某濱海電廠取水口波浪泥沙模型試驗(yàn)研究

吉紅香,邱 靜,黃本勝

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東 廣州 510635；2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510635；3.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635)

1 概述

泥沙淤積是影響電廠冷卻水取水口工程布置的主要問題之一，特別是濱?；?核電廠，取水防沙是保障電廠安全運(yùn)行的重要工作。一般電廠的選址和設(shè)計(jì)考慮的因素多，如區(qū)位、地質(zhì)、交通、土地、水文、水源以及周邊生態(tài)資源狀況等諸多因素，也為電廠的取水口布置設(shè)計(jì)帶來諸多限制。為了優(yōu)化取水口的布置，進(jìn)行電廠取水防沙問題的研究，對于確認(rèn)電廠功能區(qū)布置的合理性，以及電廠安全、高效運(yùn)營具有重要的實(shí)際意義。

取水口取水防沙的研究目前有兩種方法，一是波浪泥沙物理模型試驗(yàn)，二是波浪泥沙數(shù)值模擬。數(shù)值模擬是針對研究對象和需要解決的問題，采用合適的數(shù)學(xué)物理方程，按定解條件進(jìn)行數(shù)值求解的方法[1]。波浪泥沙物理模型將研究對象則按一定的相似準(zhǔn)則縮制而成的實(shí)體模型。關(guān)于試驗(yàn)具體方法的文獻(xiàn)不多，取水口和近岸海床由于變率的原因，有一定的變形，模型涉及變率和加大糙率的問題，驗(yàn)證和試驗(yàn)較為復(fù)雜。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬節(jié)省人力、物力和時(shí)間，發(fā)展很快。而物理模型試驗(yàn)結(jié)果直觀，在研究取水防沙等局部工程布置優(yōu)化等復(fù)雜問題時(shí)，仍是解決實(shí)際問題的重要方法[2-3]。本文用波浪泥沙物理模型試驗(yàn)的方法研究某濱海火電廠取水口的優(yōu)化，通過波浪泥沙試驗(yàn)，驗(yàn)證取水口設(shè)計(jì)的合理性，以及取水防沙效果，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果為工程設(shè)計(jì)提出相應(yīng)的技術(shù)參考。

2 工程區(qū)域水文泥沙特性

該火電廠位于華南沿海青海灣，工程循環(huán)冷卻水采用南取北排的方式，取水頭部設(shè)置在電廠煤碼頭廠區(qū)南端煤碼頭防波堤西面，排水口設(shè)于防波堤的北側(cè)，取排水口布置見圖1。工程已經(jīng)建成1、2號取水口，新建3、4號取水口，取水口布置見圖2所示。工程受到潮流、波浪，以及電廠循環(huán)水等多因素綜合影響，需對取水口工程布置方案進(jìn)行波浪泥沙模型試驗(yàn)驗(yàn)證，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)資料對3、4號取水口進(jìn)行優(yōu)化，推薦工程量最省、泥沙環(huán)境影響程度最小的取水工程方案，并為本期項(xiàng)目取水口優(yōu)化設(shè)計(jì)等提供技術(shù)依據(jù)。

圖1 取排水口布置示意

圖2 取水口平面布置示意

2.1 波浪

海灣以風(fēng)浪為主，頻率占87%，涌浪頻率占13%。其中NE向的波浪占48.5%，常浪向?yàn)镹E和NNE向，頻率分別占14.6%和14.7%。此外，SW向的波浪頻率也較高，占10.5%。平均波高(H1/10)為0.21 m，最大波高可達(dá)1.5 m。波浪平均周期為1.55 s，最大5.40 s，其中SW和SWS向波浪周期較大，平均值為3.17 s和3.14 s。根據(jù)波浪周年觀測數(shù)據(jù)，全年波向以SE為最多，ESE次之，波向主要分布在ESE～S之間，約占93%。西南季風(fēng)強(qiáng)浪向?yàn)镾SE～S，東北季風(fēng)期強(qiáng)浪向多為ESE～SE。

2.2 潮流

潮差多年平均為1.40～1.60 m，大陸沿岸平均潮差相對較小，附近潮位站多年平均潮差為1.57 m。海域最大潮差一般在3.50 m以下。工程海域的潮流屬于不正規(guī)半日潮流，具有一定往復(fù)流成分的旋轉(zhuǎn)流。表、中、底3層的潮流方向相差不大，基本上與岸線平行，海區(qū)漲潮流流向?yàn)閃S～WSW，落潮流向?yàn)镾E～SSE，基本與岸線平行。工程海區(qū)流速較小，流速量值范圍在0.09～1.30 m/s。

