蘇佳慧

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，電力需求增大，遠(yuǎn)距離高壓輸電線路工程得到了廣泛應(yīng)用。高壓輸電線路工程跨度大、線路長(zhǎng)，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(qū)。論證洪水對(duì)線路工程的影響以及線路工程對(duì)蓄滯洪區(qū)分蓄洪的影響，對(duì)工程安全及分蓄洪區(qū)安全非常重要[1-3]。相應(yīng)的分析方法及分析內(nèi)容對(duì)其它類似線性工程(如橋梁工程、管道工程等)穿越蓄滯洪區(qū)的影響分析有重要的參考意義。

Mike 21模型在工程建設(shè)洪水影響評(píng)價(jià)及洪水演進(jìn)模擬方面被廣泛應(yīng)用[4-9]。本文以某500kV高壓輸電線路為例，根據(jù)湖北省當(dāng)陽(yáng)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(jìn)模型，對(duì)工程建設(shè)前后木閘湖垸分洪歷時(shí)、流速、水位等特征的變化進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)工程建設(shè)對(duì)分蓄洪區(qū)分蓄洪的影響及分蓄洪時(shí)洪水對(duì)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(tǒng)外送通道之一，對(duì)提高葛洲壩輸電系統(tǒng)整體輸電能力及送電可靠性，更好地適應(yīng)湖北電網(wǎng)的發(fā)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(zhèn)紫荊村，整體呈自西向東走線。路徑長(zhǎng)度約為95.5km，線路在當(dāng)陽(yáng)市草埠湖鎮(zhèn)北側(cè)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(zhǎng)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(jù)沮漳河洪水調(diào)度方案：當(dāng)沙市水位在44.00～45.00m之間，河溶來(lái)量在3822～4500m3/s，視洪量大小，河溶附近依次運(yùn)用觀基垸、木閘湖垸、夾洲垸、莫家湖垸，萬(wàn)城附近扒開(kāi)謝古垸，必要時(shí)運(yùn)行眾志垸分洪，若仍不能解決沮漳河的防洪緊張局面，相機(jī)在沮西大垸采取緊急分洪措施。

根據(jù)《當(dāng)陽(yáng)市蓄滯洪區(qū)運(yùn)用方案(2021年修訂)》，木閘湖垸分洪時(shí)，其進(jìn)洪口位置設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)洪水位為49.2m，設(shè)計(jì)分洪水位50m，該垸進(jìn)口地面高程44m，設(shè)計(jì)進(jìn)洪流量500m3/s，設(shè)計(jì)蓄洪水位48m，蓄洪面積7.4km2，容積3706.3萬(wàn)m3。吐洪口門一個(gè)為蘆河閘與艾東閘中部，與進(jìn)洪口門相同，另一個(gè)為田家閘。

2 木閘湖垸分蓄洪模型構(gòu)建

2.1 控制方程

Mike 21水動(dòng)力學(xué)控制方程如下[10]。

水流連續(xù)方程：

(1)

水流運(yùn)動(dòng)方程：

(2)

(3)

2.2 模擬范圍

模型計(jì)算范圍為木閘湖垸分蓄洪區(qū)，分蓄洪區(qū)西側(cè)為沮漳河左堤，東側(cè)為山丘崗地，南北兩側(cè)為民垸圩堤。蓄洪區(qū)面積7.4km2。高壓輸電線路走向及桿塔塔位布置，洪水模擬計(jì)算區(qū)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(wǎng)格劃分如圖2所示，計(jì)算中采用三角形網(wǎng)格，共設(shè)置了44006個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格大小在1～30m之間，對(duì)輸電桿塔樁基部位的網(wǎng)格進(jìn)行加密。加載地形數(shù)據(jù)后的地形圖如圖3所示。

圖2 木閘湖垸平面二維模型網(wǎng)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(qū)長(zhǎng)約2km，木閘湖垸分蓄洪區(qū)分洪時(shí)，工程線路的基礎(chǔ)(露出地面部分)占用分蓄洪區(qū)過(guò)水?dāng)嗝妫鸶浇髁鲌?chǎng)變化，根據(jù)工程線路的樁基礎(chǔ)(出露地面部分)的占地面積，將這些計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)地形進(jìn)行修改，以反映其影響。

2.3 參數(shù)設(shè)置

2.3.1糙率系數(shù)

由于木閘湖垸沒(méi)有實(shí)測(cè)分洪資料，因此，計(jì)算采用的糙率參照相關(guān)經(jīng)驗(yàn)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(jù)前述分洪設(shè)計(jì)，在蘆河閘與艾東閘中部，設(shè)定模型進(jìn)洪流量為500m3/s。

3 模型計(jì)算與分析

3.1 壅水分析

為便于對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，在民垸內(nèi)共布置了14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)(TD1～TD14)及位置如圖3所示。部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)工程前、后水位過(guò)程線如圖4所示。對(duì)比結(jié)果表明，工程線路的修建對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水位影響均很小，當(dāng)木閘湖垸開(kāi)始分洪后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)工程前后水位過(guò)程線均幾乎重合，同時(shí)刻水位壅高和降低值在0.003m以內(nèi)。

圖4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)工程前后水位過(guò)程線

在達(dá)到設(shè)計(jì)蓄洪水位48.0m時(shí)，工程侵占木閘湖垸蓄滯洪區(qū)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(duì)總?cè)莘e很小，到蓄滿3706.3萬(wàn)m3時(shí)，各點(diǎn)水位工程后相比工程前基本沒(méi)有變化。

