后石電廠排水口沖刷及其防護(hù)塊體穩(wěn)定試驗(yàn)研究

張 磊，徐 嘯

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

漳州后石電廠位于福建省漳州龍海市，毗鄰大海，其東南方面向臺(tái)灣海峽，東北距浯嶼島2km，北距九龍江入?？诩s18km.電廠排水設(shè)計(jì)有2個(gè)出口，溫排放滿負(fù)荷排水量分別為132和88 m3/s，排水流量比較大.研究發(fā)現(xiàn)，電廠溫排水會(huì)對(duì)排水口底床造成沖刷，進(jìn)而影響排水口基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定［1－2］.因此，對(duì)電廠排水口沖刷及其防護(hù)塊體穩(wěn)定進(jìn)行研究具有重要意義.

本文通過(guò)正態(tài)物理模型對(duì)后石電廠排水口沖刷及其防護(hù)塊體穩(wěn)定進(jìn)行了研究，旨在確定排水口沖刷深度和范圍，并確定合適的防沖范圍及采用相應(yīng)的防沖措施，為排水基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考，并為防止排水口沖刷提供技術(shù)支撐.

1 后石電廠排水口附近海域自然條件

廈門附近海域?yàn)閺?qiáng)潮地區(qū)，潮差累計(jì)頻率不大于10%的大潮潮差約為5.3m，潮差累計(jì)頻率不大于50%的中潮潮差約為4.0m，潮差累計(jì)頻率不大于90%的小潮潮差約為3.0m，不大于97%的小潮潮差約為2.0m，根據(jù)廈門海洋站與后石海區(qū)臨時(shí)驗(yàn)潮站同步資料分析，后石電廠附近潮位比廈門站略低(約低3～4cm)，潮差相近.

分析電廠附近水域多次水文測(cè)驗(yàn)資料［3］表明，電廠附近水域潮流為正規(guī)半日潮，且主要為往復(fù)流，其中排水口水域的潮流主要受自東南向西北過(guò)境潮流的分流影響.數(shù)學(xué)模型計(jì)算［3］表明該廠排水口附近海域漲落潮半潮平均流速很小，一般不大于10cm/s.該電廠的溫排水是排水口附近的主要水流動(dòng)力，對(duì)排水口底床沖刷起決定作用.因此，本文僅對(duì)電廠排水口溫排水沖刷模擬及其防護(hù)塊體穩(wěn)定進(jìn)行試驗(yàn)研究.

根據(jù)水文測(cè)驗(yàn)期間底質(zhì)取樣資料，排水口附近海域底質(zhì)為粉砂，中值粒徑為0.12～0.20mm.其中排水口0m等深線向岸底沙較粗，中值粒徑為0.20～0.32mm，這也是本次試驗(yàn)研究的主要泥沙粒徑范圍.

2 排水口物理模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

考慮排水口建筑物尺寸要求，模型幾何比尺λ=40，為幾何正態(tài)模型.按照Froude相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型［4］，模型主要考慮排水口海域海床沖刷問(wèn)題，所以重點(diǎn)需滿足模型沙起動(dòng)相似要求，即模型沙起動(dòng)流速(uc)比尺應(yīng)為:λuc=λu=6.32;模型各比尺分別為:垂直比尺λh=40，水平比尺λl=40，流量比尺λQ=10112，流速比尺 λu=6.32，拋石質(zhì)量比尺 λw=64000.

2.1 模型沙選擇

模型沙起動(dòng)流速采用文獻(xiàn)［6］中公式計(jì)算得:

其中:下標(biāo)P代表原型值，M代表模型;UC為泥沙起動(dòng)流速(cm/s);C為黏結(jié)力系數(shù)，本文取C=2.9×104g/cm;ρ=1.02 g/cm3;γS為泥沙密度(g/cm3)，天然沙為 2.65 g/cm3，模型沙為 1.15 g/cm3;H 為水深(cm);d為泥沙粒徑(cm)，現(xiàn)場(chǎng)天然沙粒徑為0.2～0.3mm.

