印尼爪哇電廠排水明渠水沙特征分析及防護研究

周鑫強，曾 昊，解鳴曉，楊 華，趙會民，劉國亭

（1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456）

引 言

爪哇7號燃煤發電工程位于印尼爪哇島西北角的萬丹灣內、雅加達西北約100 km，西距芝勒貢市約6 km，東南距西冷市約15 km，東北距默拉克港約13 km。為電廠的建設期與運營期服務，建設內容還包含2個14 000 DWT卸煤駁船泊位、引橋、電廠取、排水導流堤、1個3 000 DWT重件碼頭、電廠場區護岸等配套工程。

2016年4月～10月，對本項目開展了水文觀測、動力地貌分析、特征水位推算、數學模型試驗、整體物理模型試驗等一系列研究專題工作[1-4]，研究成果已成功應用于工程實際，取得了良好效果。然而，目前在電廠排水明渠東側臨近處建設MNA大型圍填海工程，工程面積較大，形成的陸域與現有電廠引堤的堤頭平齊，極大程度改變了整個河口及電廠取排水海域的水沙環境，將對Terate河進出的漁船通航造成影響，同時引起電廠引堤沖刷風險，原有排水方案的設計參數必須加以修訂。鑒于以上原因，需重新針對新的邊界條件重新開展分析論證，為電廠排水口及引堤防護方案的設計參數修正提供準確、科學的依據。

本文在綜合分析工程海域水動力泥沙環境實測資料的基礎上，結合潮流泥沙整體物理模型試驗成果，評估不同平面方案下的排水明渠內流態、地形沖淤分布，從設計角度對方案提出合理化建議。

1 研究區域概況

1.1 工程方案概況

本工程機組采用海水直流冷卻系統，冷卻水采用海水，采取明渠暗涵取水、明渠暗涵排水的方式，取水口距離廠區約1.7 km。明渠一側利用碼頭引堤，外側設置200 m的板樁隔熱堤。取水明渠與重件碼頭航道結合，并在靠近廠區的位置布置重件碼頭。

取水口布置在電廠東北側，在電廠北側的船廠東南角建設北導流堤與碼頭引堤形成取水明渠，靠近電廠段通過挖槽形成取水通道，電廠取水明渠近岸處兩側建設北導流堤。排水口布置在碼頭引堤南側。并在排水口北側設置短導流堤，南側設置150 m的長導流堤。一期工程建設2×1 050 MW機組，循環水流量為76.37 m3/s。

圖1 電廠及MNA圍海方案平面布置

煤炭碼頭布置在電廠東北側天然水深-8.4 m處，通過 1 231 m的引橋、200 m板樁隔熱堤和2 268 m的引堤連接后方電廠。煤炭碼頭前沿停泊水域寬55 m，設計底高程為-8.4 m，回旋水域設計底高程為-8.8 m，航道通航寬度為108 m，設計底高程為-8.8 m。該方案天然水深基本滿足設計需求，無須開挖。

MNA圍填區位于Terate河東側，靠近電廠排水口一側建設有1 775.43 m實體引堤和1 184.47 m引橋，圍填區寬849.84 m。填海范圍外兩側建設透空式棧引橋和碼頭若干個。工程平面布置見圖1。

1.2 工程海域水動力泥沙環境

1）地形地貌特征

圖2示意了2016年4月實測萬丹灣水深分布情況。由圖2可知，工程區海域-5 m等深線離岸約2～3 km，灘面總坡度在2 ‰左右，總體來說灘面平坦，呈典型淤泥質海岸地貌特征。

圖2 工程區海域（萬丹灣）水深地形情況

2）潮汐與潮流

萬丹灣處在半日潮和全日潮的過渡區，廠址潮汐性質較為復雜，但潮差很小，大潮潮差在 0.7 m左右；潮流主要呈往復運動，屬不規則全日潮。

據天科所在2016年4月17日～18日（小潮）、4月21日～22日（中潮）和4月25日～26日（大潮）期間6個水文測站的觀測資料顯示（見圖3與表1），該海域潮流較弱，流速總體呈大潮大于中潮，中潮大于小潮的趨勢；大潮平均流速在0.06～0.19 m/s之間，中潮平均流速在0.04～0.14 m/s之間，小潮平均流速在0.05～0.08 m/s之間；大潮垂線平均最大流速為 0.33 m/s，出現在 C4#測站。由近岸向灣口流速有增大的趨勢，工程區取排水附近 C1#測站平均流速在0.05 m/s左右，最大流速僅0.13 m/s，天然潮流流速很低。

近岸C1#、C2#站西流和東流流速相差不大，位于灣口附近的 C4#、C5#、C6#站東流流速略大于西流流速，如 C6#站西流平均流速 0.10 m/s，東流平均流速為0.26 m/s。