流速資料的分析表明，本海區(qū)在觀測期間的余流主要方向?yàn)槲髂戏较虻难匕读骷耙欢◤?qiáng)度的風(fēng)海流，其中夏季以風(fēng)海流為主，冬季則受沿岸流影響較大。工程海區(qū)余流流速不大，夏季測得的最大余流流速為0.59 m/s，冬季測得的最大余流流速僅為0.26 m/s，夏季測流期間余流流速大于冬季，表層余流流速大于底層。

3 試驗(yàn)范圍泥沙環(huán)境

由于海灣為沙質(zhì)海岸和巖石海岸，波浪侵蝕所產(chǎn)生的泥沙很少呈懸浮狀態(tài)，而海床底沙受波浪潮流聯(lián)合作用后參與懸沙組成。據(jù)調(diào)查，在大風(fēng)浪條件下，整個(gè)工程海區(qū)底沙都能被掀動(dòng)，被掀起的泥沙在潮流和沿岸流作用下，能造成岸灘的嚴(yán)重侵蝕。

3.1 懸沙與底沙

海域水體含沙量很小，測得的平均含沙量冬季為0.009 7 kg/m3，夏季僅為0.004 9 kg/m3。底層含沙量大于表層，底層含沙量為表層的1.2～2.1倍；大、中、小潮期平均含沙量差別不大；漲急與落急時(shí)大，漲平與落平時(shí)小。

近岸海灘以粗顆粒沉積為主，外海區(qū)則以細(xì)顆粒沉積為主，工程海域?qū)儆谏迟|(zhì)海岸。

3.2 海岸與海床演變特征分析

工程海區(qū)海床由于以花崗巖島礁為基礎(chǔ)，泥沙來源少，海床變化十分緩慢，礁石間水域以礫石、砂和粘土組成的現(xiàn)代沉積層厚度一般在1～3 m，平均沉積速率約為0.2～0.6 mm/a，可見處于緩慢沉積狀態(tài)。

電廠選址在海灣兩沙質(zhì)圓弧海岸之間的岬角段，弧形沙質(zhì)海岸是在上、下岬角控制下，沙質(zhì)海岸在泥沙供應(yīng)不足的條件下，優(yōu)勢波浪沖擊海岸形成的一種波浪動(dòng)力和沿岸輸沙率相適應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)的海岸。

4 模型設(shè)計(jì)、率定及試驗(yàn)組次

試驗(yàn)研究取水口附近區(qū)域的泥沙淤積問題，包括取水含沙量及其泥沙輸移的問題。目的在于尋求較好的取排水工程布置方案實(shí)現(xiàn)取水的合理性，減少或防止取排水口區(qū)域的泥沙淤積和取水口的泥沙輸移量。模型設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮如下主要因素[2]：

1) 波浪動(dòng)力

工程海區(qū)近岸的泥沙運(yùn)動(dòng)及海灣的演變動(dòng)力主要為波浪動(dòng)力，工程海區(qū)潮差小，潮流相對較弱，對近岸的泥沙運(yùn)動(dòng)影響較小。

2) 泥沙情況

海區(qū)水體含沙量較小，模型僅考慮床沙模型。模擬波浪作用下海灘沖淤演變，在理論上不僅要滿足波浪運(yùn)動(dòng)相似(包括波浪折射、繞射等)，而且還要同時(shí)滿足泥沙運(yùn)動(dòng)相似(包括泥沙起動(dòng)、沉降、沿岸輸沙、向岸離岸輸沙以及沖淤部位等)。對于動(dòng)床泥沙模型來說，最關(guān)鍵的是通過模型驗(yàn)證達(dá)到試驗(yàn)沖淤演變相似以及確定沖淤時(shí)間比尺。

4.1 模型沙的選配

海岸為沙質(zhì)海灘，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)和對電廠海域床沙顆粒分析，本文選用精煤粉作為模型沙。經(jīng)選配的模型沙級配曲線與原型沙級配曲線取所有原體采樣點(diǎn)顆分結(jié)果：容重為1.50 g/cm3，所選配的模型沙中值粒徑D50=0.212 mm。

