羅克偉 鄢慶錳 尹元 李揚(yáng)森 陳俊 翁蘭溪

（1 國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司 福建福州 350003 2 中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350003）

微地形是大地形中的1 個(gè)局部狹小而又特殊的地形范圍，對(duì)大風(fēng)形成及電線覆冰強(qiáng)度等氣象因子影響較大，可能對(duì)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(dǎo)風(fēng)向時(shí)，風(fēng)速增加；當(dāng)氣流由開(kāi)闊地區(qū)進(jìn)入狹窄地區(qū)，由于狹管效應(yīng)，風(fēng)速增加；在突出開(kāi)闊的山頂，高空強(qiáng)勁的氣流未受到周?chē)矫}的阻擋，風(fēng)速亦增加。設(shè)計(jì)架空輸電線路鐵塔時(shí)，應(yīng)考慮所處地形環(huán)境中微地形作用。本文以一條輸電線路工程為例，開(kāi)展微地形仿真分析，進(jìn)行微地形塔位鐵塔設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 輸電線路微地形塔位辨識(shí)分析

榕城（福州）特～長(zhǎng)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(zhǎng)泰縣長(zhǎng)泰特高壓站過(guò)渡點(diǎn)。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(duì)線路途經(jīng)區(qū)域進(jìn)行微地形分析識(shí)別，包括初步辨識(shí)、對(duì)比觀測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別。

初步辨識(shí)：收集線路路徑區(qū)域地形圖或數(shù)字影像圖、氣候特征資料、覆冰和風(fēng)速資料等，根據(jù)不同微地形、微氣象區(qū)的特點(diǎn)，結(jié)合路徑區(qū)域氣候特點(diǎn)、覆冰與大風(fēng)分布特性以及地形條件，判別可能存在微地形的重點(diǎn)區(qū)段。

對(duì)比觀測(cè)：針對(duì)上述重點(diǎn)區(qū)段，通過(guò)微地形與一般地形的實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)對(duì)比，由風(fēng)速、溫度、濕度及氣壓等差異，分析區(qū)域內(nèi)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(qū)段及其類(lèi)別。

現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別：根據(jù)不同微地形類(lèi)型各自的地形特點(diǎn)和實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)，與一般地形及氣象站對(duì)比分析，主要考慮微地形點(diǎn)與覆冰期或大風(fēng)期主導(dǎo)風(fēng)向的交角、地形對(duì)氣流集中或擴(kuò)散的影響程度、微地形點(diǎn)與一般地形點(diǎn)或氣象站的氣象參數(shù)差異程度，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)覆冰和大風(fēng)調(diào)研情況，綜合分析確定微地形、微氣象區(qū)類(lèi)型與影響范圍。

根據(jù)上述分析方法，初步判定：線路途徑安溪縣湖上鄉(xiāng)橫坪村山頂附近的塔位（包括JL26F、JR31、ZL128、ZL129、ZR131 5 個(gè)塔位）受微地形影響。如圖1 所示，線路途經(jīng)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(kāi)始向西南海拔逐漸抬升，在約3 km 路徑長(zhǎng)度內(nèi)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(dǎo)風(fēng)向一致。在迎風(fēng)坡側(cè)，風(fēng)速存在加速效應(yīng)，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(xué)分析

2.1 控制方程

CFD 仿真基于流體動(dòng)力學(xué)的基本控制方程—連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程，即滿(mǎn)足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒。本文忽略溫度效應(yīng)，不考慮能量守恒。

質(zhì)量守恒方程形式如式（1）。

式中：ρ 為密度；t 為時(shí)間；ui為速度張量；xi為坐標(biāo)張量。

動(dòng)量守恒方程在慣性坐標(biāo)系下，i 方向的動(dòng)量守恒方程如式（2）。

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

其中τij是應(yīng)力張量，定義如式（3）。

式中：μ 為流體黏性系數(shù)。

2.2 湍流模型

本文分析該微地形風(fēng)場(chǎng)，采用B 類(lèi)粗糙度，地表粗糙度指數(shù)α=0.12。

空氣的運(yùn)動(dòng)黏度ν=1.46×105m2/s，雷諾數(shù)計(jì)算公式如式（4）。

由公式（4）可推算出，當(dāng)特征長(zhǎng)度取中心點(diǎn)高度超過(guò)4.38 m時(shí)的雷諾數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出平板外部繞流的臨界雷諾數(shù)5×105～3×106，此時(shí)應(yīng)采取湍流模型模擬該流場(chǎng)。

