電廠取水防沙問題的研究

韓根鎖

（江蘇省南京振高建設(shè)有限公司 江蘇 南京 211300）

電廠水源只要取自地表，不論是在海洋取水，還是在地表江河取水，取水口泥沙運(yùn)動(dòng)特性及沖淤變化分析都是首要問題，該問題研究對(duì)電廠今后安全運(yùn)行至關(guān)重要。泥沙淤積也是影響冷卻水工程布局的主要問題。電廠取水泥沙問題主要包括：河勢(shì)不穩(wěn)定或河口海灣岸灘變化引起的取水口淤積或淤堵；小流量工況或停機(jī)檢修時(shí)取排水涵管內(nèi)泥沙淤積；電廠正常運(yùn)行和檢修時(shí)取水明渠或取水港池泥沙淤積；循環(huán)冷卻水泵房前池流道水流和泥沙淤積；涵管沖沙；取水對(duì)航道水流及航道泥沙淤積的影響。

1 河勢(shì)不穩(wěn)定或河口海灣岸灘變化引起的取水口淤積或淤堵

礫石、粗沙、中沙、細(xì)沙分別沉積在河道上，成為構(gòu)成河床的主要要素。不同流速水流的沖刷與不同粒徑河沙的補(bǔ)給相互作用，河床保持相對(duì)平衡。受水利工程修建或者河沙開采以及自然條件下的洪枯水影響，水位、流量、沙量都將發(fā)生變化，改變了河床地貌和水流邊界條件，造成水流流速和方向的變化，引起平面擺動(dòng)，導(dǎo)致河勢(shì)不穩(wěn)定。如，河道因沖刷而下切，因淤積而抬高；河道因一岸沖刷另一岸淤積而在平面上擺動(dòng)等。河勢(shì)不穩(wěn)定引起取水口淤積主要表現(xiàn)為：主河槽的不斷淤積，窄灘變寬灘，嫩灘變老灘，低灘變高灘，從而造成設(shè)計(jì)的取水口門水深等深線外移，不僅使電站無法正常取水，嚴(yán)重時(shí)取水口工程脫流，造成取水口淤死現(xiàn)象。對(duì)于擬建在多彎河段流域的電廠，在廠址選擇時(shí)必須充分考慮河段多彎分汊的特點(diǎn)。彎道水流往往比較復(fù)雜，隨著洪枯年份及季節(jié)的不同，彎道凹岸頂沖點(diǎn)的上提或下挫，泥沙沖淤幅度的變化，岸坡的穩(wěn)定等因素都會(huì)對(duì)取排水口的位置產(chǎn)生影響。分汊河道的分流、分沙比的改變，對(duì)分汊河道的沖淤乃至局部河勢(shì)改變有較大影響，尤其在水流分汊點(diǎn)前后（洲頭）和水流匯合點(diǎn)前后（洲尾）河段，泥沙沖淤要引起足夠的重視。

河口海灣岸灘變化引起的取水口淤積或淤堵也主要是由于岸灘淤高引起取水口設(shè)計(jì)水深等深線的外移，影響取水和發(fā)生淤堵。以秦山核電三期工程為例，工程地處錢塘江河口，由于取水口所在海域潮強(qiáng)流急、含沙量大，又是杭州灣北岸深槽的末段，海床受上游錢塘江河口徑流豐、平、枯的變化和圍墾的影響而發(fā)生劇烈的沖淤變化，下游又受杭州灣北岸深槽沖淤變化的制約，因而取水口附近水域的水流、泥沙運(yùn)動(dòng)和海床沖淤變化尤為復(fù)雜。此外，為治理錢塘江河口，規(guī)劃在鄰近秦山水域的尖山河灣將圍涂縮窄，由于過去錢塘江的治江圍涂縮窄已對(duì)秦山水域產(chǎn)生了一定的淤積影響，下階段的治江圍涂越向下游發(fā)展，離秦山核電就越近，影響更直接。為保證核電廠循環(huán)冷卻水的正常供水和安全運(yùn)行，必須研究取水口附近的水流、泥沙運(yùn)動(dòng)和河床沖淤變化，以及對(duì)各種影響因素進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 小流量工況或停機(jī)檢修時(shí)取排水涵管內(nèi)泥沙淤積

