濱海電廠取水明渠對周圍潮流影響試驗研究

許忠厚，董曉紅，尹亞軍（.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，海岸災(zāi)害與防護(hù)教育部重點實驗室，江蘇　南京　0098；.寧波中交水運(yùn)設(shè)計研究有限公司，浙江　寧波　35040）

濱海電廠取水明渠對周圍潮流影響試驗研究

許忠厚1，董曉紅2，尹亞軍1
（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，海岸災(zāi)害與防護(hù)教育部重點實驗室，江蘇南京210098；2.寧波中交水運(yùn)設(shè)計研究有限公司，浙江寧波315040）

摘要：通過定床物理模型試驗，在驗證結(jié)果良好的前提下，研究了在岬角附近建設(shè)電廠取水明渠對周圍海域潮流運(yùn)動的影響，對比分析了工程前后、取水與不取水的流速變化，以此為根據(jù)對泥沙沖淤進(jìn)行了大致預(yù)測，與泥沙物理模型試驗結(jié)果在定性上較為一致。研究結(jié)果對于類似工程具有參考與借鑒意義。

關(guān)鍵詞：濱海電廠；取水明渠；潮流；物理模型

0　引言

研究取水明渠附近水動力特征問題，有助于核電廠的后期工程規(guī)劃和科學(xué)管理，對于指導(dǎo)工程設(shè)計、保證電廠取水安全以及分析對于泥沙沖淤的影響，具有理論與現(xiàn)實意義。目前，對于濱海核電站建設(shè)對水動力泥沙沖淤的影響研究方法主要有：物理模型、數(shù)學(xué)模型[1]和經(jīng)驗公式計算。數(shù)學(xué)模型研究大范圍水動力場變化的影響，從宏觀方面研究多種工程方案布置優(yōu)劣，而較準(zhǔn)確地模擬工程后取水渠取水的影響，需開展物理模型試驗。

本文主要結(jié)合電廠取水明渠潮流泥沙物理模型試驗，對工程周圍水域的潮流場變化進(jìn)行分析，并探討明渠的建設(shè)與明渠取水對其周圍海域及岸灘的影響。

1　工程概況

本文研究的實際工程某核電廠位置處于海上岬角田尾山，潮流為不規(guī)則半日潮，潮流運(yùn)動形式上為往復(fù)流。工程采用以海水為冷卻水的直流供水系統(tǒng)，核電廠低放廢液將隨著冷卻水排至海域。

冷卻水取排水工程布置擬采用西取南排方案。根據(jù)規(guī)劃，一期工程將建設(shè)2臺機(jī)組，每臺機(jī)組對應(yīng)1個取水泵房，單臺機(jī)組的取（排）水量為73.3 m3/s。

2　模型設(shè)計與驗證

2.1模型設(shè)計

采用定床清水試驗，由于模擬范圍較大，采用變態(tài)模型[2]。

本次試驗中采用水平比尺1頤300，垂直比尺1頤100，流速比尺1頤10，流量比尺1頤300 000，潮流運(yùn)動時間比尺1頤30，海床糙率比尺1頤1.24。綜合考慮漲落潮流向、潮流邊界條件等，模型布置如圖1所示。在模型4個邊界設(shè)置潛水泵組控制流量，模擬試驗海區(qū)的漲落潮流。

圖1　模型布置及潮位與流速驗證站位（圖中尺寸為原型值）Fig.1　Model layout and locations of water Level and velocity validation gauges

2.2模型驗證

選取測量時間為2012年7月夏季觀測的實測大、中、小潮潮位過程和同步流速流向成果為物理模型驗證資料。

天然狀態(tài)下，原型實測潮位站距離工程區(qū)域較遠(yuǎn)，物理模型根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算提供2012年7月夏季工程附近1號、2號、3號三點潮位變化過程，作為大、中、小潮潮位驗證；C4、C5、C6、C8、C10為2012年7月夏季觀測實測潮流點，作為大、中、小潮潮流驗證點（圖1）。

