海水取水工程引潮流道斷面水工模型試驗(yàn)研究

韓 爽，楊 英，胡曉霖

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司科學(xué)研究院 ,吉林 長(zhǎng)春 130061；2.水利部綜合事業(yè)局, 北京 100053）

海水取水工程引潮流道斷面水工模型試驗(yàn)研究

韓 爽1，楊 英2，胡曉霖1

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司科學(xué)研究院 ,吉林 長(zhǎng)春 130061；2.水利部綜合事業(yè)局, 北京 100053）

通過引潮流道斷面試驗(yàn)研究，給出不同潮位、不同拍板門開度、一個(gè)拍板門的引潮流量，從而計(jì)算取水流量與拍板門數(shù)量間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

取水工程；水工模型；引潮流量

1 工程概況

華能丹東電廠預(yù)擴(kuò)建機(jī)組因取水量的需求，提出了海水蓄水庫取水工程即采用溝庫分離閘門引潮方案。

引潮閘是自動(dòng)啟閉的拍板閘門。漲潮時(shí)庫外潮位高于庫內(nèi)水位，拍板門自動(dòng)打開進(jìn)水，待漲至庫內(nèi)、外水位相等或落潮時(shí)庫外潮位低于庫內(nèi)水位，拍板門自動(dòng)關(guān)閉，使庫內(nèi)保持較高的水位供電廠取用。引潮閘每個(gè)流道凈寬 6.60m，安裝 4 個(gè)拍板門把流道均分為 4 孔。相鄰流道由寬 1.50m 大閘墩分隔，隔離拍板門的小閘墩寬為 0.40m。堰頂標(biāo)高為-3.00m。閘下接 1∶4.5 的陡坡，陡坡下為14.00m 長(zhǎng)消力池，消力池底標(biāo)高為-7.80m，其后用堆石鋪設(shè)海漫，海漫底標(biāo)高為-7.50m 鋪設(shè)長(zhǎng)度為 22.50m。

2 研究成果

試驗(yàn)研究在選取一個(gè)流道中的 3個(gè)閘孔，比尺為 1∶10 的正態(tài)斷面模型上開展。

2.1 引潮閘過流能力

2.1.1 單孔引潮閘的過流能力

3 孔均參與不同潮位、不同庫水位、不同開度拍板門過流，經(jīng)過流能力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出單孔引潮閘的過流能力計(jì)算公式 (計(jì)算最大誤差不超過4.3%），見表 1。

當(dāng) Hs/Hx≥2.2 為自由出流：σs=1；

Hs/Hx≤2.2 為淹沒出流：σs=1-0.5 （2.2-Hs/ Hx）。

μ=0.0093ψ+0.0121

式中：A——閘孔面積，1.25×1，m2；Hs——堰上水頭，

Hs=潮位-堰頂高程，m；Hx——淹沒深度，Hx=庫水

位-堰頂高程，m；——拍板門的不同開度，°；σs——

淹沒系數(shù)；μ——自由出流時(shí)的流量系數(shù)。

表1 不同潮位、庫水位、開度及 3 孔引潮流量

2.1.2 毗鄰閘孔關(guān)閉對(duì)引潮能力的影響

經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比邊孔的過流能力與其它閘孔沒有明顯差別，但當(dāng)鄰近閘孔處于自由引潮狀態(tài)時(shí)，相鄰閘孔關(guān)閉對(duì)開啟閘孔的引潮量有影響。特別是庫水位在閘孔上緣高程附近，閘孔為自由出流的影響較大，見表 2。因關(guān)閉的閘孔下游水位比開啟閘孔的下游水位高，邊側(cè)閘孔的閘墩下游水流大范圍的折向開啟的閘孔，降低了閘上、下游水位差所致。

2.2 引用流量與拍板門數(shù)量關(guān)系

根據(jù)低潮位（P=97%）典型潮汐過程及中國水利水電科學(xué)研究院《華能丹東電廠海水蓄水庫取水工程拍板門水力特性試驗(yàn)研究報(bào)告》，拍板門在不同潮位和庫水位條件下開啟的角度及本次試驗(yàn)得出的流量系數(shù)，演算了引潮閘在低潮位時(shí)引流的過程，并以此推算針對(duì)典型低潮汐過程電廠二、三期擴(kuò)建后，在現(xiàn)有水庫庫容下提供冷卻用水流量 62.02m3/s，116.7m3/s時(shí)，需要拍板門為 20 個(gè)、44 個(gè)。若對(duì)庫容考慮 1.2 的安全系數(shù)，以充分保證電廠冷卻用水，則需要拍板門為 22 個(gè)、52 個(gè)。但通過計(jì)算也得知，對(duì)電廠二期，拍板門不超過 38 個(gè)、取水流量不大于 80m3/s和電廠三期，拍板門不超過 70 個(gè)、取水流量不大于 122m3/s，拍板門個(gè)數(shù)的增加與取水流量的增加成正比。若超過此界限，引潮閘拍板門個(gè)數(shù)無論怎樣增加對(duì)取水流量都增加不大。所以，從經(jīng)濟(jì)的角度看單純從加大拍板門數(shù)量來增加取水流量是不可行的。

