪方式為無控制自然泄洪，蓄洪水位達到57 m時，王貴莊溢流堰開始泄洪；當水位低于57 m時，王貴莊溢流堰停止泄洪，之后由羑河河道緩慢泄洪。

1963年8月豫北地區普降大暴雨，造成了嚴重的洪澇災害，是建國以來最大的一次，1963 年最高滯洪水位58.47 m，滯洪量1.55×108m3，滯洪歷時25 d，本次計算將以此次洪水的受淹情況作為分析論證的主要依據。

表1 水位庫容對照

2 構建平面二維水流數值模型

2.1 基本方程

二維水流數學模型的計算采用有限體積法，非恒定流基本方程如下：

水流連續性方程

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動量方程

式中：t為時間；x、y、z為右手Cartesian坐標系；η為水面相對于未擾動基面的高度，即水位；u、v為流速在x、y方向上的分量；Pa為當地氣壓；g為重力加速度；h為靜止水深 ；ρ為水的密度，ρ0則是參考水密度；f=2Ωsinφ為 Coriolis 參數(其中Ω是地球自轉角速率，φ為地理緯度)；fv和fu為地球自轉引起的加速度；Sxx、Sxy、Syx、Syy為輻射應力分量 ；Txx、Txy、Tyx、Tyy為水平粘滯應力項 ；τsx、τsy、τhx、τhy為河床邊界水流切應力在x、y方向上的分量；S為源匯項；uS、vS源匯項水流流速。

2.2 模型概化

計算時所需的初始條件包括：滯洪區地形，滯洪區內的積水深；邊界條件為：水流邊界條件為分洪、泄洪口門，外邊界為滯洪區四周圍堤。

地形數據、網格和糙率：數學模型計算的地形數據采用河南省電力勘測設計院三維數字中心提供的1∶10000地形資料，并用1994年6月河南省防汛抗旱指揮部辦公室編制的《河南省滯洪區進本資料匯編》作參考(其中滯洪區地圖比例尺為1.5∶100000)。網格剖分為最大網格面積不超過50000 m2，并在工程所在區域進行局部加密，加密后最大網格面積不超過10 m2(見圖2)。由于滯洪區內沒有實測分洪、泄洪資料，只有統計的蓄滯洪水位，蓄滯洪量、蓄滯洪面積及歷時數據，建立的模型無法得到率定和檢驗，因此，根據有關分蓄洪區的分析報告，并參照相關教材，計算中采用的糙率如下：農田0.050，村莊0.065，河道0.025。如果某網格內含有多種地形，則按照各種地形糙率的加權平均值確定該網格的糙率。此外，經驗表明，糙率隨水深增加而減小，并趨于穩定，據此規律確定洪水演進計算中網格的糙率。

陸地邊界處理：陸地邊界的處理方法是令閉邊界的法向流速為0，而沿切線方向的流速為非0值，即： 隨著水位的變化，陸地邊界位置不斷變化，本模型采用“凍結法”處理這種問題，根據計算水位和地面高程判斷網格單元是否露出水面，即定義臨界水深Dh=0.005～0.01 m，當水深h＞Dh時，糙率取正常值，反之糙率取一大值(1010量級)。

3 數值模擬結果

3.1 流場

依據1963年資料提供的廣潤坡滯洪區分洪、退洪情況，由二維水流數值模型計算得到整個滯洪區流場隨時間變化過程見圖3、圖4。

由圖3、圖4可以看出，分洪及泄洪過程中，分洪口及泄洪口的流速較大(由箭頭的長短及顏色變化判斷)；在整個滯洪過程，水流主要沿滯洪區內地勢較低洼的中部狹長地帶行洪。

圖2 網格剖分

圖3 滯洪區分洪過程流場變化圖

圖4 退洪過程流場變化圖

3.2 水位流速過程

依據1963年資料提供的廣潤坡滯洪區分洪、退洪情況，由二維水流數值模型計算得到各桿塔位置處水深流速隨時間變化過程曲線。由于大部分塔位處水流流速很小，選取離退洪口門最近、受分洪影響最大的N40塔位進行分析，N40塔位水深流速過程線見圖5。

圖5 N40塔位處水深流速過程線

4 最大局部沖刷分析

根據N40塔位處詳細地質資料，塔位處土層為黏性土，采用《電力工程水文計算手冊》黏性土河床局部沖刷公式計算：

根據各塔位處土層條件，局部沖刷采用黏性土沖刷的計算公式和非黏性土沖刷計算公式。

根據《電力工程水文計算手冊》粘土局部沖刷計算公式：

當hp/B1≥2.5時：

當hp/B1≤2.5時：

式中：hb為橋渡局部沖刷深度(m)；Kξ為墩形系數；IL為沖刷坑范圍內粘性土液性指數，該式中IL的適用范圍為0.16～1.48；B1為橋墩計算寬度(m)；hp為沖刷后水深(m)；V為橋墩前行進垂線平均流速(m/s)。

根據線路結構相關設計資料，N40桿塔設計基礎為圓形(墩形系數為1)樁式基礎，直徑為1.5 m。由于塔位處最大水深不超過2.5 m，故本次沖刷計算采用公式(5)進行計算。

由式(5)可以看出，局部沖刷深度正比于沖刷后水深及流速，根據圖5塔位處水深流速過程線可知，最大沖刷深度時，流速、水深的取值范圍在最大水深出現的時間節點到最大流速出現的時間節點之間(灰色虛線標識)。

將水位、流速值代入公式(5)即得出一系列沖刷深度值，取其最大值得出N40塔位處最大沖刷深度為0.4 m。

5 結論

(1)在分析廣潤坡滯洪區水文地質條件基礎上，構建了滯洪區分洪過程水流場數值模型，得到了桿塔基礎處水流的變化過程，為分析最大局部沖刷深度奠定了基礎。

(2)綜合運用數值模擬、數學方法、經驗公式得到桿塔基礎處最大沖刷深度，對實際工程計算具有一定的參考意義。

(3)在整個分洪及退洪流場圖可以看出，流速較大的區域主要在分洪、泄洪口門以及中間較為低洼的主要行洪地帶，尤其的分洪、泄洪口門處流速影響相對較大。本工程桿塔基礎處土壤類型為黏性土壤，該土層抗沖能力較強，故計算得出的沖刷深度不大，假若在抗沖能力較弱的土層條件下，沖刷的影響程度勢必會增加，故建議線路立塔應盡量避開分洪、泄洪口門以及較為低洼的主要行洪區域。