由數(shù)學(xué)模型計算成果提供各邊界不同潮型潮流進(jìn)出流量控制過程為基礎(chǔ)，模型經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，取得潮位和潮流驗證結(jié)果。大潮驗證時段為2012-07-05 15:00至2012-07-06 15:00，中潮驗證時段為2012-07-08 15:00至2012-07-09 15:00，小潮驗證時段為2012-07-12 12:00至2012-07-13 12:00。

2.2.1潮位驗證

僅給出1號測站的潮位驗證曲線如圖2所示，從驗證結(jié)果可以看出，潮位實測值與模型值吻合較好，符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求。

圖2　大潮1號潮位驗證過程線Fig.2　Water Level validation of spring tide of gauge 1

2.2.2流速流向驗證

圖3為離工程位置最近的C6點大潮流速流向驗證曲線。模型試驗值與實測值趨勢比較一致，模擬與實測的流速過程線形態(tài)相符，漲落潮相位基本一致，流速大小也比較吻合。驗證結(jié)果表明模型能夠客觀反映當(dāng)?shù)氐牧鲬B(tài)特征，且符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求。

圖3 大潮C6流速流向驗證Fig.3　Validation of the flow velocity and direction of spring tide of gauge C6

3　模型試驗

3.1取水明渠布置

明渠布置在海上岬角，明渠的開口向西，有兩個彎道，在第2個彎道前設(shè)置了取水隔堤。取水渠南導(dǎo)流堤位于水深約13 m處。如圖1和圖4所示。

圖4　取水渠布置與流速測點分布（圖中尺寸為原型值）Fig.4　Layout of the water channel and the flow velocity gauges

3.2試驗結(jié)果

3.2.1工程前后流態(tài)變化

工程建成后所在海域流態(tài)受工程影響十分微小。大潮時，僅順沿電廠取水渠南導(dǎo)流堤局部水域流速略有增大，廠區(qū)南防洪堤東側(cè)防波堤附近有回旋流，且流速變小。在取水渠北導(dǎo)流堤西側(cè)灘面有回旋流，流速較小。小潮和大潮流態(tài)現(xiàn)象基本相同，其形成的回旋流要弱于大潮。工程其它水域流態(tài)基本不變。

3.2.2工程前后流速變化

電廠取水明渠建設(shè)前后以及取水前后的大潮最大流速見表1。核電工程取水渠位于田尾山凸嘴外側(cè)灘面水深較大水域，取水渠內(nèi)（09號、11～15號測點）工程前最大流速為0.72 m/s，工程后不取水時由于南北導(dǎo)流堤的掩護(hù)影響，最大漲落潮流速為0.35 m/s，減幅約50%。

取水泵房前池（13號、15號測點）由于位于田尾山坡腳前沿山體，工程前13號測點最大漲落潮流速為0.3 m/s，15號測點最大漲落潮流速為0，工程后前池底部開挖到-7.9 m高程，與取水渠通過深孔進(jìn)水隔堤連通，最大漲落潮流速為0.35 m/s左右。

除泵房前池附近測點外，明渠建成后明渠內(nèi)最大流速約為0.3 m/s，平均流速約為0.15 m/s，比工程前減小50%～100%。

核電明渠工程周圍廠區(qū)東防波堤、取水渠南北導(dǎo)流堤及其堤頭位置工程前后流速變化主要表現(xiàn)在近岸及導(dǎo)流堤外側(cè)部位，近岸01號測點工程前整點時刻最大漲落潮流速由0.38 m/s減小為0.3 m/s左右，北導(dǎo)流堤外側(cè)灘面08號、10號測點工程前整點時刻最大漲落潮流速由0.8 m/s減小為0.31 m/s左右，南導(dǎo)流堤外側(cè)06號、07號測點工程前整點時刻最大漲落潮流速0.7 m/s，工程后增大到0.87 m/s左右，其它測點工程前后流速變化不大。

