遼中電力線路電塔對遼河洪水流場的影響

劉　冰

(遼寧省北票市水資源辦公室，遼寧 北票 122100)

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遼中電力線路電塔對遼河洪水流場的影響

劉冰

(遼寧省北票市水資源辦公室，遼寧 北票 122100)

電力線路電塔是河道中的常見工程，其對河道洪水流場影響尚缺少詳細的分析成果。文章針對遼河中遼中電力線路電塔，采用HEC-RAS軟件和標準 湍流模型對遼河河道和電塔樁基附近水流流場進行計算分析，通過區(qū)分主槽和灘地兩種情況，在影響范圍、回流、渦街等方面得出結(jié)論。

遼中；送電線路；電塔；流場；回流

1　綜　述

1.1遼中送電線路項目概況

遼中電線路工程于遼中縣養(yǎng)士堡鄉(xiāng)腰屯(左岸)和滿都戶鎮(zhèn)古城子(右岸)跨越遼河。其斷面位置位于遼河大斷面112斷面～113斷面之間。本次線路于106省道遼河大橋上游約1.3km處，遼中縣養(yǎng)士堡鄉(xiāng)腰囤(左岸)～遼中縣滿都戶鎮(zhèn)古城子(右岸)一線跨越遼河，跨越斷面較初步設(shè)計階段向上游平移約1.1km，回到可研階段跨河斷面處。

本次線路跨越點下游約300m處遼河大橋下游已建的66kV線路基礎(chǔ)加高約3m，2011年汛期基礎(chǔ)全部淹沒。本次線路跨越段遼河主槽寬約150m，堤防間距3.5km，堤高7m，堤頂寬6m，迎水側(cè)邊坡1:2.5，背水側(cè)邊坡1:3.5，迎水側(cè)堤腳植有約50m寬的楊樹帶。遼河灘地農(nóng)作物主要為玉米。河床質(zhì)由沙壤土組成，顆粒較小。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，大水時，灘地內(nèi)的房屋只露屋頂，灘地玉米也被淹沒，大水時灘地淹深約3.5～4.5m。本跨越點約有3.5km線路路徑受遼河洪水影響。

本次電線塔跨越遼河的電線塔共8座，其樁號分別為27#～34#，距左岸堤防迎水側(cè)堤腳最小垂直距離分別為80、790、1340、1735、2139、2550、2958和3340m，其基座為4個直徑0.5m的圓形樁基礎(chǔ)。

大水時灘地淹深約1.5～2.5m，自然地面沖刷深度約0.8m，且河灘地區(qū)的地質(zhì)條件較差，因此在跨河塔位、河灘、等不良地質(zhì)條件的情況下采用群樁承臺灌注樁基礎(chǔ)露頭需3m以上。淤泥、流塑土等情況根據(jù)塔型采用單樁或承臺灌注樁基礎(chǔ)[1]，灌注樁基礎(chǔ)耗鋼量和混凝土量均較大且施工費用較高，工程中將盡量控制使用。

1.2跨越遼河段河道基本情況

電線塔跨越處為遼河干流的柳河口～卡力馬河段，長約55.4km，因受柳河泥沙淤積影響，河床逐年抬高，平均河寬240m，河床比降0.17‰，河槽寬淺，寬深比為7.54～37.42。左岸為遼中縣養(yǎng)士堡鄉(xiāng)腰屯，右岸為遼中縣滿都戶鎮(zhèn)古城子。電線塔跨越遼河處100 a一遇設(shè)計洪峰流量均為5250 m3/s。

電線塔跨越處地形地貌及河道地質(zhì)情況以主體上受遼河干流沖於的灘地為主，其中間分布著坑塘，地勢有起伏，但大體上屬于平原地帶，大范圍內(nèi)地勢起伏較小。其地質(zhì)條件為，地平線下0～1.1m處為粉質(zhì)黏土，其下依次分布著中砂(1.1～6.0m)、細沙(6.0～18.0m)、中砂(18.0～21.0m)和細沙(21.0～30.0m)。