表2 毗鄰閘孔開啟與關(guān)閉對(duì)鄰近閘孔引潮量的影響

2.3 海漫抗刷研究

消力池下游海漫設(shè)計(jì)、校核標(biāo)準(zhǔn)是多年平均潮位 0.06m、多年平均高潮位 2.26m。在多年平均潮位工況下，實(shí)測(cè)消力池下 22.50m 范圍內(nèi)最大流速為 3.43m/s。由伊茲巴士公式：

V=KD1/2

式中：V 為抗沖流速，m/s；K 為系數(shù)，一般取 5～7；D 為中值粒徑，m；

可知，選用 的 塊石粒徑為 0.70～0.83m，但若允許海漫有一定的變形而不發(fā)生破壞，海漫選用的塊石粒徑可以減小到 0.40～0.50m，鋪設(shè)厚度為1.00m，長(zhǎng)度為 22.50m。海漫下河床沙模擬依蓄水庫內(nèi)淤積物的顆粒級(jí)配的中值粒徑 d50=0.01 ～0.08mm，并滿足泥沙起動(dòng)相似，選用的模型沖料采用輕質(zhì)塑料沙。

施放設(shè)計(jì)、校核潮位，消力坎下沖刷分兩部分：一部分是靠近消力坎的沖刷，即水舌落入海漫上，紊動(dòng)的水流將細(xì)顆粒帶向下游，海漫有局部沉陷但未構(gòu)成破壞，最大下沉深度 4.59m；另一部分是在海漫末端,因庫區(qū)細(xì)床砂質(zhì)被潮水帶向遠(yuǎn)處，在海漫末端造成塌落，最大沖深 3.73m，基本滿足穩(wěn)定要求。

2.4 攔漂試驗(yàn)

針對(duì)引潮閘進(jìn)口前緣水體表層可能出現(xiàn)的浮冰和海藻等漂浮物進(jìn)行了攔阻效果試驗(yàn)分析。漂浮物的模擬分兩部分：一部分是藻類；另一部分是冰。

2.4.1 藻 類

試驗(yàn)對(duì)藻類的模擬采用密度小于 1.00 的稻草梗。尺寸控制在 0.50～2.00cm。即原形藻類為5.00～20.00cm。

攔漂試驗(yàn)僅選取多年平均潮位 0.06m，拍板門開度為 69°一種工況作為典型來潮量進(jìn)行排漂試驗(yàn)。

引潮閘在該潮位引水時(shí)，閘前 20.00m 處最大流速為 1.15m/s，試采用攔漂排攔截引潮閘進(jìn)口前的漂浮物即海藻和冰塊。攔漂排跨度為 24.30 m，撓度為 3.00m，攔污浮筒直徑為 0.125m，筒長(zhǎng)為 0.625m，攔污掛柵高為 0.17m，固定攔漂排的兩端設(shè)為可升降的滑道，以適應(yīng)不同潮位的變化。

攔漂效果用排漂率與滯漂率表示：

排漂率=（排漂量/來漂量）×100%；滯漂率=（滯排量/來漂量）×100%。攔漂排攔截海藻的排漂率為 28%，滯漂率為 72%。

2.4.2 浮 冰

冰 塊 厚 度 依 據(jù) 海 冰 特 征 為 0.05 ～0.15m 及0.50m 兩種尺寸。模型按比例尺縮放為 0.50～1.50 cm 及 5.00cm 比重為 0.92 的 2 種規(guī)格的石蠟，或比重為 0.90 的冰塊來模擬。對(duì)于并置的冰塊用石蠟?zāi)M，對(duì)于堆積加厚的冰塊用真冰模擬。

當(dāng)引潮閘引用該潮位下的潮水時(shí)，攔漂排并不能起到攔截冰塊的作用。其原因是閘前流速足以使冰塊沿?cái)r漂排下翻轉(zhuǎn)而行，繞過攔漂排的冰塊在拍板門閘孔處淤堵，造成引潮閘引用潮量的大幅度降低。

