微地形影響下鐵塔設計優化

羅克偉 鄢慶錳 尹元 李揚森 陳俊 翁蘭溪

（1 國網福建省電力有限公司 福建福州 350003 2 中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350003）

微地形是大地形中的1 個局部狹小而又特殊的地形范圍，對大風形成及電線覆冰強度等氣象因子影響較大，可能對輸電線路鐵塔造成一定影響［1-5］。例如，陡峻河谷的谷口正迎主導風向時，風速增加；當氣流由開闊地區進入狹窄地區，由于狹管效應，風速增加；在突出開闊的山頂，高空強勁的氣流未受到周圍山脈的阻擋，風速亦增加。設計架空輸電線路鐵塔時，應考慮所處地形環境中微地形作用。本文以一條輸電線路工程為例，開展微地形仿真分析，進行微地形塔位鐵塔設計優化。

1 輸電線路微地形塔位辨識分析

榕城（福州）特～長泰特1 000 kV 交流輸電線路工程線路起于榕城（福州）特，止于漳州市長泰縣長泰特高壓站過渡點。沿線地形比例為：丘陵占2.1%、山地占65.9%、高山占32%。海拔高度在10 m～1 200 m。對線路途經區域進行微地形分析識別，包括初步辨識、對比觀測、現場識別。

初步辨識：收集線路路徑區域地形圖或數字影像圖、氣候特征資料、覆冰和風速資料等，根據不同微地形、微氣象區的特點，結合路徑區域氣候特點、覆冰與大風分布特性以及地形條件，判別可能存在微地形的重點區段。

對比觀測：針對上述重點區段，通過微地形與一般地形的實測氣象數據對比，由風速、溫度、濕度及氣壓等差異，分析區域內氣流是否集中加速、水汽是否充足等，以輔助判斷微地形和微氣象區段及其類別。

現場識別：根據不同微地形類型各自的地形特點和實測氣象數據，與一般地形及氣象站對比分析，主要考慮微地形點與覆冰期或大風期主導風向的交角、地形對氣流集中或擴散的影響程度、微地形點與一般地形點或氣象站的氣象參數差異程度，并結合現場覆冰和大風調研情況，綜合分析確定微地形、微氣象區類型與影響范圍。

根據上述分析方法，初步判定：線路途徑安溪縣湖上鄉橫坪村山頂附近的塔位（包括JL26F、JR31、ZL128、ZL129、ZR131 5 個塔位）受微地形影響。如圖1 所示，線路途經本處山脊走向大致為南北向，線路以東北-西南走向斜跨山脊，從東北開始向西南海拔逐漸抬升，在約3 km 路徑長度內從海拔600 m 上升到1 100 m 左右的山頂分水嶺，且線路方向與常年主導風向一致。在迎風坡側，風速存在加速效應，從東北坡底至山頂逐漸增大，為高山型或地形抬升型微地形。

圖1 安溪橫坪村山頂微地形

2 微地形塔位CFD 流體力學分析

2.1 控制方程

CFD 仿真基于流體動力學的基本控制方程—連續方程、動量方程和能量方程，即滿足質量守恒、動量守恒、能量守恒。本文忽略溫度效應，不考慮能量守恒。

質量守恒方程形式如式（1）。

式中：ρ 為密度；t 為時間；ui為速度張量；xi為坐標張量。

動量守恒方程在慣性坐標系下，i 方向的動量守恒方程如式（2）。

式中：uj為速度張量；xj為坐標張量；ρgi為重力體積力，p 為靜壓力；Fi為重力質量力和其他質量力，還包括其他源項。

其中τij是應力張量，定義如式（3）。

式中：μ 為流體黏性系數。

2.2 湍流模型

本文分析該微地形風場，采用B 類粗糙度，地表粗糙度指數α=0.12。

空氣的運動黏度ν=1.46×105m2/s，雷諾數計算公式如式（4）。

由公式（4）可推算出，當特征長度取中心點高度超過4.38 m時的雷諾數遠遠超出平板外部繞流的臨界雷諾數5×105～3×106，此時應采取湍流模型模擬該流場。

在流體計算軟件Fluent 中，湍流模型有標準k-ε 模型、重整化群k-ε 模型和可實現k-ε 模型。選擇誤差最小的標準k-ε模型。標準k-ε 模型的湍動能k 和耗散率ε 的方程如式（5）～（6）。

式中：k 為湍流動能；ε 為耗散率；Gk表示由平均速度梯度引起的湍流動能；Gb表示由于浮力影響引起的湍流動能。σk、C1ε、C2ε、C3ε為常系數；μt為湍流黏性系數，如式（7）。

2.3 風向角

以45°為一個步長，從0°開始，計算8 個角度的風向角，見圖2 所示。

圖2 風向角示意圖

2.4 邊界條件設定

當風向角為0°、90°、180°、270°時，將垂直于風向角的側邊界面設置為速度入口，對應的側邊界面為自由出口，剩下的側面與頂面采用對稱面，地面與山體采用壁面。當風向角為45°、135°、225°、315°時，將風向角入口靠近的兩個側面設置為速度入口，另外兩個側面為自由出口，地面與山體采用壁面，頂面采用對稱面。

網格選擇六邊形網格，在豎直方向上由于400 m 以下風速變化較大，所以400 m 以下的網格進行加密處理。網格數量與高度成指數關系，不同大小的地形網格數量也不一樣，一般網格數量達到千萬數量級以保證計算的準確性。網格劃分結果如圖3 所示。

