電廠取排水工程對(duì)淤泥質(zhì)海床演變的影響研究

陸 琴，鄧安軍，王崇浩

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100048）

擬建的某電廠循環(huán)水系統(tǒng)采用海水一次循環(huán)，直流供水，單機(jī)取水流量為62.7 m3/s。海域工程包括循環(huán)水系統(tǒng)的進(jìn)水渠構(gòu)筑物、排水構(gòu)筑物、防波堤、護(hù)岸以及核電站專用裝卸碼頭、港池等。電廠取排水工程的建設(shè)，將影響工程海域附近的潮流流態(tài)和海床演變。文中通過(guò)對(duì)某電廠的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析以及模型試驗(yàn)，研究了天然條件下淤泥質(zhì)海床的演變及電廠取排水后工程海域的海床演變趨勢(shì)。

1 海域和工程情況

1.1 海域動(dòng)力條件

工程海區(qū)總體上呈不規(guī)則半日潮，一日內(nèi)出現(xiàn)2次高潮和2次低潮，資料統(tǒng)計(jì)分析表明，潮位（當(dāng)?shù)鼗妫┨卣髦禐椋簹v史最高潮位3.19 m，歷史最低潮位-2.27 m；平均高潮位0.52 m；平均低潮位-1.02 m；最大潮差4.36 m；平均潮差1.54 m，平均漲潮歷時(shí)5 h 50 min，平均落潮歷時(shí)6 h 35 min。本海域潮流為往復(fù)流，NW向漲潮流最大流速在0.43～0.58 m/s，SE向落潮流最大流速為0.116～0.166 m/s［1-3］。

波浪以混合浪為主，且涌浪成份較多。年出現(xiàn)頻率最多的波向?yàn)镾E（21.9%），次之為SSE（18.4%），SWNNW各方位的波浪出現(xiàn)的頻率較少，其總出現(xiàn)頻率不足8%；海域H1/10波高介于0.5～1.4 m較多，H1/10的年平均值約0.6 m。

1.2 海域泥沙條件

工程海域海水含沙量較小，懸沙主要由粉砂質(zhì)粘土和粘土質(zhì)粉砂組成，海床主要為淤泥［2］。通過(guò)分析海域14個(gè)連續(xù)測(cè)站冬、夏季的大、中、小潮期調(diào)查資料，懸沙含沙量有如下特點(diǎn)［4-5］：（1）夏季含沙量小于冬季含沙量，冬季波浪掀沙作用明顯，懸移質(zhì)泥沙較粗，而夏季主要受珠江口下泄徑流的影響，懸移質(zhì)泥沙較細(xì)。夏季大、中、小潮測(cè)站的平均中值粒徑為0.006 8 mm，而冬季為0.011 1 mm，且冬季大、中、小潮懸沙中值粒徑變幅較小，中值粒徑在0.01 mm左右，而夏季中值粒徑變幅較大，中值粒徑在0.005～0.01 mm。（2）大潮的平均含沙量遠(yuǎn)大于中潮和小潮的平均含沙量，而中、小潮期平均含沙量相差不多，冬季大潮含沙量平均值為0.015 6 kg/m3，中、小潮含沙量平均值分別為0.007 7 kg/m3、0.007 1 kg/m3；夏季大潮含沙量平均值為0.011 4 kg/m3，中、小潮含沙量平均值分別為 0.009 4 kg/m3、0.007 5 kg/m3。

廠區(qū)表層底質(zhì)主要為粉細(xì)砂和中粗砂。附近海域地貌上屬于濱海相沉積地貌，海床地形平緩。泥沙垂線平均級(jí)配曲線相差不大，中值粒徑一般在0.032 mm附近，平均中值粒徑為0.032 mm［1］。

2 天然海域海床的演變

本文所用資料為2006年出版的工程海域海圖（實(shí)際測(cè)量年份為1964年）和1997年實(shí)測(cè)海床地形圖。由于海圖數(shù)據(jù)較少，插值誤差較大，所以將海圖上有高程標(biāo)注的點(diǎn)摘出來(lái)，并根據(jù)坐標(biāo)在1997年實(shí)測(cè)地形上查找相應(yīng)的海床高程，對(duì)比分析1964年與1997年海床的沖淤演變情況。分析結(jié)果見圖1，圖1為北京坐標(biāo)系，數(shù)字表示淤積厚度。從圖1可以看出各測(cè)點(diǎn)海床均發(fā)生泥沙淤積，淤積厚度在0.13～0.78 m，多數(shù)測(cè)點(diǎn)的淤積厚度在0.4 m左右，所有測(cè)點(diǎn)平均淤積厚度為0.31 m，年均淤積厚度約0.009 m，所以長(zhǎng)期來(lái)看，海域海床處于微淤狀態(tài)［1］。