在流體計(jì)算軟件Fluent 中，湍流模型有標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型、重整化群k-ε 模型和可實(shí)現(xiàn)k-ε 模型。選擇誤差最小的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型的湍動(dòng)能k 和耗散率ε 的方程如式（5）～（6）。

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

2.3 風(fēng)向角

以45°為一個(gè)步長(zhǎng)，從0°開(kāi)始，計(jì)算8 個(gè)角度的風(fēng)向角，見(jiàn)圖2 所示。

圖2 風(fēng)向角示意圖

2.4 邊界條件設(shè)定

當(dāng)風(fēng)向角為0°、90°、180°、270°時(shí)，將垂直于風(fēng)向角的側(cè)邊界面設(shè)置為速度入口，對(duì)應(yīng)的側(cè)邊界面為自由出口，剩下的側(cè)面與頂面采用對(duì)稱(chēng)面，地面與山體采用壁面。當(dāng)風(fēng)向角為45°、135°、225°、315°時(shí)，將風(fēng)向角入口靠近的兩個(gè)側(cè)面設(shè)置為速度入口，另外兩個(gè)側(cè)面為自由出口，地面與山體采用壁面，頂面采用對(duì)稱(chēng)面。

網(wǎng)格選擇六邊形網(wǎng)格，在豎直方向上由于400 m 以下風(fēng)速變化較大，所以400 m 以下的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。網(wǎng)格數(shù)量與高度成指數(shù)關(guān)系，不同大小的地形網(wǎng)格數(shù)量也不一樣，一般網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到千萬(wàn)數(shù)量級(jí)以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

2.5 實(shí)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(shù)據(jù)，形成等高線，采用SKETCH-UP 繪制三維模型，安溪縣湖上鄉(xiāng)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(fēng)速加速效應(yīng)分析

通過(guò)Fluent 軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，提取該微地形的風(fēng)速分布云圖，見(jiàn)圖5。分析并提取不同風(fēng)向下各個(gè)塔位處的風(fēng)速隨高度變化規(guī)律，見(jiàn)圖6 所示，總體趨勢(shì)為高度在20 m 以下風(fēng)速急劇增加，40 m～50 m 高度以上，風(fēng)速隨高度增加變化較小。

圖5 山頂海拔380m 處風(fēng)速（270°）分布云圖

圖6 270 度入口風(fēng)的風(fēng)速隨高度變化曲線

為分析微地形對(duì)風(fēng)速的增強(qiáng)效應(yīng)，定義微地形的風(fēng)速加速比為離地10 m 高位置處塔位風(fēng)速與入口風(fēng)速（周邊平地氣象站統(tǒng)計(jì)風(fēng)速）的比值。提取微地形塔位CFD 仿真結(jié)果，得到該微地形不同風(fēng)向下各塔位的風(fēng)速，計(jì)算其風(fēng)速加速比，見(jiàn)表1。

表1 各塔位不同風(fēng)向角的風(fēng)速加速比

從表1 可看出該段塔位在微地形作用下的風(fēng)速，大部分為增強(qiáng)效應(yīng)，少數(shù)存在降低的效果。風(fēng)速加速比位于1.07～2.09之間。

風(fēng)速加速比與入口處風(fēng)速乘積可以得到塔位模擬風(fēng)速。對(duì)比各風(fēng)向10 m 高處的模擬風(fēng)速與線路鐵塔設(shè)計(jì)基本風(fēng)速，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 CFD 仿真模擬風(fēng)速與工程設(shè)計(jì)風(fēng)速對(duì)比

表2 可以看出，該微地形共計(jì)算的5 個(gè)塔位，其中4 個(gè)超過(guò)了設(shè)計(jì)風(fēng)速，微地形風(fēng)速加速較明顯。從現(xiàn)場(chǎng)地形判斷，ZR131 處于山頂，預(yù)計(jì)風(fēng)速增加幅度最大，與辨識(shí)分析結(jié)果吻合。JR31 處于2 座山澗底部，海拔較低，現(xiàn)場(chǎng)地形判斷其不應(yīng)有風(fēng)速增加效應(yīng)，CFD 仿真結(jié)果顯示未超設(shè)計(jì)風(fēng)速，與辨識(shí)分析結(jié)果相符。