攔冰條件分析：引潮閘閘前如果采取攔冰措施，冰塊必然在攔冰設(shè)施前堆積。堆積冰的分類為：并置型、疊加型。

對(duì)于引潮閘的攔冰，既要將冰攔截，又不能抬高水位，所以，只有堆積的冰是并置型，才能實(shí)現(xiàn)攔冰。

鑒于上述限制所以設(shè)置攔冰排時(shí)，引潮閘閘前的最大平均流速可由冰上方的不溢條件導(dǎo)出。即：

γu=［2g（ρi/ρ）t］0.5

式中：γu——冰下面水流的平均流速，m/s；g——重力加速度，m/s2；ρ——水的密度，kg/m3；ρi——冰的密度 ，kg/m3；t——浮冰塊厚度，m 。

依據(jù)基礎(chǔ)資料的冰厚尺寸計(jì)算形成并置型堆積冰的最大流速，見表 3?？梢?，如果設(shè)置攔冰排，引潮閘閘前水流平均流速不應(yīng)超過 0.3m/s。

為給出不同潮位下引潮閘前的平均流速，從東港實(shí)測(cè)的潮汐資料中選出了一個(gè)大潮過程、一個(gè)小潮過程，其后給出的這兩個(gè)過程在引流中不同歷時(shí)的閘前流速普遍都大于 0.3m/s，因而不具備攔截的條件。即若設(shè)置攔冰措施，冰塊會(huì)下潛繞過攔截體。

3 結(jié)論

1）引潮閘的過流能力受潮位、庫水位兩者控制，閘上水頭與閘下水深之比大于 2.2 時(shí)，為自由出流；小于 2.2 為淹沒出流，試驗(yàn)給出經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算誤差小于 4.3%。引潮閘墩頭處有吸氣漩渦，但對(duì)泄流能力影響較小。

表3 不同冰厚形成并置型堆積冰的最大流速

2）在庫容一定的情形下，拍板門數(shù)量的增加，引潮流量也隨之明顯增加。但當(dāng)拍板門的數(shù)量增加到一定規(guī)模后，引潮流量就不再隨拍板門數(shù)量的增加而明顯增加。

3）下游海漫建議選用 0.40 ～0.50m 塊石鋪設(shè)厚度 1.00m、寬度不小于 22.50m，可滿足抗沖要求。

4）引潮閘前夏季漂浮的海藻可通過攔漂排得到較好的攔截。但對(duì)于冬季漂浮的冰塊因其閘前流速較大，不具備攔截條件。

圖 1 溢洪道 0+120 斷面底板滲流監(jiān)測(cè)過程線

對(duì)于冬季測(cè)值突然增大的現(xiàn)象，分析認(rèn)為主要是由于凍脹引起。滲壓計(jì)埋設(shè)于地板下 0.5m 處，當(dāng)下水位高于該部位時(shí)，地下水通過透水石進(jìn)入空腔內(nèi)，引起彈性膜片的變形，可測(cè)出水位高低。當(dāng)冬季氣溫下降時(shí)，空腔內(nèi)水體結(jié)冰，體積膨脹，產(chǎn)生凍脹力，壓縮膜片，所以導(dǎo)致測(cè)值突然增大。

5 結(jié)語

1）BGK-4500/4560S 系列振弦式滲壓計(jì)埋設(shè)在水工建筑物、基巖內(nèi)或安裝在測(cè)壓管中、鉆孔中、堤壩、管道、管道和壓力容器里，測(cè)量孔隙水壓力或液體液位；

2）溢洪道底板滲壓計(jì)測(cè)值突然增大主要是由于冬季氣溫降至負(fù)溫后，滲壓計(jì)空腔內(nèi)水體結(jié)冰，產(chǎn)生凍脹力所致；

3）對(duì)于寒冷地區(qū)，溢洪道底板滲壓計(jì)埋設(shè)應(yīng)考慮凍脹問題，建議埋設(shè)至凍深以下或者采取防凍措施。

［1］田斌，童富果，何薪基等.清江隔河巖水電站大壩基礎(chǔ)滲流監(jiān)測(cè)研究［J］.大壩觀測(cè)與土工測(cè)試,2000，24（4）：31-33.

［2］張阿峰，王建國.恰甫其海粘土心墻壩體滲流監(jiān)測(cè)資料分析［J］.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2007，31（4）：57-60.

[收稿日期]2014-01-20

TV67

B

1002－0624（2014）04－0053－03

2013-11-11