根據(jù)電廠地形圖中規(guī)劃的海域范圍，綜合考慮對研究范圍有影響的區(qū)域、試驗(yàn)場地的條件以及波浪泥沙試驗(yàn)規(guī)程要求(平面比尺不宜大于300)，模擬工程附近原體海域?yàn)?.1 km×3.9 km的范圍進(jìn)行模型試驗(yàn)。模型范圍包括電廠取排水口附近海域岸灘，以及對取排水口有影響的海島和岸灘。為保證波浪反射相似，控制模型變率不致過大，并綜合考慮初步計(jì)算的泥沙起動(dòng)波高比尺，選擇平面比尺120和垂直比尺60，模型的幾何變率為2.0。

4.2 相似準(zhǔn)則和比尺

波浪泥沙模型相似律包括：幾何相似、波浪運(yùn)動(dòng)相似、波浪對岸灘作用相似、泥沙運(yùn)動(dòng)相似和地形沖淤相似[6]。在泥沙模型中，為使泥沙運(yùn)動(dòng)相似，以及滿足試驗(yàn)室場地及設(shè)備條件必須將模型做成變態(tài)模型。

為了消除變態(tài)模型對波浪反射的影響，將防波堤碎石護(hù)面做成正態(tài)，以保證堤前反射相似，試驗(yàn)中為了消除海岸坡度的反射影響，在制作模型時(shí)，將岸坡表面人工加糙，盡量消除岸灘變率對波浪反射的影響[1]。

4.3 模型驗(yàn)證

可用于定量對比的地形實(shí)測資料較少，本試驗(yàn)采用CERC公式[5]計(jì)算確定的經(jīng)過海灣中段的海岸沿岸輸沙率為原型代表，然后在驗(yàn)證試驗(yàn)確定的模型波要素的基礎(chǔ)上，根據(jù)海灣內(nèi)不同方向波浪作用下海灘地形的實(shí)際沖淤量，確定經(jīng)過海灣中部斷面的模型沿岸輸沙率，由此求得輸沙率比尺和時(shí)間比尺該海岸的沿岸年輸沙總量在(1～5)×104m3之間，年凈輸沙量接近4×104m3。

(1)

式中QL為輸沙率；Hb為破波波高；C0為深水波相速度；Kr為波浪折射系數(shù)，隨波浪的輻聚、輻散而增加、減小；αb為破波角，即波浪破碎時(shí)波峰線與岸線的夾角。

根據(jù)公式可算得不同波向、不同波級的輸沙率，據(jù)其出現(xiàn)頻率計(jì)算由東向西(西)和由西向東(東)兩個(gè)方向的全年輸沙率。

Q東=∑(QL)P東

Q西=∑(QL)P西

(2)

根據(jù)前面分析計(jì)算，在SSE向浪作用下原型經(jīng)過海灣中部斷面全年沿岸輸沙率為4.44×104m3/a，波浪實(shí)際作用時(shí)間按能量法折算，相當(dāng)于波高H1/10=2.12 m(14 m水深處)，頻率為2.25%，并按淤積物干容重1.65 g/cm3計(jì)算，則原型在實(shí)際波浪作用時(shí)間內(nèi)的平均沿岸輸沙率為2.86 t/h。模型率定中發(fā)現(xiàn)，動(dòng)床驗(yàn)證試驗(yàn)180 min計(jì)算經(jīng)過海灣中部輸沙情況與工程海域泥沙淤積的情況相似，經(jīng)試驗(yàn)測量該斷面平均輸沙率為0.021 t/h，取時(shí)間比尺為172，由此得到模型中SSE向波浪作用1.07 h相當(dāng)于該方向原型1 a內(nèi)波浪作用。

4.4 模型比尺

通過模型率定、驗(yàn)證情況以及模型沙的特征，反復(fù)試算[4]，確定模型各項(xiàng)比尺如下：

水平比尺λl=120，垂尺比尺λz=60，水深比尺λh=60，波長比尺λL=60，波高比尺λH=60，波周期比尺λT=7.7，沖淤時(shí)間比尺λt=172。

根據(jù)火電廠所處的位置以及工程區(qū)域所在的水文泥沙特性，擬定了兩個(gè)方向的正常浪試驗(yàn)組次，模擬歷時(shí)為1 a；1個(gè)臺風(fēng)浪模擬組次，模擬歷時(shí)為2 d。試驗(yàn)組次的要素組成見表1。物理模型試驗(yàn)中取水排水口等構(gòu)筑物根據(jù)原型位置、尺寸按模型比尺縮放模擬，圖3為試驗(yàn)?zāi)M的取水口。