表1 大潮最大流速表Table 1　Maximum velocity of spring tide

3.2.3取水的影響

圖5為取水明渠內(nèi)大潮最大流速與平均流速沿程分布圖，由圖可以看出，漲潮期與落潮期明渠內(nèi)水流運(yùn)動基本一致，由于11號測點處在隔堤與導(dǎo)流堤拐角之間，13號測點距泵房較近，這兩處流速較大。除個別測點外，落潮流速大于漲潮流速。正常工作時，2臺泵取水流量為146.6 m3/s，取水時最大流速比不取水增大20%～65%，而平均流速增大較大，增幅基本都在50%以上，尤其是09號和15號測點，這是由于這2個測點在不取水時流速很小而取水時沿明渠由外向內(nèi)流速變化并不大。

圖5　明渠內(nèi)大潮流速沿程分布Fig.5　Distribution of maximum and average flow velocity of spring tide in the water channel

3.2.4泥沙沖淤預(yù)測分析

電廠取水明渠及泵房前池是電廠抽取天然海水冷卻運(yùn)行機(jī)組的咽喉通道，泥沙的沖淤變化直接影響到電廠的運(yùn)轉(zhuǎn)安全。若泥沙淤積較多，不僅影響到電廠機(jī)組的磨損，而且低水位時還影響電廠的取水安全，直接影響到電廠的運(yùn)行成本。所以，在電廠規(guī)劃布置時，需精心設(shè)計取水明渠的走向布置[3-5]。

結(jié)合以上對潮流流速的分析，可以預(yù)測明渠周圍及明渠內(nèi)的泥沙淤積狀況，并采取有效措施減少泥沙淤積。在電廠泵房取水工作時，由于取水明渠增加了取水流量，吸引水中懸沙侵入取水明渠及泵房前池，促使泵房前池泥沙淤積增多。由于泥沙在水流中運(yùn)動的特點，09號測點附近的明渠彎道頂部將出現(xiàn)集中落淤。取水明渠與泵房前池之間的進(jìn)水隔堤也會起到一定的攔沙作用。取水明渠外側(cè)的08號、10號測點附近流速較南導(dǎo)堤外側(cè)流速小，在此處形成旋流，將導(dǎo)致泥沙在明渠口門外08號與10號測點附近落淤。通過泥沙物理模型試驗所得的結(jié)果與預(yù)測分析結(jié)果在定性上較為一致。

4　結(jié)語

本文通過定床物理模型試驗，在驗證結(jié)果良好的前提下，研究了在岬角附近建設(shè)電廠取水明渠對附近海域潮流運(yùn)動的影響，對比分析了工程前后、取水與不取水的流速變化，并以此為根據(jù)對泥沙沖淤進(jìn)行了大致預(yù)測，研究結(jié)論對于類似工程具有參考與借鑒意義。

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E-mail：xzhemll@163.com

中圖分類號：U617.6；TM623

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-7874（2016）01-0048-04

doi：10.7640/zggwjs201601011

收稿日期：2015-07-16修回日期：2015-09-12

作者簡介：許忠厚（1990— ），男，江蘇連云港人，碩士研究生，主要從事波浪與建筑物相互作用研究。

Experimental research of the influence of water channel in coastal power plant on tidal current

XU Zhong-hou1,DONG Xiao-hong2,YIN Ya-jun1
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence
Ministry of Education,Nanjing,Jiangsu 210098,China;2.Ningbo CCCC Water Transportation Design and Research Co.,Ltd.,Ningbo,Zhejiang 315040,China）

Abstract：A fixed-bed physical model test is carried out to conduct a research on the influence of constructing a water channel on the tidal current in the vicinity of the project.On the basis of a good validation,we analyzed the velocity change before and after the construction of the water channel,and compared the difference between intaking water and not intaking water,and made a rough prediction of the sediment erosion and deposition,which is consistent with the result of the sediment model test.This study can serve as guidance to the design and construction of similar projects.

Key words：coastal power plant;water channel;tidal current;physical model