3 修建港池等海域工程后海床的演變

3.1 工程布置

海域工程總體布置為西側(cè)取水，東側(cè)排水，取排水口相距約2 km，平面布置見圖2。港池由東、南、西防波堤等圍成，港池口門朝西，口門寬約300 m，池底部高程為-9 m。

電廠排水隧洞共6條，隧洞總體布置形式為一機(jī)一洞，均為有壓隧洞，內(nèi)徑5.6 m，洞底高程均為-8.0 m，1#和2#，3#和4#，5#和6#隧洞都為平行布置，相距約20 m。

3.2 修建港池等海域工程后海床的演變

圖3為工程前后海域的沖淤演變情況，圖中黑色表示淤積，顏色越深，淤積厚度越大；白色表示沖刷，但不能表達(dá)沖刷深度?？傮w來(lái)講，由于防波堤的修建，使得港池以內(nèi)海域水流流速減小，港池發(fā)生淤積，港池以外海域水流更為集中，海域附近發(fā)生較大的沖刷，并且受防波堤影響越大的區(qū)域，沖刷強(qiáng)度越大，受防波堤影響越小的區(qū)域，沖刷強(qiáng)度越小，甚至發(fā)生淤積。具體來(lái)講：（1）在修建防波堤后港池內(nèi)呈淤積狀態(tài)；（2）在港池口門以外的區(qū)域（Ⅰ區(qū)域），也發(fā)生了少量淤積，除了在南防波堤下方，由于堆積造成大量淤積外，其他區(qū)域淤積厚度一般在0.5 m以內(nèi)，平均約為0.2 m；（3）在東、南防波堤附近，防波堤的修建使水流更為集中，所以發(fā)生了明顯的沖刷，離防波堤較近的Ⅱ區(qū)，沖刷強(qiáng)度最大，沖深一般在0.6～1.0 m，在離防波堤較遠(yuǎn)的Ⅲ區(qū)，沖刷深度減小，為0.2～0.6 m，在離防波堤較遠(yuǎn)的Ⅴ區(qū)，受防波堤束水導(dǎo)流作用已很小，沖刷深度一般在0.2 m以下，一些區(qū)域還發(fā)生微淤，平均淤積厚度不到0.1 m，在Ⅴ區(qū)以東，距東南防波堤更遠(yuǎn)，防波堤影響已很小，在Ⅵ區(qū)，海床有沖有淤，總體表現(xiàn)為微淤，平均淤積厚度約為0.04 m；（4）防波堤的影響主要在東南區(qū)域，而對(duì)西側(cè)及西南區(qū)域影響較小，在Ⅶ區(qū)海床一般都發(fā)生不同程度的淤積，淤積厚度一般在0.1 m左右，最大淤積厚度約為0.4 m，平均淤積厚度約為0.15 m，這主要是由于在防波堤附近的沖刷使得帶往防波堤西南海域的泥沙增多，導(dǎo)致泥沙淤積增加。

為了進(jìn)一步分析工程海域的海床演變，將工程前后地形等深線套匯進(jìn)行比較（圖4），圖4中黑邊框?yàn)闇y(cè)圖邊界（或者海床水邊界），從北向南分別表示為8 m、9 m、10 m及11 m等深線，其中實(shí)線為工程后海床等深線，虛線為工程前海床等深線。從圖4上可以看出，總體來(lái)說(shuō)，在防波堤以東海域，等深線內(nèi)移（向海岸一側(cè)移動(dòng)），即海床發(fā)生沖刷，并且8 m、9 m等深線內(nèi)移距離較大，10 m等深線稍有內(nèi)移，而11 m等深線變化不大；在防波堤以西海域，等深線主要表現(xiàn)為外移（向深海一側(cè)移動(dòng)），即海床發(fā)生淤積，變化幅度與以東區(qū)域等深線外移幅度相反，即8 m等深線變化不大，9 m等深線外移距離較大，而10 m、11 m等深線外移距離最大。

