波浪對(duì)蘑菇頭式取水口作用的試驗(yàn)研究

劉贊強(qiáng)，段亞飛，張強(qiáng)，紀(jì)平

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

波浪對(duì)蘑菇頭式取水口作用的試驗(yàn)研究

劉贊強(qiáng)，段亞飛，張強(qiáng)，紀(jì)平

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

濱?；?核電廠以海水作為冷卻水源，取水口所處水域水動(dòng)力條件十分復(fù)雜，其中波浪是取水口結(jié)構(gòu)受到的主要?jiǎng)恿奢d。文章以浙能鎮(zhèn)海電廠燃煤機(jī)組搬遷改造項(xiàng)目循環(huán)取水口為例，采用物理模型試驗(yàn)方法研究了波浪作用下蘑菇頭式取水口的結(jié)構(gòu)受力情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，在波浪作用下，取水頭受到的總力基本不受相鄰取水頭的影響，垂向和水平向總力隨水位變化，其最大總力發(fā)生在不同水位。

波浪；取水口；受力

0 引言

濱?；?核電廠以海水作為冷卻水源，電廠循環(huán)水的取水方式通常包括：取水頭+引水涵管（隧道）、明渠取水、港池取水等，其中取水頭+引水涵管（隧道）是電廠常采用的取水方式，取水口的形式包括垂直頂升蘑菇頭、戽斗等。此類型的取水口與海水直接接觸，遭受海水的侵襲，其中波浪是取水口結(jié)構(gòu)受到的主要?jiǎng)恿奢d，取水口的穩(wěn)定關(guān)乎電廠的順利生產(chǎn)和安全運(yùn)行，因此研究學(xué)者對(duì)此開展了波浪作用下取水口結(jié)構(gòu)受力及穩(wěn)定性方面的研究工作。廖澤球等[1]通過波浪物理模型試驗(yàn)研究了波浪作用下大尺寸混凝土取水口拼裝及整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。岳永魁等[2]采用波浪物理模型試驗(yàn)的方法研究了取水口戽頭在不同取水量和不同水位條件下的波浪壓力。Sundaravadivelu R等[3]采用1∶25的模型比尺研究了海水取水井在規(guī)則波作用下受到的波浪壓力和力矩，并與線性繞射理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。Neelamani S等[4]在實(shí)驗(yàn)室研究了取水沉箱在規(guī)則和不規(guī)則波浪作用下受到的波浪力隨沉箱開孔率、波高、周期等的變化情況，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果給出了一個(gè)計(jì)算公式。Vendhan K M等[5]對(duì)取水沉箱受到的波浪壓力進(jìn)行了原型觀測(cè)，并與Goda公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)波浪為非破碎波時(shí)，Goda公式計(jì)算結(jié)果偏大，當(dāng)波浪破碎時(shí)計(jì)算結(jié)果則小于實(shí)測(cè)值。

盡管該方面的研究成果較多，但取水口形式多樣，對(duì)于此類形狀復(fù)雜的淹沒式建筑物在波浪作用下的結(jié)構(gòu)受力尚無相應(yīng)規(guī)范給出明確的計(jì)算方法。因此，電廠海工設(shè)計(jì)一般需通過物理模型試驗(yàn)方法研究波浪作用下取水構(gòu)筑物的受力、穩(wěn)定性等，為海工設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

本文以浙能鎮(zhèn)海電廠燃煤機(jī)組搬遷改造項(xiàng)目循環(huán)取水口波浪物理模型試驗(yàn)為背景，對(duì)垂直頂升蘑菇頭式取水口在波浪作用下的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了研究。

1 研究背景

鎮(zhèn)海電廠地處杭州灣南岸，規(guī)劃裝機(jī)容量2×660 MW，機(jī)組采用擴(kuò)大單元制直流供水系統(tǒng)，循環(huán)冷卻水取自灰鱉洋海水，采用取水口+引水涵管（隧道）的取水方式，取水口由16個(gè)4.0 m×4.0 m盾構(gòu)垂直頂升蘑菇頭組成的多點(diǎn)取水方式，取水口離岸約2 km，灘面標(biāo)高約-5.1 m（85國家高程基面，以下同），見圖1及圖2所示。

圖1 電廠取排水平面布置圖Fig.1 Layout plan of intake and outlet of power plant

圖2 多點(diǎn)取水口形式圖Fig.2 Sketch map of multi-point water intake shape

2 試驗(yàn)內(nèi)容

本工程具有取水隧道較長（總長約2 500 m），取水量大，取水口水位變化幅度大、設(shè)計(jì)低潮位時(shí)有效水深低、取水口受波浪影響大等特點(diǎn)，波浪對(duì)取水頭部有較大的沖擊力，水力條件十分復(fù)雜，為達(dá)到電廠取水安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的目的，采用物理模型試驗(yàn)的方法研究取水頭在不同設(shè)計(jì)潮位和波浪等組合作用下受到的波浪浮托力和側(cè)向波浪力。

