二维水动力数学模型在输电线路防洪评价中的应用

2018-07-25赵建文胥欣欣

山东电力技术 2018年6期

石军，张成，赵建文，胥欣欣，张洋

（1.中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏南京 211102；2.国网山东省电力公司，山东济南 250001；3.国网山东省电力公司枣庄供电公司，山东枣庄 277000；4.国网山东省电力公司东营供电公司，山东东营 257091）

0 引言

恩县洼滞洪区是卫运河下游右岸的一个碟式自然洼地，也是漳卫南运河系最下游的一个滞洪区，位于山东省德州市武城县北部卫运河下游右岸［1］。输电线路的架设对恩县洼滞洪区的影响主要包括对流场、流速、分洪流量和滞洪水位等。采用二维水动力数学模型［2］，结合某交流特高压线路工程，模拟分析输电线路架设前后对防洪的影响及洪水对输电线路影响，为防洪评价提供重要参考依据。

1 恩县洼滞洪区及输电线路概况

恩县洼滞洪区东以陈公堤为界，南至平武公路，西部为自然地形，北部为卫运河右岸大堤，是由黄河故道左岸河滩高低与卫运河相交形成的封闭蝶形洼地，三面环堤，四周高，中间低，历史上称高鸡泊，周边地面高程25.5m，中部洼底地面最低高程20.8m，总面积325 km2。

某交流特高压线路于河北省故城县南约6 km处向东跨越卫运河进入恩县洼滞洪区，线路整体由西向东穿越恩县洼滞洪区，向东架设约1.5 km后，于4号塔位处转向东南方向架设，到达11号塔位处转向东架设，8 km后至马庄附近254省道南侧，再转向东北方向沿S254架设线路至陈公堤处跨出恩县洼滞洪区。输电线路在恩县洼滞洪区内总长度约24 km，区内共有46个塔位，恩县洼滞洪区内输电线路塔位布设情况位置如图1所示。

图1 恩县洼滞洪区内输电线路塔位布设图

2 恩县洼滞洪区二维水动力数学模型

2.1 基本方程

笛卡尔坐标系下的圣维南方程组形式为

连续方程

动量方程

式中：h为水深；u、v分别为x、y向的垂向平均流速分量；Sh为水流的源汇项；Z为自由水面水位；g为重力加速度；Vt为紊动扩散系数；Sx、Sy分别为 x、y 向的动量源汇项。

2.2 定解条件

数值计算的定解条件包括初始条件和边界条件，是求解控制方程的前提。

初始条件。初始条件是数值计算的变量初始代入值，可以是某一假设的固定值，也可以是在计算区域非均匀分布的实测值。通常将变量的初始条件均设为零，经过一段时间的计算后即可消除初始条件对模拟结果的影响。采用热启动，将分洪闸开启前卫运河的稳定状态作为此次计算的初始条件。此外，分洪闸开启前滞洪区的地面是干的，即水位等于地面高程，淹没水深全部为零。

边界条件。边界条件一般有固边界、开边界和内边界3种。固边界又称闭边界，是指实际存在的边界；开边界即水边界，是人为划定的边界；内边界，是计算区域内部存在的边界。对于固边界，通常采用不可入条件，即边界的法相通量为零。对于开边界，给定水深、流量或流速的时间序列。根据相关洪水设计成果，采用西郑庄分洪闸处洪水流量过程及牛角峪枢纽处水位过程作为模型模拟的上、下边界条件。

2.3 参数取值

在建模过程中，需要设定的参数很多，如床面糙率、紊动扩散系数等，一般采用实际测量和经验取值相结合的方法对参数进行初始设定，即在条件允许的情况下对建模需要的主要参数进行实地或实验测量，但由于采样点的数量有限、实验误差以及操作人员的差异性，实测的模型参数往往不能精确地反映实际情况，仅能为参数的选取范围提供参考。因此，在实际应用中，参数值的选取还应结合研究水体的历史资料及相关参考文献加以考虑。待参数的初始值确定后，通常采用试算法对参数值进行优化和率定，即先将模型的其他参数固定在初始值，而仅对某一参数在其所有可能的变化范围内进行试算；在与实测值进行比较而得到满意的模型输出后，再对其余各参数按照同样的方法依次进行率定；在确定模型的所有参数后，再重复循环以进行微调，直到模型的输出值达到或接近最优解为止。

恩县洼滞洪区内有村庄、田间作物等，根据各种地物特征选择不同的糙率，即堤、路、埝取值为0.045，果林取值为0.065，房屋取值为0.10，鱼塘取值为0.035，水田取值为0.04，滩地、河槽、渠底取值为0.035，草地取值为0.04，菜地取值为0.035。此外，根据《漳卫河系防洪规划》卫运河甲马营至四女寺段的河道主槽糙率为0.0225，滩地糙率为0.045。

2.4 计算区域地形及时间空间离散

地形数据生成。在静压假定条件下，不考虑风力及科氏力的作用，结合分洪洪水的特点，采用有限体积法求解平面二维水动力模型对西郑庄分洪闸开闸分洪后的洪水演进进行模拟计算。首先提取研究区域的高程信息，作为模型的输入数据；然后利用网格生成工具将计算区域三角化剖分，生成计算网格，进一步插值生成计算区域的地形文件；确定计算区的相关参数后，结合给定的初始条件及边界条件，生成二维洪水演进数学模型，计算滞洪区淹没水深、淹没范围等情况。根据相关规划卫运河甲马营至四女寺段河道断面情况，甲马营至四女寺河长40 km，河道纵坡 1/16 000，主槽底高程 18.00～15.56m，槽深7～9m，口宽 150m，右堤顶高程 46.38～27.48m，顶宽一般为 7～8m，最宽 17m，迎背水坡均为 1：3。陈公堤堤顶高程26.77m，六六河堤防26m，导流堤堤防28m。不对滞洪区内武城县城安全区和新规划建设的滕庄，鲁权屯镇安全区进行网格划分，即安全区不参与模型计算。