由此可見(jiàn)，工程的修建對(duì)木閘湖垸分蓄洪區(qū)的水位過(guò)程和最終蓄洪水位均無(wú)明顯影響。

3.2 分洪歷時(shí)影響分析

工程建設(shè)對(duì)分洪歷時(shí)的影響主要表現(xiàn)在對(duì)蓄滯洪區(qū)蓄滿分蓄洪量所需時(shí)間的影響以及洪水到達(dá)蓄滯洪區(qū)內(nèi)各個(gè)區(qū)域的時(shí)間的影響。

計(jì)算結(jié)果顯示，工程建設(shè)前后分蓄3706.3萬(wàn)m3的洪量需時(shí)均為20.8h左右，可見(jiàn)擬建工程修建對(duì)分洪流量過(guò)程影響不大，工程建成后蓄滿所需時(shí)間沒(méi)有發(fā)生變化。

洪水到達(dá)蓄滯洪區(qū)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)間的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由表可知，工程修建后，對(duì)洪水到達(dá)分蓄洪區(qū)內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)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(jiān)測(cè)點(diǎn)洪水到達(dá)時(shí)間基本沒(méi)有發(fā)生變化，位于工程線路以南的附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)洪水到達(dá)時(shí)間有所滯后，TD11～TD14的洪水到達(dá)時(shí)間均滯后約0.001h。

表1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)工程前后洪水到達(dá)時(shí)間比較

由以上兩個(gè)方面分析結(jié)果可見(jiàn)，擬建工程對(duì)蓄滯洪區(qū)分洪歷時(shí)影響很小。

3.3 分洪流速影響分析

擬建工程建設(shè)前后蓄滯洪區(qū)內(nèi)不同時(shí)刻分洪流場(chǎng)圖如圖5—7所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)洪水流速過(guò)程線如圖8所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)流速峰值及峰現(xiàn)時(shí)間見(jiàn)表2。

表2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)工程前后分洪流速洪峰及峰現(xiàn)時(shí)間對(duì)比表

表3 各桿塔樁基局部沖刷深度計(jì)算成果表

圖5 工程建設(shè)前、后蓄滯洪區(qū)分洪5h時(shí)流場(chǎng)分布圖

圖6 工程建設(shè)前、后蓄滯洪區(qū)分洪10h時(shí)流場(chǎng)分布圖

圖7 工程建設(shè)前、后蓄滯洪區(qū)分洪20h時(shí)流場(chǎng)分布圖

圖8 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)工程前后分洪流速過(guò)程線

由以上圖表可見(jiàn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)工程前后分洪流速過(guò)程線均幾乎重合。整體來(lái)說(shuō)，洪水演進(jìn)方向和速度變化很小，工程對(duì)整體洪水流場(chǎng)的影響很小，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的流速過(guò)程、流速峰值和峰現(xiàn)時(shí)間均無(wú)明顯變化，但工程局部附近流場(chǎng)有微小改變。擬建工程線路北側(cè)附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)TD8流速峰值減小約0.0001m/s，峰現(xiàn)時(shí)間滯后約0.001h，TD9流速峰值增加約0.001m/s，峰現(xiàn)時(shí)間提前約0.001h；擬建工程線路南側(cè)附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)TD11流速峰值減小約0.0004m/s，峰現(xiàn)時(shí)間基本不變，TD13流速峰值增加約0.0013m/s，峰現(xiàn)時(shí)間提前約0.001h。蓄滯洪區(qū)內(nèi)其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)流速峰值和峰現(xiàn)時(shí)間基本保持不變。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)TD1、TD2、TD4、TD5、TD6、TD7、TD9、TD12、TD13、TD14均靠近民垸圍堤，因此說(shuō)明木閘湖垸圍堤附近流速變化非常小，均不超過(guò)0.01m/s。

由此可見(jiàn)，工程的修建不會(huì)對(duì)分蓄洪區(qū)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(shí)，輸電線路在分蓄洪區(qū)內(nèi)的塔位可能受洪水的沖刷而影響其安全，為此，需要分析計(jì)算洪水對(duì)塔位的沖刷影響。

根據(jù)工程地質(zhì)勘測(cè)情況，分蓄洪民垸內(nèi)地層分布主要為耕植土及粘質(zhì)土，輸電線路塔基礎(chǔ)沖刷采用粘性土沖刷計(jì)算公式。

采用JTJ 062—2002《公路橋位勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的粘性土河床橋墩局部沖刷計(jì)算公式如下：

分蓄洪區(qū)分洪運(yùn)用情況下，塔位處的沖刷深度與行近流速有關(guān)。根據(jù)前述分蓄洪區(qū)內(nèi)流速計(jì)算結(jié)果，計(jì)算各塔基處的沖刷。

根據(jù)計(jì)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(jié)語(yǔ)

通過(guò)模擬高壓輸電線路建設(shè)前后，木閘湖分蓄洪民垸分蓄洪水時(shí)的流場(chǎng)情況，發(fā)現(xiàn)：工程建設(shè)前后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位過(guò)程線基本不變；工程建成后蓄滿所需時(shí)間不變；工程修建對(duì)洪水到達(dá)分蓄洪區(qū)各點(diǎn)的時(shí)間影響很小，位于工程線路以南的附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)洪水到達(dá)時(shí)間有所滯后；工程前后洪水演進(jìn)方向和速度變化很小，僅塔基附近局部流場(chǎng)有微小變化。計(jì)算成果為建設(shè)項(xiàng)目對(duì)分蓄洪區(qū)影響提供了可靠數(shù)據(jù)支撐。

由于木閘湖垸分洪后的退水方案暫不明確，因此沒(méi)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(guān)分析將在后續(xù)計(jì)算中進(jìn)行。