考慮到排水口底質(zhì)條件、天然沙條件，結(jié)合筆者多年模型沙試驗(yàn)研究，確定模型沙采用粒徑為0.3mm的木屑.原型水深為0.4～20.0m，相應(yīng)模型水深為0.01～0.50m，計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)天然沙和模型沙起動(dòng)流速，計(jì)算結(jié)果見表1.可見，當(dāng)天然沙粒徑為0.2mm時(shí)，不同水深條件下泥沙起動(dòng)流速比尺平均為5.34;當(dāng)天然沙粒徑為0.3mm時(shí)，不同水深條件下泥沙起動(dòng)流速比尺平均為6.81.泥沙起動(dòng)流速比尺為5.29～6.72，基本可滿足模型沙起動(dòng)流速(uc)比尺要求.

表1 泥沙起動(dòng)流速及比尺Tab.1 Incipient velocity of sediment and scale conditions

2.2 沖刷防護(hù)塊體選擇

對(duì)于海域排水口的沖刷防護(hù)，使用比較普遍的是拋石防護(hù)［7－8］.而對(duì)于拋石大小及不同粒徑組合的防護(hù)效果都有專門的研究［9－12］.本文關(guān)注的是在排水流量條件下，選用多大的塊體能在排水動(dòng)力作用下保持穩(wěn)定，并在此基礎(chǔ)上確定沖刷區(qū)域塊石防護(hù)尺寸.塊體滑動(dòng)先于滾動(dòng)，因此，優(yōu)先考慮水平底面上塊體的滑動(dòng)平衡條件.如圖1所示，在水流流速V的作用下，水中塊體的穩(wěn)定條件是:

式中:Fd為水流V所產(chǎn)生的拖拽力;(Fw－Ff)tanφ為水中塊體所產(chǎn)生的摩阻力;tanφ為底摩擦系數(shù)，φ為摩擦角，用休止角表示通常在30°～40°之間.

圖1 水流作用下塊體受力Fig.1 Protection stones by the action of water flow

式中:Cd為拖拽力阻力系數(shù);K1=f(Sp，Re)，與石塊形狀及雷諾數(shù)有關(guān)的函數(shù);K2為石塊體積常數(shù);S為石塊的相對(duì)密度;γ為水的重度;d為石塊直徑;V為最大流速;g為重力加速度.將式(2)，(3)代入式(1)，可得拋石體上的石塊脫離平衡狀態(tài)而產(chǎn)生滑動(dòng)的最小流速為:

式中:yc，ym分別為滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)和滾動(dòng)穩(wěn)定系數(shù).

從拋石塊體的穩(wěn)定出發(fā)，利用給定的流速條件及石塊穩(wěn)定條件式(4)或(5)估算單個(gè)石塊的大小及質(zhì)量:當(dāng)流速分別為6，5，4，3，2 和1 m/s時(shí)，估算得石塊直徑分別為0.80，0.55，0.35，0.20，0.09 和0.02m，石塊質(zhì)量分別為690，230，60，11，1和0.01kg，即最小流速1 m/s時(shí)，直徑為0.02m 的石塊能保持穩(wěn)定狀態(tài)，最大流速為6m/s時(shí)，直徑為0.80m的石塊才能保持穩(wěn)定狀態(tài).據(jù)此分別選擇10～20cm，20～40cm，40～60cm共3類不同粒徑組成的石塊依次進(jìn)行排水穩(wěn)定試驗(yàn)研究.

2.3 試驗(yàn)過(guò)程與條件

電廠排水明渠底設(shè)計(jì)高程為－1.0m(黃海高程)，試驗(yàn)水位為平均潮位0.25m和低潮位－3.15m.試驗(yàn)準(zhǔn)備階段先進(jìn)行模型底床局部浚深，浚深范圍為排水口隔堤前200m，寬100m，浚深范圍及模型布置見圖2.試驗(yàn)前模型沙已經(jīng)過(guò)充分浸泡處理，然后按實(shí)測(cè)地形在動(dòng)床范圍內(nèi)鋪設(shè).放水漫過(guò)模型沙并讓模型沙充分吸水密實(shí).期間，對(duì)局部未密實(shí)區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)沙再浸泡密實(shí).模型供水系統(tǒng)采用2臺(tái)管道泵進(jìn)水，排水量用三角堰控制，水流經(jīng)尾門進(jìn)入回水廊道，循環(huán)使用.試驗(yàn)時(shí)，先緩慢放水到控制水位，然后按照2個(gè)排水口滿負(fù)荷排水流量(132和88 m3/s)進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，試驗(yàn)中觀察模型沙沖刷情況，直到?jīng)_刷形態(tài)基本穩(wěn)定為止.

