福建典型山地微地形下輸電線路設(shè)計風(fēng)速修正

翁蘭溪 鄢慶錳 尹元 鄭鳳林 李揚(yáng)森 江能明

（1中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計院有限公司2國網(wǎng)福建省電力有限公司 福建福州 350003）

1 概述

微地形是大地形中的一個局部狹小而又特殊的地形范圍，對福建山地輸電線路而言，影響較大的是微地形造成的風(fēng)速增大。受山地微地形的影響，氣象臺站觀測的風(fēng)速僅代表氣象站附近一定范圍的特征，對距離氣象臺站較遠(yuǎn)的位置失去代表性。本文選取一處山體作為典型微地形效應(yīng)分析對象，對比國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范［1～6］風(fēng)速修正及CFD仿真分析結(jié)果。

2 規(guī)范介紹

《110kV～750kV 架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》［1］規(guī)定：山區(qū)輸電線路宜采用統(tǒng)計分析和對比觀測等方法，由鄰近地區(qū)氣象臺、站的氣象資料推算山區(qū)的基本風(fēng)速，并應(yīng)結(jié)合實際運(yùn)行經(jīng)驗確定。當(dāng)無可靠資料時，宜將附近平原地區(qū)的統(tǒng)計值提高10%。

《電力工程氣象勘測技術(shù)規(guī)程》［2］規(guī)定：山區(qū)工程地點(diǎn)設(shè)計風(fēng)速應(yīng)按工程實際情況進(jìn)行大風(fēng)調(diào)查和對比觀測，分析訂正附近氣象參證站設(shè)計風(fēng)速至工程地點(diǎn)。當(dāng)無實測資料時，可由參證站設(shè)計風(fēng)速相應(yīng)的風(fēng)壓值乘以表1所列調(diào)整系數(shù)，再反算得出設(shè)計風(fēng)速。規(guī)范條文說明擬合出了山頂與山麓間設(shè)計風(fēng)速的換算關(guān)系。

表1 山區(qū)風(fēng)壓調(diào)整系數(shù)

其他相關(guān)規(guī)范［3～6］，在考慮到風(fēng)通過山地地形時，設(shè)計風(fēng)壓或風(fēng)速考慮地形系數(shù)進(jìn)行修正。

3 各規(guī)范對比分析

選取福建廈門1處山體作為微地形效應(yīng)分析對象（圖1）。采用大型流體計算軟件Fluent，選取合適的湍流模型，對倒塔所在場地的風(fēng)場進(jìn)行三維數(shù)值模擬，從而獲取關(guān)鍵控制點(diǎn)迎風(fēng)側(cè)山坡、山頂及背風(fēng)側(cè)山坡上的風(fēng)速信息，分析不同位置處風(fēng)速加速比隨地形因素的變化規(guī)律。

為分析Fluent數(shù)值模擬與各規(guī)范推薦值間偏差，將山體簡化為3-D對稱的山體。簡化山體模型如圖2所示。以下各標(biāo)準(zhǔn)的計算輸入?yún)?shù)：地面粗糙度為B類（根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》），地形高 H=600m，L=1000m，分別參照 NBC 2015、ASCE 74、GB50009及AS/NZS 1170.2規(guī)定原則計算風(fēng)荷載的地形影響因子。見圖3。

分別對越山風(fēng)山頂與迎/背風(fēng)坡山腰位置地形影響因子進(jìn)行對比分析，可以看出：

（1）各國規(guī)范對越山風(fēng)山頂風(fēng)速修正系數(shù)隨高度的增加呈現(xiàn)近線性遞減，數(shù)值模擬曲線則拋物曲線變化規(guī)律；近地面60m范圍內(nèi)數(shù)值模擬風(fēng)速修正結(jié)果較規(guī)范算值偏小，超過60m則數(shù)值模擬大于規(guī)范算值；規(guī)范算值與數(shù)值模擬偏差較大。除《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》與《電力工程氣象勘測技術(shù)規(guī)程》外，其余規(guī)范計算值比較接近，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》推薦值較為保守。