1.3工程所在河段河道演變趨勢

遼河線路跨域河段為蜿蜒型河道，蜿蜒型河道[2]的特點是灘地寬闊，河槽窄深，河床邊界質(zhì)的抗沖性能差。跨越處河道彎曲，橫向、縱向演變比較劇烈。從第2代1∶50 000地形圖和2010年前衛(wèi)星圖片對比來看，跨越河段上游河道近30a來已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，交替發(fā)生截灣取直、沖刷演變情況，整體有左岸沖刷、右岸淤積的發(fā)展趨勢。據(jù)現(xiàn)場洪水調(diào)查及測量專業(yè)實地岸線測量成果，2010年汛期，跨越斷面上游主河道受洪水沖刷影響，發(fā)生演變，河灣截灣取直，新形成的河道長度約500m，均為2010年洪水沖刷形成，頂沖點至跨越斷面距離僅約180m。經(jīng)實地測量，2011年汛后定位期間較訊前選線期間跨越斷面斷面彎道頂沖點處塌岸逾30m。

遼河左岸27#跨越塔位于遼河左岸灘地處，距左側(cè)大堤坡腳約100m，與遼河主河道間有10余排護岸楊樹及民堤改建的遼堤路相隔，相距約300m，塔位相對較為安全不受遼河河道橫、縱向演變影響。遼河右岸28#跨越塔位于遼河右岸荒灘，距遼河現(xiàn)有岸線約200m，期間多為2010年、2011年形成的沙質(zhì)淤積三角洲，抗沖刷能力極差。

28#塔位位于近年來遼河右岸不斷淤積形成的沙洲上，塔位處多由粉細沙淤積而成，抗沖刷能力極差，上游200～800m處2010年剛剛發(fā)生截彎取直，上游灘地亦有粉細沙組成，抗沖刷能力較差，上游頂沖點向塔位處發(fā)展速度較快，預(yù)計河道再次發(fā)生截彎取直，將塔位處沖開形成主河道的幾率極大。

2　河段洪水一維水力計算

2.1邊界條件

河道水力計算采用軟件HEC-RAS一維模型[3]，依據(jù)2005年地形測量資料，計算范圍從紅廟子公路橋(遼中水文站斷面)向上游至送電線路跨越斷面處，計算范圍內(nèi)河道全長12500m；布置計算橫斷面24個。計算區(qū)間內(nèi)，河道無支流匯入干流。

計算流量針對遼河干流石佛寺以下設(shè)計防洪標準為100 a一遇，其相應(yīng)河段流量為5 250 m3/s。

起點水位以遼中水文站斷面為起始斷面，查其水位流量關(guān)系曲線知起點水位為16.8m。

本次計算采用的糙率值參考遼河規(guī)劃資料，并結(jié)合灘地植被情況綜合考慮確定。遼河河段為平原河道且河槽極度彎曲，且平均水深>2m，選取主槽糙率為0.035；河灘地上植被較多，樹林成片，阻水嚴重，其糙率值較大，糙率取值為0.085。

2.2一維水力學(xué)計算成果

經(jīng)計算，得到遼河干流紅廟子公路橋至電線塔跨越處100 a一遇洪水水位成果，其中跨越處斷面處水位高程20.4m，主河槽和灘地平均流速分別為1.11m/s和0.32m/s，河道水面寬度3523.05m。

3　河段洪水二維計算

3.1基本控制方程及邊界條件

當(dāng)洪水來臨時，跨越在河道內(nèi)的電線塔樁基會對其周圍的水流流場造成影響。

電線塔樁基繞流運動的控制方程可以采用標準k-ε湍流模型[4]。即：

連續(xù)性方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

k-ε湍流模型：

(3)

(4)

3.2計算區(qū)域和邊界條件

在100 a一遇洪水的情況下，河道內(nèi)水位高程20.4m，針對主槽和邊灘的不同流速1.11m/s和0.32m/s的情況下分別對其進行討論、計算和分析。

本次計算所建立的簡化物理模型：將單個電塔的4個圓形樁基做出水平投影，建立二維的模型，針對主槽和灘地不同的水流速度用有限體積法(FVM)的進行求解。

考慮到電塔對周圍水流流場產(chǎn)生影響的大致范圍，選取的研究對象為沿水流方沿水流方向長、寬均為40m的水平截面，將單個電塔的四個圓形樁基做出水平投影，建立二維的模型，針對主槽和灘地不同的水流速度用有限體積法(FVM)的進行求解；此即二維模型的計算域，將計算域進行離散，建立網(wǎng)格，其分布情況：節(jié)點數(shù)162801，單元數(shù)161940，其具體情況如圖1、圖2、圖3；圖中鏤空的實心圓代表豎立在水中的電塔的四個圓柱樁基礎(chǔ)，直徑為1.0mm。