綜上所述，修建防波堤等工程后，由于防波堤的束水導(dǎo)流和導(dǎo)沙作用，使得海域防波堤?hào)|南側(cè)發(fā)生明顯沖刷，沖刷起來(lái)的泥沙被漲潮流帶向西南側(cè)海域，并且這時(shí)水流擴(kuò)散，挾沙能力下降，泥沙發(fā)生淤積，所以港池外西南側(cè)附近海域仍發(fā)生淤積。

根據(jù)波浪潮汐模型試驗(yàn)理論［7-8］進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，模型試驗(yàn)［1］表明，淤泥質(zhì)海床在修建防波堤等工程后，海床變化速度較快，而在工程修建后地形的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)，海床繼續(xù)發(fā)生沖刷，但沖刷速度較慢，研究范圍內(nèi)年平均沖刷深度在0.02～0.04 m。

4 電廠取排水后海床的演變

6臺(tái)機(jī)取水后，取排水流量為376.2 m3/s，由于工程尚未運(yùn)行，沒(méi)有取排水后海域的海床資料，本文通過(guò)物理模型試驗(yàn)［1］研究了取排水后海床的演變情況。試驗(yàn)的初始地形是工程后海域?qū)崪y(cè)地形，試驗(yàn)水沙條件采用實(shí)測(cè)半月潮，試驗(yàn)時(shí)間為1 a。

試驗(yàn)表明，由于排水口排水出流及東、南防波堤的束水導(dǎo)流作用，排水口附近和東、南防波堤外側(cè)附近海床發(fā)生不同程度的沖刷，而港池的西南側(cè)海床變化不大。具體來(lái)講：（1）在排水口附近發(fā)生較大沖刷，形成明顯的沖刷坑（圖5），圖5中顏色越深，表示沖刷越多，在1～6#排水口前都分別形成1個(gè)沖刷坑，并且相互聯(lián)結(jié)，6個(gè)沖刷坑形狀相似，都呈橢圓形，沖刷坑最大深度約2.5 m，沖刷坑長(zhǎng)度約100 m。沖刷深度在0.2 m以上的區(qū)域也呈橢圓形，長(zhǎng)軸約600 m，短軸約130 m，面積約55 000 m2。而在橢圓以外的區(qū)域沖刷深度一般小于0.2 m，一般距排水口距離越大，沖刷深度越小。（2）除了排水口附近發(fā)生較大局部沖刷外，港池以外其他區(qū)域海床總體來(lái)說(shuō)仍發(fā)生沖刷，但最大沖刷深度一般不超過(guò)0.2 m。通過(guò)一些斷面地形比較，在排水口附近的一些斷面，電廠取排水后沖刷幅度較不取水時(shí)大，且越靠近排水口，沖刷越多，在港池口門西側(cè)，取水和不取水時(shí)海床沖淤變化基本一致。

5 結(jié)論

對(duì)于淤泥質(zhì)海床，天然條件下，海域處于微淤狀態(tài)，年平均淤積厚度約0.009 m；修建防波堤等港池工程后，防波堤的束水導(dǎo)流和導(dǎo)沙作用使得海域防波堤?hào)|南側(cè)發(fā)生明顯沖刷，最大沖刷深度一般在0.6～1.0 m，且距防波堤越遠(yuǎn)，沖刷深度越小，沖刷起來(lái)的泥沙被漲潮流帶向工程西南側(cè)，并在工程西南側(cè)附近海域發(fā)生淤積。電廠取排水后，主要在排水口前發(fā)生較大沖刷，分別形成1個(gè)沖刷坑，6個(gè)沖刷坑都呈橢圓形，沖刷坑最大深度都在2.5 m左右，長(zhǎng)度約100 m，取排水對(duì)外海其他區(qū)域影響較小。

［1］鄧安軍，陳建國(guó).陽(yáng)江核電站泥沙運(yùn)移、海床演變物理模型試驗(yàn)研究［R］.北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，2009.

［2］楊景飛.廣東陽(yáng)江核電站1989～1990年觀測(cè)資料海流分析成果報(bào)告［R］.天津：國(guó)家海洋信息中心，1998.

［3］徐錫禎.陽(yáng)江核電站海域海流、水溫、鹽度和泥沙分析報(bào)告［R］.廣州：中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所，1998.

［4］JTJ213-98，海港水文規(guī)范［S］.

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［6］錢寧，萬(wàn)兆惠.泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1983.

［7］竇國(guó)仁.河口海岸全沙模型相似理論［C］//竇國(guó)仁.竇國(guó)仁論文集.北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.

［8］SL155-1995，水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程［S］.