高壓輸電線路建設對分蓄洪區分洪影響的模擬與分析

蘇佳慧

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

隨著我國經濟建設的發展，電力需求增大，遠距離高壓輸電線路工程得到了廣泛應用。高壓輸電線路工程跨度大、線路長，且考慮線路集中走線的需要，常常不可避免的穿越分蓄洪區。論證洪水對線路工程的影響以及線路工程對蓄滯洪區分蓄洪的影響，對工程安全及分蓄洪區安全非常重要[1-3]。相應的分析方法及分析內容對其它類似線性工程(如橋梁工程、管道工程等)穿越蓄滯洪區的影響分析有重要的參考意義。

Mike 21模型在工程建設洪水影響評價及洪水演進模擬方面被廣泛應用[4-9]。本文以某500kV高壓輸電線路為例，根據湖北省當陽市木閘湖垸的地形資料，使用Mike 21軟件，建立了木閘湖垸分蓄洪的洪水演進模型，對工程建設前后木閘湖垸分洪歷時、流速、水位等特征的變化進行分析，評價工程建設對分蓄洪區分蓄洪的影響及分蓄洪時洪水對線路工程的影響。

1 工程概況

擬建500kV高壓輸電線路工程是葛洲壩電力系統外送通道之一，對提高葛洲壩輸電系統整體輸電能力及送電可靠性，更好地適應湖北電網的發展有重要意義。線路工程起于葛洲壩水電站，止于湖北省荊州市川店鎮紫荊村，整體呈自西向東走線。路徑長度約為95.5km，線路在當陽市草埠湖鎮北側約2km王家堤處跨越沮漳河，穿越沮漳河兩岸的沮西大垸分蓄洪民垸和木閘湖分蓄洪民垸。

輸電桿塔N195～N199在木閘湖泵站上游約940m(垂直距離)處穿越木閘湖分蓄洪民垸。線路在木閘湖垸的長度約2.0km，共6基塔位。其中N195距離沮漳河左岸堤防約160m。線路整體位于分洪口門以南，距離分洪口門最近的桿塔為NX198，垂直距離約為2km，線路與分洪口門距離較近。

木閘湖垸為沮漳河流域的一處分蓄洪民垸，根據沮漳河洪水調度方案：當沙市水位在44.00～45.00m之間，河溶來量在3822～4500m3/s，視洪量大小，河溶附近依次運用觀基垸、木閘湖垸、夾洲垸、莫家湖垸，萬城附近扒開謝古垸，必要時運行眾志垸分洪，若仍不能解決沮漳河的防洪緊張局面，相機在沮西大垸采取緊急分洪措施。

根據《當陽市蓄滯洪區運用方案(2021年修訂)》，木閘湖垸分洪時，其進洪口位置設計在蘆河閘與艾東閘中部，該段堤頂高程為50.2m，口門寬度50m，設計洪水位為49.2m，設計分洪水位50m，該垸進口地面高程44m，設計進洪流量500m3/s，設計蓄洪水位48m，蓄洪面積7.4km2，容積3706.3萬m3。吐洪口門一個為蘆河閘與艾東閘中部，與進洪口門相同，另一個為田家閘。

2 木閘湖垸分蓄洪模型構建

2.1 控制方程

Mike 21水動力學控制方程如下[10]。

水流連續方程：

(1)

水流運動方程：

(2)

(3)

2.2 模擬范圍

模型計算范圍為木閘湖垸分蓄洪區，分蓄洪區西側為沮漳河左堤，東側為山丘崗地，南北兩側為民垸圩堤。蓄洪區面積7.4km2。高壓輸電線路走向及桿塔塔位布置，洪水模擬計算區域、分洪口門如圖1所示。

圖1 工程跨沮漳河，穿沮西大垸分蓄洪民垸、木閘湖分蓄洪民垸示意圖

模型網格劃分如圖2所示，計算中采用三角形網格，共設置了44006個網格，網格大小在1～30m之間，對輸電桿塔樁基部位的網格進行加密。加載地形數據后的地形圖如圖3所示。

圖2 木閘湖垸平面二維模型網格劃分示意圖

圖3 木閘湖垸平面二維模型生成地形圖

擬建線路穿越木閘湖垸分蓄洪區長約2km，木閘湖垸分蓄洪區分洪時，工程線路的基礎(露出地面部分)占用分蓄洪區過水斷面，引起附近水流流場變化，根據工程線路的樁基礎(出露地面部分)的占地面積，將這些計算網格節點地形進行修改，以反映其影響。

2.3 參數設置

2.3.1糙率系數

由于木閘湖垸沒有實測分洪資料，因此，計算采用的糙率參照相關經驗確定如下：樹林0.070，旱地0.065，水田0.050，水面0.025。

2.3.2邊界條件

根據前述分洪設計，在蘆河閘與艾東閘中部，設定模型進洪流量為500m3/s。

3 模型計算與分析

3.1 壅水分析

為便于對計算結果進行分析，在民垸內共布置了14個監測點。監測點編號(TD1～TD14)及位置如圖3所示。部分監測點工程前、后水位過程線如圖4所示。對比結果表明，工程線路的修建對各監測點的水位影響均很小，當木閘湖垸開始分洪后，各監測點工程前后水位過程線均幾乎重合，同時刻水位壅高和降低值在0.003m以內。