在波浪及水流動(dòng)力的作用下，泥沙由取水口進(jìn)入引水涵管。正常工況下，泵房機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，管內(nèi)水流流速一般大于涵管內(nèi)泥沙起動(dòng)流速，可確保泥沙不會(huì)在涵管內(nèi)淤積。小流量工況時(shí)，由于泵房引水流量小，涵管內(nèi)的水流流速較小，涵管內(nèi)水流的挾沙能力隨流速的減小而減小，當(dāng)流速減小到一定程度時(shí)，部分泥沙就開始在涵管內(nèi)淤積。在沒有取水情況下，潮位漲落也可引起的涵管泥沙回淤，這類型的淤積取決于涵管內(nèi)外水體交換量，亦即納潮量，通常漲潮時(shí)段口門處含沙濃度是計(jì)算涵管內(nèi)泥沙回淤量的重要參數(shù)。泥沙將要沉積而尚未沉積時(shí)的流速是臨界不淤流速。涵管內(nèi)不淤流速應(yīng)該大于臨界不淤流速。張英普等[1]通過泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論，利用管道輸水試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)不同含沙量下的臨界不淤流速進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)研究，得出渾水管道臨界不淤流速經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，Uc——臨界不淤流速(m/s)；

g——重力加速度；

Sv——含沙量（體積比%）；

ρs——泥沙密度(g/cm3)；

d——管徑(mm)；

w——泥沙自由沉降速度(m/s)；

ρ——水的密度(g/cm3)。

3 電廠正常運(yùn)行和檢修時(shí)取水明渠泥沙淤積及取水港池泥沙淤積

明渠內(nèi)泥沙淤積的多少主要取決于口門處含沙量、明渠內(nèi)各處水動(dòng)力強(qiáng)度以及泥沙特性。潮汐條件下半封閉水道內(nèi)泥沙淤積一般由以下三種原因引起：潮汐棱體引起的水道內(nèi)外泥沙交換，平面回流，異重流。淤積形態(tài)一般是回流區(qū)淤積率較大且自口門處向內(nèi)逐漸減少。但若泥沙較細(xì)，口門外含沙量較大，且潮流較小，異重流可能使水道內(nèi)淤積量增大。

徐嘯[2]針對(duì)電廠取水明渠及口門外水流特點(diǎn)，提出適合電廠取水明渠懸沙回淤率計(jì)算公式：

式中，K——淤積系數(shù)；

γ0——與粒徑有關(guān)的表層淤積物的干密度(kg/m3)；

T——淤積歷時(shí)(s)；

w——絮團(tuán)沉降，可取w=0.05cm/s；

S*——挾沙能力(kg/m3)；

S——沿水深平均含沙濃度(kg/m3)；

Pd——沉降概率，用下式計(jì)算：

式中，φ——概率函數(shù)；

σ——垂直脈動(dòng)速度均方差；

γ——與泥沙粒徑特性有關(guān)的系數(shù)。

取水港池泥沙淤積則主要是由于港池取水改變了港池中水流流速和流態(tài)，增大了水體交換量，相應(yīng)地增加了進(jìn)入港池泥沙總量?？紤]電廠取水將帶走部分泥沙，故電廠取水對(duì)港池回淤的影響取決于進(jìn)港泥沙總量的增加、取水所挾帶的泥沙量及蓄水池內(nèi)的泥沙沉降概率。另一方面，港區(qū)本身阻擋了波浪，波浪動(dòng)力減弱，一方面使水體挾沙力降低，泥沙容易沉降，另一方面波浪掀動(dòng)灘面泥沙能力減弱，使已經(jīng)沉降到床面的泥沙不容易起動(dòng)被潮流帶走。使得取水口附近海區(qū)水動(dòng)力條件明顯減弱成了一個(gè)泥沙淤積與促淤環(huán)境。夏云峰等[3]提出在計(jì)算取水口水體含沙量時(shí)，如考慮取水將帶走一部分泥沙，港池年平均回淤?gòu)?qiáng)度可表示為：