拋石穩(wěn)定試驗(yàn)在局部動(dòng)床范圍內(nèi)進(jìn)行，把選擇的不同粒徑爍石分別放在排水口前動(dòng)床沖刷范圍，控制水位，按現(xiàn)場(chǎng)排水流量132和88 m3/s進(jìn)行石塊穩(wěn)定試驗(yàn).試驗(yàn)中，不同粒徑組合石塊，從小到大，依次進(jìn)行.

圖2 模型布置Fig.2 Model layout

3 排水口沖刷試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)水位0.25m

在電廠2個(gè)排水口滿負(fù)荷排水條件下，排水口動(dòng)床區(qū)沖刷形狀見圖3，排水口區(qū)域沖刷試驗(yàn)地形穩(wěn)定后沖刷等深線(黃海高程)見圖4，排水明渠隔離突堤堤頭外40m處海床斷面試驗(yàn)前后地形變化見圖5.

由圖3～5可知，當(dāng)2個(gè)排水口均滿負(fù)荷排水時(shí)，排水口區(qū)域沿水流方向，流量為88 m3/s一側(cè)的沖刷范圍約90m，另一側(cè)約170m，其中后者的沖刷坑淺呈細(xì)條形.排水明渠外海域沖刷區(qū)最大寬度發(fā)生在兩明渠隔離突堤堤頭外40m附近，流量為132m3/s一側(cè)最大沖刷寬度約25m，沖刷區(qū)呈溝狀，另一側(cè)最大沖寬約40m，沖刷區(qū)呈坑狀.最大相對(duì)沖刷深度達(dá)8 m以上，主要發(fā)生在流量為88 m3/s一側(cè)明渠隔離突堤堤頭外50m左右.

圖3 動(dòng)床沖刷地形形態(tài)(水位:0.25m)Fig.3 mobile-bed scour(water level:0.25m)

圖4 動(dòng)床沖刷地形等值線 (水位:0.25m)Fig.4 Topographic contour of mobile-bed scour(water level:0.25m)

圖5 排水明渠外40m處海床沖刷情況(水位:0.25m)Fig.5 Sea-bed scour conditions about 40m outside the outfall(water level:0.25m)

3.2 試驗(yàn)水位 －3.15m

在低潮位條件下，排水口水位很低，水流流出排水明渠后對(duì)底床的沖刷作用更強(qiáng).－3.15m水位滿負(fù)荷排水時(shí)電廠排水口動(dòng)床區(qū)沖刷形狀見圖6，排水口區(qū)域沖刷試驗(yàn)地形穩(wěn)定后沖刷等深線見圖7，排水明渠隔離突堤堤頭外40m處海床斷面試驗(yàn)前后地形變化見圖8.

圖6 動(dòng)床沖刷地形形態(tài)(水位:－3.15m)Fig.6 Mobile-bed scour(water level:－3.15m)

圖7 動(dòng)床沖刷地形等值線 (水位:－3.15m)Fig.7 Topographic contour of mobile-bed scour(water level:－3.15m)

圖8 排水明渠外40m處海床沖刷情況(水位:－3.15m)Fig.8 Sea-bed scour conditions about 40m outside the outfall(water level:－3.15m)

由圖6～8可知，排水口區(qū)域沿水流方向，流量為88 m3/s一側(cè)沖刷范圍約90m，另一側(cè)約180m，與0.25m試驗(yàn)水位時(shí)的沖刷范圍略有區(qū)別，區(qū)別在于流量為132m3/s一側(cè)隔離突堤堤頭外40m附近沖刷溝也加大為沖刷坑，最大沖刷寬度達(dá)到40m，流量為88 m3/s一側(cè)最大沖寬約45m;兩側(cè)最大相對(duì)沖刷深度均達(dá)9 m以上，在沖刷幅度和范圍上均比平均水位0.25m大，對(duì)底床沖刷破壞更強(qiáng).