綜合比較數(shù)值模擬及規(guī)范算值，推薦近地面200m范圍內(nèi)山頂風(fēng)速修正系數(shù)可近似取1.5。見表2。

（2）各規(guī)范中，迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡風(fēng)速修正沒區(qū)別，即迎風(fēng)坡與背風(fēng)坡風(fēng)速修正系數(shù)相等。圖4中，規(guī)范所得的迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡山腰處風(fēng)速修正系數(shù)曲線相同，F(xiàn)luent數(shù)值模擬曲線分迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡。

表2 山頂位置處風(fēng)速修正系數(shù)

對于迎風(fēng)坡山腰風(fēng)速修正系數(shù)而言（如圖4所示），上述規(guī)范推薦值與變化規(guī)律均比較統(tǒng)一，迎風(fēng)坡山腰風(fēng)速修正系數(shù)隨高度呈線性輕微變化。Fluent數(shù)值模擬、GB50009和DL/T5158推薦值集中在 1.25～1.35區(qū)間，NBC、AS/NZS與 ASCE推薦值則分布在1.1～1.2區(qū)間段。推薦近地面200m范圍內(nèi)山頂風(fēng)速修正系數(shù)可近似取1.35。

對于背風(fēng)坡山腰風(fēng)速修正系數(shù)而言（如圖4所示），各規(guī)范對越山風(fēng)迎背風(fēng)坡風(fēng)速修正沒有區(qū)別。背風(fēng)側(cè)山坡由于山體遮擋的影響，F(xiàn)luent數(shù)值模擬隨高度增加逐漸增加，山體遮擋主要集中體現(xiàn)在近地面100m范圍內(nèi)。規(guī)范計算值與Fluent模擬值在近地面100m范圍內(nèi)偏差大，離地高度大于100m時則比較吻合。當(dāng)無可靠資料時，迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡山腰風(fēng)速修正系數(shù)可近似參考表3、表4取值。

表3 迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡山腰風(fēng)速修正系數(shù)η

表4 迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡山腰、山頂風(fēng)速修正系數(shù)η

4 小結(jié)

（1）根據(jù)實際地形CFD仿真分析，山頂和迎風(fēng)側(cè)山坡風(fēng)速放大效應(yīng)明顯高于背風(fēng)側(cè)山坡。山頂處無遮擋，風(fēng)速放大效應(yīng)最明顯，近地面風(fēng)速急劇增加。山體地形對風(fēng)速影響集中在近地面100m范圍內(nèi)，隨高度增加，影響效應(yīng)減小。近地面100m范圍內(nèi)山頂修正系數(shù)可近似取1.5。

（2）背風(fēng)坡山腰風(fēng)速修正系數(shù)，NBC、AS/NZS與 ASCE計算值在 1.1～1.2區(qū)間，GB50009和 DL/T5158計算值在 1.25～1.35區(qū)間。

近地面100m范圍內(nèi)，CFD仿真分析結(jié)果隨離地高度增加逐漸增加，在0.5～1.0區(qū)間。

（3）迎風(fēng)坡山腰風(fēng)速修正系數(shù)，CFD仿真分析結(jié)果與規(guī)范推薦值與變化規(guī)律均比較統(tǒng)一，迎風(fēng)坡山腰風(fēng)速修正系數(shù)隨高度呈線性輕微變化。CFD仿真分析結(jié)果、GB50009和DL/T5158推薦值集中在 1.25～1.35區(qū)間；NBCC、AS/NZS與 ASCE推薦值則分布在1.1～1.2區(qū)間段。

（4）以上各標(biāo)準(zhǔn)與CFD仿真分析的對比，都以一處實際山體作為分析對象，存在局限性。具體線路設(shè)計時應(yīng)對線路沿途的地形地貌做詳細(xì)考察與分析。當(dāng)無可靠資料時，迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡山腰、山頂風(fēng)速修正系數(shù)可近似參考下表取值。