圖1　電塔樁基網(wǎng)格劃分示意圖

圖2　靠左岸兩個樁基網(wǎng)格細部劃分示意圖

圖3　靠右岸兩個樁基網(wǎng)格細部劃分示意圖

3.3計算結(jié)果及分析

3.3.1主槽內(nèi)電塔流場

河道內(nèi)水位高程20.4m，主槽相應(yīng)流速為1.11m/s的情況下，計算結(jié)果參見電塔樁基周圍流速流速等值云圖見圖4。

圖4　主槽內(nèi)電塔樁基周圍流速流速等值云圖

分析圖4可知，由于電線塔4個樁基的存在，使得水流在橫(Y)向和縱(X)向都受到影響；橫(Y)向擠壓影響范圍約為左右各2m；樁基下游縱(X)向水流擺動范圍達到20m，寬度約為6m。而且在樁基下游產(chǎn)生回流和渦街，回流范圍約為5m，回流最大流速約在0.4m/s左右；渦街范圍也達到20m，其局部流速約在1.4m/s左右。

3.3.2灘地內(nèi)電塔流場

河道內(nèi)水位高程20.4m，灘地相應(yīng)流速為0.32m/s的情況下，計算結(jié)果參見電塔樁基周圍流速流速等值云圖見圖5。

圖5　灘地內(nèi)電塔樁基周圍流速流速等值云圖

分析上圖5可知，灘地電線塔樁基同樣使得水流在橫(Y)向和縱(X)向都受到影響；橫(Y)向擠壓影響范圍約為左右各1.5m；樁基下游縱(X)向水流擺動范圍達到20m，寬度約為5m。而且樁基下游產(chǎn)生回流和渦街，回流范圍約為5m，回流最大流速約在0.05m/s左右；渦街范圍也達到20m，其局部流速約在0.4m/s左右。

4　結(jié)　論

綜上，當(dāng)修建電線塔后，電線塔樁基會對周邊局部的水流流場產(chǎn)生一定影響，主槽比灘地內(nèi)的所受影響程度要大。其影響主要表現(xiàn)為：影響范圍橫向為5～6m，縱向為20m；樁基下游5m左右產(chǎn)生回流，20m范圍產(chǎn)生渦街；局部流速增大20%～30%。

[1]王剛耀.110kV電塔錨桿-承臺基礎(chǔ)的工程實錄[J].土工基礎(chǔ),2003，17(3):10-12.

[2]韓文利.遼河河道演變及治理[J].東北水利水電，2002，20(12):21-22.

[3]方園皓，張行南，夏達忠.HEC-RAS系列模型在洪水演進模擬中的應(yīng)用研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，33(2):12-15.

[4]魏文禮.紊流模型理論與工程應(yīng)用[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2006:84-86.

[5]趙恩寶.長江口水文、泥沙過程與圓樁沖刷的數(shù)值模擬[D].北京:中國科學(xué)院研究生院,2008.

Effect of Electric Power Line Tower of Middle Liaoning Province on Flood Flow Field in Liao River

LIU Bing

(Beipiao Urban Water Resources Office Liaoning Province，Beipiao 122100,China)

Electric power line tower is a common project in river channel，detailed analysis is still lacking on how it affects the flow field of a river.This paper uses the HEC-RAS software and the standard turbulence model to calculate and analyze the flow field near the Liaohe River and tower pile foundation based on the electric power line tower in Middle Liaoning Province，and comes to the conclusion on affected area，reflux and vortex etc by distinguish the main channel and floodplain.

Middle Liaoning Province；power transmission line；electric tower；flow field；reflux

1007-7596(2016)05-0012-04

2016-03-25

劉冰(1980-)，女，遼寧北票人，工程師，從事水文水資源管理工作。

TV85

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