3 工程水域風(fēng)和波浪情況

工程水域西部、南部、東部受自然岸線和島嶼掩護(hù)，北側(cè)為杭州灣水域，因此工程水域波浪為小風(fēng)區(qū)波浪。

根據(jù)廠址附近氣象站多年年極值風(fēng)速，采用皮爾遜Ⅲ型曲線擬合求得不同方向、不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)風(fēng)速，得到強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹NW；同時(shí)取水頭附近地形較為平緩，波浪折射不明顯，因此，可認(rèn)為強(qiáng)浪向同強(qiáng)風(fēng)向。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，在極端高水位及其以下水位情況下，取水口附近NNW方向50 a一遇波浪H1%均已破碎[6]，依照J(rèn)TS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》[7]，當(dāng)?shù)匦纹露萯≤1/500時(shí)，破碎參數(shù)（破碎波高與破碎水深比值）取0.6。

4 模型設(shè)計(jì)

4.1 試驗(yàn)方案

NNW向波浪既為強(qiáng)浪向也是常浪向，直接作用于取水口，因此宜選取強(qiáng)浪向進(jìn)行試驗(yàn)。取水口周圍水域水下地形較為平坦，當(dāng)NNW方向波浪作用時(shí)，浪向近似垂直于取水頭連線方向，并且取水口附近波高基本一致。因此宜截取部分取水頭作為研究對(duì)象，試驗(yàn)可在波浪水槽中進(jìn)行，模型布置示意圖如圖3所示。

圖3 模型布置示意圖Fig.3 The sketch map of experiment plan

此類形狀復(fù)雜的淹沒式建筑物在不同水位和波浪組合條件下受到的作用力可能會(huì)有所不同。此外，由于取水頭呈列布置，還需考慮相鄰取水頭對(duì)其受力的影響。依照J(rèn)TJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》[8]，應(yīng)考慮4倍模型寬度在波峰線上投影范圍內(nèi)相鄰取水頭的影響，因此按照16個(gè)取水頭中所處不同位置分別考慮以下試驗(yàn)方案（見圖2所示）。

方案1：以單個(gè)取水頭A作為基礎(chǔ)研究對(duì)象，研究不同水位下取水頭的結(jié)構(gòu)受力特征，確定不利水位；

方案2：取A、B、C 3個(gè)取水頭，在不利水位條件下測(cè)量取水頭B、C存在時(shí)取水頭A受到的波浪力，即考慮B、C兩個(gè)取水頭對(duì)A取水頭的影響；

方案3：取A、B、C、D 4個(gè)取水頭，在不利水位條件下測(cè)量取水頭A和C、D存在時(shí)取水頭B受到的波浪力；

方案4：取A、B、C、D、E 5個(gè)取水頭，在不利水位條件下測(cè)量取水頭A、B和D、E存在時(shí)取水頭C受到的波浪力。

4.2 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

利用中國水利水電科學(xué)研究院的波浪水槽（長80 m，寬2 m，高1.5 m）進(jìn)行試驗(yàn)，波浪水槽首端安裝有伺服式不規(guī)則波造波系統(tǒng)。

造波系統(tǒng)硬件部分主要由推波板、機(jī)械框架、交流伺服電機(jī)及其控制器、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、造波機(jī)伺服控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、波高儀、計(jì)算機(jī)及外設(shè)組成；軟件部分包括各種規(guī)則波和多種波譜的不規(guī)則波生波程序，造波機(jī)控制程序及數(shù)據(jù)采集分析處理程序等。

造波系統(tǒng)可產(chǎn)生周期變化范圍為0.5～5 s、波高變化范圍2～50 cm的各種規(guī)則波和不規(guī)則波，水槽最大試驗(yàn)水深1.2 m?？偭y(cè)量采用由DJ800型48通道水工數(shù)據(jù)采集儀和三分力（x、 y、 z）傳感器組成波浪力測(cè)量系統(tǒng)，用于測(cè)量取水頭在水平（側(cè)向）和垂向（浮托）上受到的波浪總力。

4.3 模型相似與試驗(yàn)方法

根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容的要求，綜合考慮試驗(yàn)條件和取水口結(jié)構(gòu)尺度、波浪等動(dòng)力因素和試驗(yàn)儀器測(cè)量精度，選取灘面以上取水頭為研究對(duì)象，同時(shí)根據(jù)《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》[8]，模型選用正態(tài)模型，按照拂汝德數(shù)重力相似律設(shè)計(jì)，模型的幾何比尺λ=20，則時(shí)間比尺λt=λ1/2，壓強(qiáng)比尺λp=λ，力比尺 λF= λ3。

試驗(yàn)采用不規(guī)則波，不規(guī)則波的波譜采用JONSWAP譜，譜峰升高因子取為3.3，H1%取水深的0.6倍，T=6.6 s（原型值），根據(jù)《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》[8]中規(guī)定的允許偏差來控制每組模擬的波浪參數(shù)。