空间离散。模拟区域滞洪区内的空间步长为100m，卫运河空间步长大体为30m，其中卫运河上下游开边界、西郑庄分洪闸以及输电线塔基沿线局部加密，空间步长为10m，共生成网格节点59 114个，网格单元110 885个，插值后的地形网格如图2所示。

时间离散。为保证计算稳定，时间步长取为2 s。

图2 计算区域地形图

3 输电线路修建对防洪的影响分析

3.1 对滞洪区流速和流场的影响

卫运河遭遇百年一遇洪水情况下，滞洪区内约需蓄滞洪水7亿m3，恩县洼采用不分区滞洪的调度原则，项目建设后，恩县洼滞洪区内建设前后流场分布如图3所示。

图3 启用滞洪区72 h流场

输电线路塔基的架设具有一定的阻水作用。项目建设后，各拟建塔基处的最大流速范围为0～0.421m/s。2～6号塔基处于恩县洼的西部地势较高的区域且塔基的高程相对较高，流速数量级极小，可忽略不计。输电线路的塔基占地面积相对分洪区面积来说很小，因此，项目建成后输电线路塔基对整个恩县洼分洪时的流速流场影响可以忽略不计。

3.2 对滞洪区分洪流量及分洪总量的影响

当遭遇特大洪水需要启用恩县洼滞洪区分滞洪水时，洪水将通过开启的西郑庄分洪闸经导流堤进入恩县洼滞洪区实现洪水分流，由于输电线路距离西郑庄分洪闸较远，不会对导流堤内洪水水位产生影响，因此项目建成后对西郑庄分洪闸的分洪流量不会产生影响。

输电线路塔体虽采用镂空的钢结构，但仍会占据稍许滞洪容积。综合考虑输电线塔参数及《恩县洼滞洪区安全建设规划》中给出的设计滞洪水位，估算得到当达到滞洪区设计滞洪水位时，单个输电线塔占据的滞洪容积为0.76m3，恩县洼滞洪区内设置的46个输电线塔，共占据滞洪容积34.96m3。由相关规划可知，当恩县洼滞洪区滞洪水位达到最大滞洪水位时，滞洪区内共将容纳7亿m3分滞洪水。项目建设减少的滞洪能力约占设计总滞洪能力的千万分之五，对滞洪期的分洪总量影响极小。因此，当卫运河遭遇特大洪水时，建设项目不会对分洪总量造成影响。

3.3 雍水影响

根据二维水动力模型计算结果，对比分析高压输电线架设前后滞洪区内同一位置的水位变化情况。选取输电线各塔基位置以及滞洪区内其他若干节点 A、B、C、D 进行水位比对，其中节点 A、B、C、D的位置如图4所示。当卫运河遭遇百年一遇洪水时，西郑庄分洪闸共需分泄洪水7亿m3，即恩县洼滞洪区的总分滞洪能力，滞洪达到设计滞洪量时，对应的设计最高滞洪水位为24.82m。项目建设前后滞洪区内的最高水位均为24.82m，即项目建设对滞洪区内滞洪水位无影响。

图4 恩县洼滞洪区内典型节点位置

4 洪水对输电线路工程自身的影响

滞洪区洪水对输电线路工程自身安全的影响主要为洪水对输电线路基础的淹没和冲刷影响。

4.1 淹没影响分析

百年一遇洪水情况下，考虑最不利情况，西郑庄分洪闸持续分洪至滞洪区最高滞洪水位处，各输电线路塔基处的淹没水深范围为0.36～4.75m。其中，38号塔基受洪水淹没影响最大，38号塔基处淹没水深随时间变化情况如图5所示。

4.2 冲刷影响分析

输电线塔基冲刷包括河床自然演变、一般冲刷和局部冲刷3部分［3］。河床的自然演变冲刷是河流自然演变规律的一个反映，是指该河段在不修建跨河建筑物情况下仅在自然力作用下引起的河床天然冲刷，目前，在实际设计计算时通常认为河道经过历史演变，河势已基本达到冲淤平衡，计算时采用的河道水下地形资料已经包括了河床的自然演变冲刷，即可认为自然演变冲刷为零。另外，对于输电线路的铁塔来说，塔与塔之间间距较大，且塔身并非封闭状态，对水流阻力较小，一般冲刷几乎不存在，因此塔基冲刷计算中一般冲刷深度取0m。

图5 38号塔基处淹没水深随时间变化

依据《电力工程高压送电线路设计手册》［4］中的说明，塔基处的冲刷可按《公路工程水文勘测设计规范》［5］中推荐的局部冲刷计算公式。根据计算公式，代入相应参数得到滞洪区分滞洪后输电线路各塔基处最不利冲刷深度。洪水对建设项目的塔基均有一定影响，塔基局部冲刷深度范围为0～0.50m。其中2号、3号、4号、5号、6号塔基迎水面流速极小，其相应的局部冲刷深度也极小，可忽略；综合考虑单桩直径2m，桩基埋深约25m，露出地面0.3m的设计塔基基础尺寸，局部冲刷影响最大的塔基因冲刷造成基础的最大裸露高度为0.80m，符合冲刷设计强度要求，不会对塔基的稳定性产生影响。