式中，kp——與泥沙顆粒特性有關(guān)的淤積系數(shù)；

S0——口門附近水體含沙量(kg/m3)；A——港池面積(m2)；

γ0——泥沙濕容重(kg/m3)；

Vs——港池和外海交換的水體總量(m3)；

Q——取水流量(m3/s)；

Tc——來沙平均滯留時(shí)間（約等于半個(gè)潮周期，s）；

ap——泥沙沉降概率，用下式計(jì)算：

式中，w——泥沙顆粒沉速(m/s)；

H——港池平均水深(m)；

Uh——港池內(nèi)流速(m/s)；

Uc——泥沙發(fā)生沉降時(shí)的臨界流速(m/s)。

另外，Sm計(jì)算如下：

式中，S*——港池水體挾沙力(kg/m3)；

q——單寬流量(m2/s)；

x——取水口至港池進(jìn)口距離(m)。

4 循環(huán)冷卻水泵房前池流道水流和泥沙淤積

泵房前池是連接引水渠道（管道）和壓力水管之間的一個(gè)水池。在電廠中，前池有以下幾點(diǎn)作用：把引水渠道（管道）的來水引入壓力水管，如果電廠有幾臺(tái)機(jī)組，而又分別由幾條壓力水管供水時(shí)，則將水量分配給各壓力水管；用攔污柵防止落入引水渠道中的樹根、雜草和泥沙進(jìn)入壓力管道和汽輪機(jī)，冬季防止壓力水管入口冰凍；當(dāng)壓力水管或汽輪機(jī)發(fā)生事故或進(jìn)行檢修時(shí)，可攔斷水流進(jìn)入壓力管道；沉積渠道（管道）中流進(jìn)的泥沙。前池流道水流流態(tài)直接影響到水泵的運(yùn)行效率和泥沙淤積。實(shí)際工程中，往往出現(xiàn)進(jìn)水池中主流來不及充分地向整個(gè)取水前緣擴(kuò)散的現(xiàn)象，水流在取水前緣之前發(fā)生水流轉(zhuǎn)彎，在主流一側(cè)或兩側(cè)出現(xiàn)旋渦區(qū)，水流斜向進(jìn)入流道，特別是靠邊的進(jìn)水流道更為嚴(yán)重。水流從側(cè)向進(jìn)入流道一般會(huì)形成旋渦漏斗，使水泵吸水管入流不均勻甚至發(fā)生水泵吸水管吸入空氣，導(dǎo)致水泵效率降低乃至引起水泵振動(dòng)，影響水泵正常、高效、安全運(yùn)行。另外，由于部分機(jī)組檢修而造成水泵機(jī)組的不對(duì)稱運(yùn)行，也影響進(jìn)出水池流態(tài)。這種不對(duì)稱運(yùn)行會(huì)使池內(nèi)產(chǎn)生回流，引起泥沙淤積。泥沙還會(huì)磨損水泵，造成水泵出水量減少。因此，必須采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┮龑?dǎo)水流均勻、平穩(wěn)地向整個(gè)取水前緣擴(kuò)散，如采用導(dǎo)流墩、坎，倒坡池底等。

5 涵管沖沙

涵管管底床面的床沙恰好達(dá)到起沖時(shí)，涵管內(nèi)水流斷面垂線平均流速定義為涵管床沙起沖流速。起沖流速是判別涵管內(nèi)淤積泥沙沖刷的基準(zhǔn)，即涵管流速達(dá)到某值時(shí)，床沙開始起動(dòng)，它反映了涵管內(nèi)的床沙在特定條件下的抗沖刷能力。起沖流速一般隨中值粒徑的增大而增大。另外，對(duì)于顆粒較細(xì)的粘性泥沙，當(dāng)其含有大量的有機(jī)質(zhì)，如長(zhǎng)時(shí)期沉積于取排水涵管內(nèi)，將會(huì)產(chǎn)生板結(jié)現(xiàn)象，板結(jié)后，需要更高的流速才能將泥沙沖動(dòng)。為防止取排水涵管內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重的泥沙淤積，須采取必要的措施，如控制管內(nèi)流速、定期沖洗以及為取排水涵管的清淤提供便利條件等。

6 取水對(duì)航道水流及泥沙淤積的影響

取水工程實(shí)施后，將引起航道中的漲、落潮流速、流向的變化。計(jì)算航道開挖及電廠取水后的航道淤?gòu)?qiáng)可采用羅肇森公式[4]：

式中，P——回淤厚度(m)；

α——泥沙沉降機(jī)率；

ωf——淤泥質(zhì)泥沙的絮凝沉速(m/s)；

S——平均含沙量(kg/m3)；

t——淤積歷時(shí)(s)；

γ0——泥沙的淤積干密度(kg/m3)；

V1、V2——航道開挖前、后的流速(m/s)；

d1、d2——航道開挖前、后的水深(m)；

θ——水流方向與航道軸向的夾角；

n——水流跨越航道的轉(zhuǎn)向系數(shù)。為計(jì)算方便，可表征為：

7 小結(jié)

水源水位、取水口位置布設(shè)及含沙量等給電廠安全運(yùn)行帶來影響。取水口的布置及高程，應(yīng)根據(jù)取水量和水質(zhì)的要求，結(jié)合河床地形及地質(zhì)、河床沖淤、水深及水位變幅、泥沙及漂浮物、冰情和航運(yùn)等因素以及施工條件，保證安全可靠以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)的要求，因勢(shì)利導(dǎo)，以期尋找出最優(yōu)秀的取排水方案，從而達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的目的。陜西水利

[1]張英普,何武全,蔡明科等.關(guān)于渾水管道輸水系統(tǒng)臨界不淤流速的試驗(yàn)研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2006,23(06):35-37+41.

[2]徐嘯.核電廠取水明渠泥沙回淤分析[J].海岸工程,1998,(04):5-12.

[3]夏云峰,蔡寧生,潘軍寧.電廠從港池取水對(duì)進(jìn)港航道及港池回淤的影響[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2001,4(04):16-21.

[4]羅肇森.波、流共同作用下的近底泥沙輸移及航道驟淤預(yù)報(bào) [J].泥沙研究,2004,(06).