2種水位條件下局部動(dòng)床沖刷試驗(yàn)表明，在2個(gè)排水口都滿負(fù)荷排水情況下，由于流量大，流速較大，將導(dǎo)致排水口海床發(fā)生沖刷并形成沖坑、沖溝.排水明渠隔離堤堤頭外約50m范圍海床為嚴(yán)重沖刷區(qū)，最大相對(duì)沖深可達(dá)9.0m，沖刷程度離排水口越遠(yuǎn)越輕，流量為132m3/s一側(cè)最遠(yuǎn)在180m左右.這么大的沖坑和沖刷區(qū)域?qū)ε潘诨A(chǔ)的淘刷是不可避免的［2］.因此，須對(duì)排水口沖刷區(qū)域進(jìn)行工程防護(hù).

4 排水口區(qū)拋石塊體穩(wěn)定性試驗(yàn)

排水口沖刷試驗(yàn)表明，在滿負(fù)荷排水條件下，試驗(yàn)水位為－3.15m時(shí)的沖刷強(qiáng)度和沖刷范圍比水位為0.25m時(shí)大，因此排水口區(qū)拋石塊體穩(wěn)定性試驗(yàn)選取沖刷最不利水位－3.15m時(shí)進(jìn)行.

圖9為滿負(fù)荷排水條件下，試驗(yàn)水位為－3.15m時(shí)的流速分布.由圖9可見:隔離堤堤頭外約60m范圍2個(gè)排水口區(qū)域流速比較大，基本上在4.0m/s以上，最大約達(dá)6.0m/s，其他水域流速除個(gè)別地方外基本小于4.0m/s.

拋石試驗(yàn)表明:滿負(fù)荷排水流量條件下，石塊的直徑和質(zhì)量不同，在水體中的穩(wěn)定性也不同.排水口區(qū)域小粒徑組合(粒徑為10～20cm)，質(zhì)量為1.4～11.0kg的石塊，很快就被水流帶走，在離排水明渠隔離堤前100m左右的地方才停下來(lái);對(duì)于直徑在20～40cm，質(zhì)量為11～87kg的塊石，床面上有個(gè)別塊石在水流作用下沿流速方向漂移，不是很穩(wěn)定;對(duì)于直徑40～60cm，質(zhì)量為87～294kg的塊石，均能保持穩(wěn)定狀態(tài).這也說(shuō)明直徑40～60cm，質(zhì)量為87～294kg的塊石組合能夠在4.0～6.0m/s流速條件下保持穩(wěn)定.

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，在排水明渠口外50m范圍內(nèi)采用直徑40cm左右的塊石進(jìn)行拋填防護(hù)，50～100m范圍內(nèi)采用直徑20cm左右的塊石進(jìn)行拋填防護(hù)的方案是切實(shí)可行的.

圖9 流速分布Fig.9 Velocity distribution

5 結(jié)語(yǔ)

(1)在滿負(fù)荷排水作用下，排水口海域會(huì)發(fā)生底床沖刷現(xiàn)象，最終形成沖刷坑和沖刷溝.排水明渠隔離堤堤頭外約50m范圍海床為沖刷嚴(yán)重區(qū)，低水位條件下局部相對(duì)沖深可達(dá)9.0m以上.

(2)拋石穩(wěn)定試驗(yàn)表明直徑40～60cm，質(zhì)量為87～294kg的塊石在滿負(fù)荷排水條件下均能保持穩(wěn)定狀態(tài)，直徑在20～40cm，質(zhì)量為11～87kg的塊石不是很穩(wěn)定.

(3)由滿負(fù)荷排水條件下沖刷試驗(yàn)和拋石穩(wěn)定試驗(yàn)得出優(yōu)化方案為:在排水明渠口外50m范圍內(nèi)采用直徑40cm左右的塊石防護(hù)，50～100m范圍內(nèi)采用直徑20cm左右的塊石進(jìn)行防護(hù).

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