表1 試驗(yàn)組次

圖3 取水口模型布置示意

5 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)以正常浪代表波和大浪要素模擬長期與短期的海岸動(dòng)力要素，對取排水口附近海域進(jìn)行動(dòng)床波浪泥沙試驗(yàn)，觀測波浪場、海床的沖淤變化、取水口泥沙淤積量，分析風(fēng)浪對取水口的影響以及取水口設(shè)置的合理性，提出可行的修改方案，分析對比各方案取水口發(fā)生驟淤的可能性，以及取水口泥沙的淤積程度，為取水口的合理布置和設(shè)計(jì)方案的最終選定提供依據(jù)。

5.1 正常浪試驗(yàn)

由于電廠廠區(qū)填海及防波堤建設(shè)后，改變了原岬角與海灣相間的近岸環(huán)境以及灣內(nèi)波浪傳播的特性，形成新的岬角與電廠防波堤近岸海灣環(huán)境。表現(xiàn)為從南向外傳來的SSE和S向主向波浪受到防波堤的影響發(fā)生反射甚至破碎，由此帶動(dòng)泥沙在堤前運(yùn)動(dòng)，原來沖淤相對平衡的海域近岸泥沙淤積更為明顯；在正常浪作用下，近岸年淤積量約為3.1萬m3左右。

二期工程取水口呈喇叭型，取水流量較大，但由于該處水深浪小，泥沙粒徑較粗，因此取水口處泥沙淤積較少，取水口處淤積形態(tài)呈波紋狀。經(jīng)多組試驗(yàn)測得：在S向波浪相當(dāng)于1 a波浪作用下，二期工程兩組取水口最大泥沙淤積厚度為0.1～0.3 m，淤積較少的地方厚度不到0.1 m，泥沙年淤積量在100 m3左右。兩個(gè)取水口泥沙淤積情況相似，淤積量基本相同。

在SSE波浪的作用下，泥沙向岸運(yùn)動(dòng)不明顯，取水口附近海域泥沙擾動(dòng)較小，4號機(jī)組西側(cè)的海灘，由于海底高程較高，約為-3～-7 m，泥沙在該處形成明顯的淤積沙紋。兩組取水口處泥沙淤積均較少，取水口內(nèi)略有泥沙沉降。經(jīng)多組重復(fù)試驗(yàn)，將取水口的泥沙采集、烘干并稱重，并按模型比尺反算得到原型取水口泥沙進(jìn)量見表2所示：在SSE向波浪相當(dāng)于1 a波浪作用下，取水口最大泥沙淤積厚度為0.1 m，泥沙年淤積量在80 m3左右。

表2 正常浪作用泥沙沖淤

5.2 臺風(fēng)浪試驗(yàn)

考慮到臺風(fēng)浪常伴隨增水現(xiàn)象，試驗(yàn)選取200年一遇高潮位4.16 m、遭遇9713號臺風(fēng)(強(qiáng)熱帶風(fēng)暴)，且連續(xù)作用2 d作為臺風(fēng)驟淤的試驗(yàn)條件。9713號臺風(fēng)在廣東省雷州登陸，登陸時(shí)中心最大風(fēng)力12級，下午進(jìn)入北部灣，23日晨4：00～5：00在越南鴻基市再次登陸。9713號臺風(fēng)登陸點(diǎn)不在工程海域，對工程海域的影響主要為涌浪對工程海岸的作用。在觀測期間獲得9713號臺風(fēng)造成的工程海域涌浪為S向H4%=6.6 m。

S向大浪由外海傳至長環(huán)咀，波浪在石墳咀—長環(huán)咀—電廠防波堤附近破碎，波浪遇到岸灘和防波堤的反射，在取水口附近海域破碎，波浪引起床沙運(yùn)動(dòng)，取水口內(nèi)易產(chǎn)生泥沙淤積。經(jīng)過多次重復(fù)試驗(yàn)，將取水口的泥沙采集、烘干并稱重，并按模型比尺反算得到原型取水口泥沙進(jìn)量(見表3)。

表3 臺風(fēng)浪試驗(yàn)?zāi)嗌硾_淤

在大浪試驗(yàn)后，取水口進(jìn)沙量較小，僅有較薄的一層。經(jīng)過多次反復(fù)多次試驗(yàn)，取水口內(nèi)泥沙最大淤積厚度約為0.3 m，取水口前部和兩翼泥沙在波浪的作用下產(chǎn)生淘刷。