圖3 網格劃分

2.5 實際微地形CFD 分析

在谷歌地圖確定該微地形范圍，并捕捉高程數據，形成等高線，采用SKETCH-UP 繪制三維模型，安溪縣湖上鄉橫坪村附近地形三維模型如圖4 所示。

圖4 微地形三維模型

2.6 風速加速效應分析

通過Fluent 軟件進行仿真計算，提取該微地形的風速分布云圖，見圖5。分析并提取不同風向下各個塔位處的風速隨高度變化規律，見圖6 所示，總體趨勢為高度在20 m 以下風速急劇增加，40 m～50 m 高度以上，風速隨高度增加變化較小。

圖5 山頂海拔380m 處風速（270°）分布云圖

圖6 270 度入口風的風速隨高度變化曲線

為分析微地形對風速的增強效應，定義微地形的風速加速比為離地10 m 高位置處塔位風速與入口風速（周邊平地氣象站統計風速）的比值。提取微地形塔位CFD 仿真結果，得到該微地形不同風向下各塔位的風速，計算其風速加速比，見表1。

表1 各塔位不同風向角的風速加速比

從表1 可看出該段塔位在微地形作用下的風速，大部分為增強效應，少數存在降低的效果。風速加速比位于1.07～2.09之間。

風速加速比與入口處風速乘積可以得到塔位模擬風速。對比各風向10 m 高處的模擬風速與線路鐵塔設計基本風速，結果見表2。

表2 CFD 仿真模擬風速與工程設計風速對比

表2 可以看出，該微地形共計算的5 個塔位，其中4 個超過了設計風速，微地形風速加速較明顯。從現場地形判斷，ZR131 處于山頂，預計風速增加幅度最大，與辨識分析結果吻合。JR31 處于2 座山澗底部，海拔較低，現場地形判斷其不應有風速增加效應，CFD 仿真結果顯示未超設計風速，與辨識分析結果相符。

3 微地形塔位鐵塔設計優化

針對上述微地形區域，考慮微地形風速加速效應，采用以下3 種方案對鐵塔進行加強及優化。

3.1 方案一：增大角鋼規格、改變輔助材的布置型式

增大角鋼規格，可采用更大型號的角鋼、改變截面類型（單拼改雙拼、雙拼改四拼）。改變輔助材布置型式，可改變輔助材的支撐位置及增加主材等方式。增大角鋼規格、改變輔助材的布置型式可以達到提高構件的受拉及受壓穩定承載力的作用。

以微地形塔位ZL129（塔型ZBC30103，呼稱高72 m）為例，研究微地形對ZL129 鐵塔受力的影響。鐵塔規劃及使用條件如表3 所示，其中微地形下的最大風速為提取的CFD 仿真結果，檔距信息為該塔位實際情況。

表3 ZL129（ZBC30103）使用條件

ZL129 塔規劃設計時所有桿件應力比均小于1.0，即作為桁架結構，實際包絡內力小于受拉或受壓穩定承載力。微地形驗算結果顯示主材受60°大風工況控制，應力比相比規劃設計時增加約12%；塔腿主材受60°大風工況控制，應力比增加約12%；曲臂主材應力比增加約16%。

為滿足微地形作用下鐵塔承載力要求，對微地形驗算后的鐵塔進行加強及優化：增加塔身輔助材布置、減少主材計算長度，并加大其他位置角鋼規格。通過優化，全塔塔重增幅約3.7%，而可承受的風速相比設計風速增加了17%，詳見表4。

表4 優化方案增重分析

3.2 方案二：采用Q460 高強度角鋼

以微地形塔位ZR131（塔型ZBC30107，呼稱高60m）為例，分析主材采用Q460 高強度角鋼的加強優化方式。

根據CFD 仿真結果，微地形引起風速加速效應，ZR131 塔位風速增大至39.9 m/s，相比規劃設計時增幅達33.1%。按照39.9 m/s 的風速驗算該塔型，主材應力比達112%～150%，具體見表5。嚴重超出承載能力。

表5 ZR131（ZBC30107）優化方案比較

通過計算分析，采用Q420 主材加強方案的塔重增加13.27%，Q460 主材加強方案的塔重增加10.50%，因此Q460高強鋼相比Q420 能節約2.7%塔重。

因此，ZR131 塔位主材采用Q460 高強角鋼進行加強，在塔重增重約10.5%情況下，可承受的風速相比設計風速增加了33.1%。

3.3 方案三：采用高強度鋼管塔

與普通角鋼塔相比，鋼管塔構件風壓小、剛度大、結構簡潔、傳力清晰，能夠充分發揮材料的承載性能，適合荷載較大的鐵塔。

以微地形塔位ZL129 為例，基于微地形驗算模型，分別對比Q420 角鋼塔、Q345 鋼管塔及Q420 鋼管塔3 種加強優化方案。

采用這3 種主材加強優化方案，鐵塔都可承受的微地形驗算風速（35.1 m/s），相比設計風速增加了17%，鐵塔增重不同：Q345 鋼管塔相比Q420 角鋼塔減輕8%，而Q420 鋼管塔相比Q420 角鋼塔減輕11%塔重，見表6 所示，可以看出，相對角鋼塔，高強度鋼管塔抗風承載能力優越。

表6 高強度鋼管塔方案對比

4 結論

（1）通過初步辨識、對比觀測、現場識別，判定在線路途經福建安溪縣湖上鄉橫坪村山頂附近的塔位，受微地形影響。

（2）建立地形三維模型，采用CFD 軟件進行仿真計算，提取該微地形的風速分布云圖，計算得到風速加速比。通過分析可知，微地形對周邊無遮擋、高海拔的風水嶺或山脊風速具有明顯的加速效應。

（3）微地形風速驗算條件下，鐵塔主要受力構件的承載能力不足，可以采用這三種加強優化方案：增加角鋼規格并改變輔助材布置形式、Q460 高強角鋼主材、Q420 鋼管塔主材。