4.4 試驗(yàn)測(cè)試方法

為研究不同水位下取水頭的結(jié)構(gòu)受力，試驗(yàn)選取了-2.39 m（保證率99%低潮位）、-2.25 m（保證率97%低潮位）、-2.1 m、-1.9 m、……、-0.5 m、-0.3 m等共12個(gè)水位。

將灘面以上取水頭部完全按照幾何比尺采用有機(jī)玻璃制作模型。水平總力及垂向總力采用懸臂測(cè)力方式進(jìn)行測(cè)定，取水頭模型與總力儀采用剛性連接。

試驗(yàn)步驟：不同水位波浪率定→方案1工況單個(gè)取水頭模型及總力儀安放→工況試驗(yàn)→確定不利水位→方案2、3、4工況試驗(yàn)→數(shù)據(jù)分析。

試驗(yàn)中波浪及總力數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔均為0.02 s，待波浪平穩(wěn)后，連續(xù)采集的波浪個(gè)數(shù)不少于120個(gè)。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值為最終結(jié)果，當(dāng)3次重復(fù)試驗(yàn)的結(jié)果差別較大時(shí)，則增加重復(fù)次數(shù)。

總力儀的三分力方向定義采用右手直角坐標(biāo)系，在空間直角坐標(biāo)系中，讓右手拇指指向z軸的正方向，食指指向x軸的正方向，中指指向y軸的正方向，如圖4所示。

圖4 三分力x、y、z方向定義（m）Fig.4 Definition of coordinate system（m）

5 試驗(yàn)結(jié)果

5.1 單個(gè)取水頭受到的波浪總力

對(duì)取水頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，受力主要關(guān)注其垂直向上的軸向拉力和水平方向的剪切力。圖5給出了不同水位條件下單個(gè)取水頭受到的波浪總力F1%的變化情況。由圖5可看出，z向和xy水平向合力的F1%最大值發(fā)生在不同水位，z向F1%最大值對(duì)應(yīng)水位為-1.9 m，xy方向合力F1%最大值對(duì)應(yīng)水位為-0.9 m。

圖5 單個(gè)取水頭受到的波浪總力F1%隨水位變化曲線Fig.5 The total wave force F1%of a single intake head changes with different water depth

5.2 不同取水頭相對(duì)位置受力影響試驗(yàn)

依前述試驗(yàn)結(jié)果，在確定取水頭不利水位的基礎(chǔ)上，按照取水頭所處不同相對(duì)位置分別進(jìn)行方案2、方案3和方案4的受力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果詳見表1。

表1 水位-1.9 m和-0.9 m時(shí)不同方案下取水頭受到的波浪總力F1%Table 1 The total wave force F1%of a intake head under water depth of-1.9 m and-0.9 m

由表1可以看出，不同方案下取水頭受到的z向或xy向波浪力差別較小，與方案1（單個(gè)取水頭）的試驗(yàn)結(jié)果相比，最大相對(duì)誤差不超過3%，可認(rèn)為取水頭受到的波浪力基本不受相鄰取水頭的影響。

6 結(jié)語

本文以浙能鎮(zhèn)海電廠燃煤機(jī)組搬遷改造項(xiàng)目循環(huán)取水口波浪物理模型試驗(yàn)為依托，對(duì)蘑菇頭式取水口在波浪作用下的結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行了研究，試驗(yàn)考慮了不同淹沒深度以及相鄰取水頭對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。研究結(jié)果表明，取水頭受到的波浪總力隨水位變化，垂向和水平向最大總力發(fā)生在不同水位，在不利水位和波浪組合作用下，取水頭受到的總力基本不受相鄰取水頭的影響。

[1] 廖澤球，張曉云.大型海上取水口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].中國港灣建設(shè)，2014（4）：34-37.LIAO Ze-qiu,ZHANG Xiao-yun.Structural design of the large water intake in sea[J].China Harbour Engineering,2014(4):34-37.

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[8] JTJ/T 234—2001，波浪模型試驗(yàn)規(guī)程[S].JTJ/T 234—2001,Wave model test regulation[S].

Model tests of wave action on mushroom shape intake structure

LIU Zan-qiang,DUAN Ya-fei,ZHANG Qiang,JI Ping
（China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Thermal or nuclear power plant in coastal area takes sea water as cooling water source,and the hydrodynamic conditions of water intake are very complex,in which wave is the main dynamic load of water intake structure.By taking the circulating water intake system of Zheneng Zhenhai coal power station relocation project as an example,we investigated wave loads on mushroom shape intake structure using physical model studies.It is found that the total wave force on intake structure is not affected by neighbours.Vertical and horizontal forces vary with water level,the maximum total force occurs at different water level.

wave;intake structure;wave force

TV139.2；TV671

A

2095-7874（2017）10-0053-04

10.7640/zggwjs201710011

2017-01-22

2017-04-12

劉贊強(qiáng)（1981— ），男，河南安陽人，博士，工程師，主要從事隨機(jī)波浪的模擬及其與結(jié)構(gòu)物作用的研究。

E-mail：liuzanqiang@163.com