6 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

2013年8月14日下午3：50，臺風(fēng)尤特登陸我國廣東省陽江市溪頭鎮(zhèn)(登陸時(shí)中心海平面最低氣壓955 hPa，地面最大風(fēng)速達(dá)42 m/s)。臺風(fēng)中心附近的浮標(biāo)已分別測得5.5 m和5.4 m的巨浪，影響日期為12—14日。臺風(fēng)尤特發(fā)生時(shí)，1、2號機(jī)組取水口運(yùn)行，3、4號機(jī)組還未建成。根據(jù)臺風(fēng)前后工程附近海圖對比，及水下探查來看，臺風(fēng)尤特造成電廠1、2號機(jī)組口門出淤積最大厚度達(dá)到1.5 m左右，淤積量約為410 m3。

對比大浪試驗(yàn)結(jié)果，1、2號機(jī)組在200年一遇高潮位4.16 m、遭遇9713號臺風(fēng)(S向，H4%=6.6 m)，且連續(xù)作用2 d條件下，1、2取水口口門處最大淤積厚度約為0.6 m，淤積量分別為50 m3和510 m3(見表4)。

表4 1、2號取水口臺風(fēng)浪泥沙沖淤

尤特臺風(fēng)在陽江登錄時(shí)風(fēng)力達(dá)到了42 m/s，引起的海域風(fēng)浪造成了陽江沿海的臺風(fēng)災(zāi)害，但沒有收集到臺風(fēng)引起的工程海域風(fēng)浪要素。臺風(fēng)強(qiáng)度高于9713號臺風(fēng)，但引起工程海域波高略小。

本次臺風(fēng)浪試驗(yàn)，模擬-17 m等深線附近臺風(fēng)浪，取水口附近海域床沙在大浪情況下的驟淤量與臺風(fēng)尤特相近，但最大淤積厚度有一定的差距，這與試驗(yàn)?zāi)M的海床形態(tài)以及周邊工程施工造成的海床擾動(dòng)有一定的關(guān)系。

從尤特臺風(fēng)后取水口周邊水下探查情況來看，模型試驗(yàn)選定的臺風(fēng)浪要素基本能夠代表取水口附近海域臺風(fēng)作用下泥沙的驟淤情況，試驗(yàn)結(jié)果與尤特臺風(fēng)后造成的取水口附近區(qū)域淤積規(guī)律基本一致。

7 結(jié)語

1) 模型泥沙起動(dòng)波高、泥沙輸移的率定、海床泥沙沖淤以及臺風(fēng)浪試驗(yàn)驗(yàn)證試驗(yàn)表明，物理模型能較好的實(shí)現(xiàn)波浪作用下近岸泥沙運(yùn)動(dòng)包擴(kuò)沿岸泥沙運(yùn)動(dòng)及海岸灘地沖淤演變規(guī)律相似。試驗(yàn)結(jié)果顯示取水口設(shè)計(jì)方案基本合理，應(yīng)對取水口前部和兩翼波浪淘刷進(jìn)行防護(hù)。

2) 工程附近海域受SSE向和S向強(qiáng)浪向的影響，工程海域潮流動(dòng)力相對較弱，含沙量小。根據(jù)取水口位置以及周邊泥沙環(huán)境分析，采用波浪動(dòng)力為主的床沙模型進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)茏プ≈饕?，解決波浪泥沙特性復(fù)雜問題，滿足試驗(yàn)任務(wù)的要求。

3) 臺風(fēng)浪對工程以及海域泥沙影響較大，一次大浪就可能造成海岸的淤積。物理模型試驗(yàn)應(yīng)注意在臺風(fēng)浪作用下模型的驗(yàn)證和試驗(yàn)，盡可能查找歷史臺風(fēng)暴潮水文信息和泥沙預(yù)計(jì)相關(guān)資料，選取合適的水文參數(shù)開展試驗(yàn)工作，保證工程取水安全渡險(xiǎn)，高效運(yùn)行。

4) 我國大型火/核電廠及重要港口，均位于沿海灣區(qū)，潮流、臺風(fēng)及波浪下的泥沙影響研究是其中最重要、最復(fù)雜的專題研究之一。本文通過實(shí)測臺風(fēng)過境取水口附近海域地形變化，證明波浪泥沙物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)合理，泥沙淤積量級基本一致，同時(shí)也可為泥沙問題數(shù)值模擬研究提供依據(jù)。