淺析高壓線塔對渾河沈陽城市段水力特性及行洪安全的影響

楊水草

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

渾河發(fā)源于遼寧省東部撫順市清原縣灣甸子鎮(zhèn)長白山余脈龍崗山脈的滾馬嶺，自東北向西南注入渤海灣。河道長495km，流域面積28260km2。

渾河為沈陽的母親河，縱貫沈陽市，近些年，隨著沈陽市的不斷發(fā)展，跨河橋梁、跨河電力線路、穿河管線等跨河工程不斷修建。本文以沈陽市某220kV高壓線移設工程為例，采用河道二維水力計算，進行跨河高壓線塔對沈陽城市段河道流場及行洪安全的影響分析。

1 河道壅水計算

1.1 模型計算范圍

該220kV高壓線移設工程跨渾河段位于長大鐵路橋和南陽湖橋之間，為避免模型進出口邊界影響，計算范圍確定為砂山橡膠壩(位于長大鐵路橋上游1078m)至渾河閘，河長8.21km。

1.2 計算方案

滿融地區(qū)220kV渾太、白太高壓線移設工程跨河段位于長大鐵路橋下游0.39km，工程防洪標準50a一遇，本河段左岸堤防設計防洪標準為100a一遇，右岸防洪標準為300a一遇。

因此，本次水力計算渾河計算頻率P需包括2%、1%、0.33%。

1.3 計算方法

計算采用Mike21 FM軟件中的HD模塊建立模型，該模塊采用垂向平均二維淺水方程，離散方法為有限差分法，計算方法采用ADI(Alternating Direction Implicit)和DS(Double Sweep)格式，其基本方程如下。

垂向平均二維淺水方程：

(1)

(2)

(3)

質(zhì)量守恒方程：

(4)

動量方程：

(5)

(6)

式中，h—水深,m；ζ—水面高程,m；p、q—x、y方向的單寬流量，其中p=uh，q=vh,u、v分別為x,y方向上沿水深的平均流速；c—謝才系數(shù)；g—重力加速度；f—風摩擦系數(shù)；V、Vx、Vy—風速及在x、y方向上的分量，m/s；Ω—柯氏力參數(shù)，s-1；pa—大氣壓強，kg/(m·s-2)；ρω—水的密度，kg/m3；S、Six、Siy—源匯項及在x、y方向上的分量；τxx、τxy、τyy—有效剪切力分量。

塔基對水流的影響在模型中是通過計算單個橋墩對水流的拖曳力來體現(xiàn)，有效拖曳力定義如下：

(7)

式中，γ—流線因子(典型值為1.02)；CD—拖曳力系數(shù)；Ae—塔基的有效阻水面積；其他變量含義同前所述。

1.4 模型概化

本次水力計算采用的地形資料為：二維計算地形圖以2008年渾河1∶1000帶狀地形圖為主要依據(jù)。參考2011年河道橫斷面圖、2012年渾河左岸長大鐵路橋至渾河閘段1∶2000地形圖，及Google Earth 2018年航拍圖，對灘地進行修正，對新建的公園、廣場等進行相應的處理。

河道主槽地形根據(jù)《渾河沈陽城區(qū)段防洪規(guī)劃修編報告》(以下簡稱《規(guī)劃修編》)中的設計河底進行處理。

地形處理主要分以下部分：河道主槽和過流灘地，由于本河段灘地內(nèi)主要為公園、足球場、廣場等，無居民區(qū)，地勢開闊，故本次計算灘地采用面積不大于2000m2的網(wǎng)格進行概化；主槽采用面積不大于1000m2的網(wǎng)格進行概化；為了更為準確地反映跨河線路對水流影響，桿塔位置計算網(wǎng)格加密，采用面積不大于1m2的網(wǎng)格進行概化。

桿塔概化，為了較好反映桿塔附近水流形態(tài)和壅水作用，并偏安全考慮，將桿塔從基礎至塔頂均做不過水處理，采用局部加高地形的方式概化。概化后地形如圖1所示，桿塔處網(wǎng)格如圖2所示。

圖1 概化后地形示意圖

圖2 桿塔處網(wǎng)格劃分示意圖

1.5 邊界條件及水文

(1)起點水位。“長大鐵路橋～渾河閘段”河道水力計算起點水位采用《渾河閘整體水工模型試驗初步報告》成果，即以渾河閘改建后的閘上水位流量關系作為起點計算水位，見表1。

表1 渾河長大鐵路橋～渾河閘段水力計算起點水位成果

(2)水文條件。50、100、300a設計洪峰流量分別為4174、4939、6294m3/s。

1.6 計算參數(shù)