3 微地形塔位鐵塔設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對(duì)上述微地形區(qū)域，考慮微地形風(fēng)速加速效應(yīng)，采用以下3 種方案對(duì)鐵塔進(jìn)行加強(qiáng)及優(yōu)化。

3.1 方案一：增大角鋼規(guī)格、改變輔助材的布置型式

增大角鋼規(guī)格，可采用更大型號(hào)的角鋼、改變截面類(lèi)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(guī)格、改變輔助材的布置型式可以達(dá)到提高構(gòu)件的受拉及受壓穩(wěn)定承載力的作用。

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

表3 ZL129（ZBC30103）使用條件

ZL129 塔規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)所有桿件應(yīng)力比均小于1.0，即作為桁架結(jié)構(gòu)，實(shí)際包絡(luò)內(nèi)力小于受拉或受壓穩(wěn)定承載力。微地形驗(yàn)算結(jié)果顯示主材受60°大風(fēng)工況控制，應(yīng)力比相比規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)增加約12%；塔腿主材受60°大風(fēng)工況控制，應(yīng)力比增加約12%；曲臂主材應(yīng)力比增加約16%。

為滿(mǎn)足微地形作用下鐵塔承載力要求，對(duì)微地形驗(yàn)算后的鐵塔進(jìn)行加強(qiáng)及優(yōu)化：增加塔身輔助材布置、減少主材計(jì)算長(zhǎng)度，并加大其他位置角鋼規(guī)格。通過(guò)優(yōu)化，全塔塔重增幅約3.7%，而可承受的風(fēng)速相比設(shè)計(jì)風(fēng)速增加了17%，詳見(jiàn)表4。

表4 優(yōu)化方案增重分析

3.2 方案二：采用Q460 高強(qiáng)度角鋼

以微地形塔位ZR131（塔型ZBC30107，呼稱(chēng)高60m）為例，分析主材采用Q460 高強(qiáng)度角鋼的加強(qiáng)優(yōu)化方式。

根據(jù)CFD 仿真結(jié)果，微地形引起風(fēng)速加速效應(yīng)，ZR131 塔位風(fēng)速增大至39.9 m/s，相比規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)增幅達(dá)33.1%。按照39.9 m/s 的風(fēng)速驗(yàn)算該塔型，主材應(yīng)力比達(dá)112%～150%，具體見(jiàn)表5。嚴(yán)重超出承載能力。

表5 ZR131（ZBC30107）優(yōu)化方案比較

通過(guò)計(jì)算分析，采用Q420 主材加強(qiáng)方案的塔重增加13.27%，Q460 主材加強(qiáng)方案的塔重增加10.50%，因此Q460高強(qiáng)鋼相比Q420 能節(jié)約2.7%塔重。

因此，ZR131 塔位主材采用Q460 高強(qiáng)角鋼進(jìn)行加強(qiáng)，在塔重增重約10.5%情況下，可承受的風(fēng)速相比設(shè)計(jì)風(fēng)速增加了33.1%。

3.3 方案三：采用高強(qiáng)度鋼管塔

與普通角鋼塔相比，鋼管塔構(gòu)件風(fēng)壓小、剛度大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、傳力清晰，能夠充分發(fā)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(yàn)算模型，分別對(duì)比Q420 角鋼塔、Q345 鋼管塔及Q420 鋼管塔3 種加強(qiáng)優(yōu)化方案。

采用這3 種主材加強(qiáng)優(yōu)化方案，鐵塔都可承受的微地形驗(yàn)算風(fēng)速（35.1 m/s），相比設(shè)計(jì)風(fēng)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(jiàn)表6 所示，可以看出，相對(duì)角鋼塔，高強(qiáng)度鋼管塔抗風(fēng)承載能力優(yōu)越。

表6 高強(qiáng)度鋼管塔方案對(duì)比

4 結(jié)論

（1）通過(guò)初步辨識(shí)、對(duì)比觀測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別，判定在線路途經(jīng)福建安溪縣湖上鄉(xiāng)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(jìn)行仿真計(jì)算，提取該微地形的風(fēng)速分布云圖，計(jì)算得到風(fēng)速加速比。通過(guò)分析可知，微地形對(duì)周邊無(wú)遮擋、高海拔的風(fēng)水嶺或山脊風(fēng)速具有明顯的加速效應(yīng)。

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