圖4 各監測點工程前后水位過程線

在達到設計蓄洪水位48.0m時，工程侵占木閘湖垸蓄滯洪區面積15.72m2，侵占容積27.49m3，由于擬建工程占用容積約為木閘湖垸蓄洪容積的0.000073%，侵占容積相對總容積很小，到蓄滿3706.3萬m3時，各點水位工程后相比工程前基本沒有變化。

由此可見，工程的修建對木閘湖垸分蓄洪區的水位過程和最終蓄洪水位均無明顯影響。

3.2 分洪歷時影響分析

工程建設對分洪歷時的影響主要表現在對蓄滯洪區蓄滿分蓄洪量所需時間的影響以及洪水到達蓄滯洪區內各個區域的時間的影響。

計算結果顯示，工程建設前后分蓄3706.3萬m3的洪量需時均為20.8h左右，可見擬建工程修建對分洪流量過程影響不大，工程建成后蓄滿所需時間沒有發生變化。

洪水到達蓄滯洪區各監測點時間的計算結果見表1。由表可知，工程修建后，對洪水到達分蓄洪區內各監測點的時間影響很小。由于分洪口門位于工程線路以北，位于工程線路以北的各監測點洪水到達時間基本沒有發生變化，位于工程線路以南的附近監測點洪水到達時間有所滯后，TD11～TD14的洪水到達時間均滯后約0.001h。

表1 各監測點工程前后洪水到達時間比較

由以上兩個方面分析結果可見，擬建工程對蓄滯洪區分洪歷時影響很小。

3.3 分洪流速影響分析

擬建工程建設前后蓄滯洪區內不同時刻分洪流場圖如圖5—7所示，各監測點洪水流速過程線如圖8所示，各監測點流速峰值及峰現時間見表2。

表2 各監測點工程前后分洪流速洪峰及峰現時間對比表

表3 各桿塔樁基局部沖刷深度計算成果表

圖5 工程建設前、后蓄滯洪區分洪5h時流場分布圖

圖6 工程建設前、后蓄滯洪區分洪10h時流場分布圖

圖7 工程建設前、后蓄滯洪區分洪20h時流場分布圖

圖8 各監測點工程前后分洪流速過程線

由以上圖表可見，各監測點工程前后分洪流速過程線均幾乎重合。整體來說，洪水演進方向和速度變化很小，工程對整體洪水流場的影響很小，各監測點的流速過程、流速峰值和峰現時間均無明顯變化，但工程局部附近流場有微小改變。擬建工程線路北側附近監測點TD8流速峰值減小約0.0001m/s，峰現時間滯后約0.001h，TD9流速峰值增加約0.001m/s，峰現時間提前約0.001h；擬建工程線路南側附近監測點TD11流速峰值減小約0.0004m/s，峰現時間基本不變，TD13流速峰值增加約0.0013m/s，峰現時間提前約0.001h。蓄滯洪區內其他監測點流速峰值和峰現時間基本保持不變。

監測點TD1、TD2、TD4、TD5、TD6、TD7、TD9、TD12、TD13、TD14均靠近民垸圍堤，因此說明木閘湖垸圍堤附近流速變化非常小，均不超過0.01m/s。

由此可見，工程的修建不會對分蓄洪區圍堤造成明顯不利影響。

3.4 沖刷分析

輸電桿塔與分洪口門的最近距離約2000m，分蓄洪時，輸電線路在分蓄洪區內的塔位可能受洪水的沖刷而影響其安全，為此，需要分析計算洪水對塔位的沖刷影響。

根據工程地質勘測情況，分蓄洪民垸內地層分布主要為耕植土及粘質土，輸電線路塔基礎沖刷采用粘性土沖刷計算公式。

采用JTJ 062—2002《公路橋位勘測設計規范》推薦的粘性土河床橋墩局部沖刷計算公式如下：

分蓄洪區分洪運用情況下，塔位處的沖刷深度與行近流速有關。根據前述分蓄洪區內流速計算結果，計算各塔基處的沖刷。

根據計算，NX198桿塔塔基處行近流速最大，沖刷深度也最大，為1.11m。建議在塔基附近采取防沖措施。

4 結語

通過模擬高壓輸電線路建設前后，木閘湖分蓄洪民垸分蓄洪水時的流場情況，發現：工程建設前后各監測點水位過程線基本不變；工程建成后蓄滿所需時間不變；工程修建對洪水到達分蓄洪區各點的時間影響很小，位于工程線路以南的附近監測點洪水到達時間有所滯后；工程前后洪水演進方向和速度變化很小，僅塔基附近局部流場有微小變化。計算成果為建設項目對分蓄洪區影響提供了可靠數據支撐。

由于木閘湖垸分洪后的退水方案暫不明確，因此沒有考慮退水工況下工程與洪水的相互影響，退水工況的相關分析將在后續計算中進行。