Mike21 FM模型在建立完二維地形后，需對模型所使用的參數(shù)進行設定，主要參數(shù)如下。

(1)計算區(qū)域的曼寧值(糙率)。計算區(qū)域的曼寧值反映區(qū)域內(nèi)不同地物對水流的阻力作用，和地形網(wǎng)格相對應。根據(jù)河道形態(tài)及植被、附著物等，參考《水力學計算手冊》，結合渾河水面線計算經(jīng)驗，主槽糙率取值0.025～0.035，灘地糙率取值0.05～0.10。

(2)渦旋粘性系數(shù)。選用Smagorinsky formulation湍流模型，渦旋粘性系數(shù)根據(jù)本地區(qū)河段二維計算經(jīng)驗取0.28。

(3)模型干濕度。模型干濕度是模型在計算二維洪水演進時判斷水流在網(wǎng)格間傳遞的2個參數(shù)，低于drying depth洪水不再演進，高于drying depth低于flooding depth洪水演進但不參與計算，高于flooding depth洪水演進且參與計算，此參數(shù)越大模型越穩(wěn)定，根據(jù)現(xiàn)場查勘對灘面組成的分析，本次計算drying depth選用0.01m，flooding depth選用0.05m。

(4)時間步長及CFL數(shù)。模型采用非恒定流計算恒定流方法，時間步長設定為10s，計算過程中超過10h水位保持不變，即認為模擬洪水達到穩(wěn)定。CFL數(shù)可近似理解為模型空間步長與時間步長之比，模型通過自動調(diào)節(jié)時間步長，來保證CFL數(shù)小于設定值，以保證模型的計算迭代穩(wěn)定，本次計算最大CFL數(shù)設定為0.8。

1.7 計算成果

P=2%，P=1%、P=0.33%工程后水位影響范圍分別如圖3—5所示，工程前后流速對比如圖6—8所示。P=0.33%工程前后桿塔處的流場變化如圖9—10所示，P=2%、P=1%工程前后流場圖與P=0.33%類似，不再列出。

圖3 P=2%條件下工程后水位影響范圍

圖4 P=1%條件下工程后水位影響范圍

圖5 P=0.33%條件下工程后水位影響范圍

圖6 P=2%條件下工程后流速影響范圍

圖7 P=1%條件下工程后流速影響范圍

圖8 P=0.33%條件下工程后流速影響范圍

圖9 工程前桿塔處局部流場(P=0.33%)

圖10 工程后桿塔處局部流場(P=0.33%)

2 成果分析

由圖3—5可以看出，在50、100、300a一遇條件下，1#桿塔位置局部水位壅高值分別為0.08、0.06、0.07m；2#桿塔位置部水位壅高值分別為0.18、0.21、0.25m；3#桿塔位置部水位壅高值分別為0.06、0.08、0.11m。1#、2#、3#桿塔對上游水位的影響范圍在勝利橋位置(工程位置上游約710m)基本消失，在兩岸堤腳位置水位壅高不足0.015m。渾河本段兩岸堤防設計超高均為2m，因此該220kV高壓線移設工程的建設不會對兩岸防洪標準造成較大影響，對河道行洪亦影響較小。

由圖6—8以及圖9—10中可以看出由于桿塔的存在導致桿塔上游水位壅高，流速較工程前減小。由于塔基的阻擋水流向塔基兩側分流，導致塔基兩側局部單寬流量增加，流速變大，50、100、300a一遇條件下各桿塔處流速最大增加值分別為0.4、0.6、0.6m/s，并由近及遠逐漸減小至0，對流速的影響范圍較小，最大范圍僅為120m。由于水流在塔基處形成繞流，導致塔基下游局部流速減小，減小幅度最大發(fā)生在塔基背水面。

3 結論

(1)河道中新建阻水建筑物對局部流場的影響較大，由于建筑物的阻擋其周邊流線、水位、流速發(fā)生劇烈變化，但其影響范圍一般較小，對與其有一定距離的防洪工程的正常運行無影響。

(2)由于渾河主槽開闊，洪水期仍以主槽過流為主，在灘地上修建阻水建筑物，其阻水面積在洪水期水面較小的情況下，對河道流場影響較小，對河道行洪影響亦較小。

(3)本次選取的河段具有北方大部分河流城市段特性即主槽開闊、現(xiàn)狀攔跨河建筑物較多等，設計地形的采用、水力學計算模型的概化處理以及阻水建筑物對河道水力特性的影響對我國北方相似城市段河流有較為普遍的參考價值。