圖3 2016年4月實測各測站潮流矢量

表1 各站不同潮次垂線平均流速特征統計（2016.04）

3）底質分布特征

據對萬丹灣及工程區采集的 72個底質樣品結果分析顯示[2]，萬丹灣底質較細，全灣底質中值粒徑在 0.003～0.135 mm 之間，平均中值粒徑為0.011 mm；底質中值粒徑稍粗的樣品主要分布在Panjang島附近，其他區域中值粒徑一般都在0.006～0.008 mm之間；粘土含量在17 %～62 %之間，平均為50.8 %。底質類型以粉砂質粘土（TY）為主，部分為粘土質粉砂（YT），有少量的粉砂質砂（TS）和細砂（FS），呈典型淤泥質海岸底質特征。

4）上游徑流特征

電廠排水明渠位于Terate河口外側，該河流為典型山溪型，旱季時幾乎無流量下泄，雨季時可有雨洪匯入并下泄。據山東電力咨詢院院有限公司采用 5點法推算的洪水數據，圖 4和表 2中給出了Terate河口上游下泄不同重現期流量過程及對應數據。圖中可見，雨洪過程呈尖峰型，其中大流量集中在洪峰時刻，并迅速消散，作用時間較短。

圖4 Terate河上游不同重現期洪水流量過程曲線

表2 Terate河上游不同重現期洪水流量

2 物理模型試驗概況

2.1 模型概況

對排水渠道內不同方案的試驗及分析基于潮流泥沙整體物理模型，由交通運輸部天津水運工程科學研究所開展。模型設計采用大比例尺、小變率的形式，平面比例尺為100，垂直比例尺為30，變率 3.3。考慮到外海潮流、洋流主向均與寬渠道基本垂直，外部潮流和泥沙較難傳入渠道內，模型中外海采用清水，即不考慮懸沙運動。針對關心區域采用局部動床，其他區域采用定床。Terate河無上游來沙資料，考慮到保障工程安全，對Terate河上游采用清水下泄的形式。

受洪水和排水下泄流量影響，特別是在大洪水作用下，底部泥沙可大量起懸，并隨流向渠道口門輸送。因此，在模型沙的選取中，應保證同時滿足起動相似和沉降相似，經論證，模型選擇比重為1.20 kg/m3的褐煤作為模型沙，平均中值粒徑D50為0.08 mm。具體模型設計理論、設計細節詳見文獻[5]。圖5給出了物理模型全景。

圖5 潮流泥沙整體物理模型試驗全景

2.2 試驗工況

本電廠工程排水口設置在引堤南側，MNA陸域圍海形成后，與電廠引堤一同構成寬渠道，最窄處約200 m。寬渠道內的疏浚深度是本次研究的重點，首先要保障渠道形成后在電廠排水和上游洪水作用下的漁船通航安全，其次要降低極端水情下電廠引堤堤腳沖刷的風險。

基于以上考量，同時兼顧對比論證，設計了 3種不同形式的疏浚方案。平面布局見圖6所示：（a）為-3 m疏浚方案，將河口至電廠引堤轉彎段間的地形統一疏浚至-3 m底高程（高程為平均海平面，下同）；（b）為優化疏浚方案，在-3 m疏浚方案的基礎上，對MNA切角附近，以及排水導流堤與河口南岸之間的區域保持原泥面，同時將排水導流堤長度縮短50 m；（c）為原泥面方案，寬渠道內所有水深均維持天然泥面高程狀態。在寬明渠的外海口門處，天然底高程約為-5.0 m左右。

圖6 寬渠道內不同疏浚方案布置

3 試驗成果分析

3.1 百年一遇洪水下渠道內流態特征

在河口及寬渠道內共布設 36個流速測站，對整個渠道內的流速平面分布進行了測量。圖7給出了不同疏浚方案下的100年一遇洪峰最大流速及對應流向，圖8示意了不同方案條件下的模型流態。通過分析流速數值和模型流場，得到以下主要結論：

1）對統一疏浚至-3 m工況而言，100年一遇洪水作用下，河口下泄洪峰流量達到292 m3/s，河口區流速強勁，直沖排水導流堤堤頭，局部最大流速達到2.95 m/s；電廠引堤的沿堤區域流速均較強，在0.69～1.50 m/s間；在偏向引堤一側的強流速驅動下，MNA切角處至引堤轉彎段構成的寬闊水域內發育回流，引起MNA圍堤一側較強的反向流速，局部回流流速可超過1.0 m/s。洪峰水體繞過電廠引堤轉彎段后，水流逐漸歸于中軸，主流線偏于MNA圍堤一側；至寬渠道外海口門附近，流場逐漸平順，洪峰流速在0.2～0.4 m/s左右。

2）優化疏浚方案在統一疏浚至-3 m的條件下，將排水導流堤縮短50 m，并保留MNA切角和排水導流堤內側的原泥面。根據試驗所得流場，優化后排水導流堤堤頭挑流略有減弱，約為2.77 m/s，但洪峰主線略向西偏轉；需指出的是，Terate河口方向與引堤存在較大夾角，且電廠排水沿引堤行進，因此渠道內的大范圍回流不能從本質上消除，MNA切角保持原泥面后，圍堤根部的回流流速略有降低。至電廠引堤轉彎段以外，流場分布與統一疏浚至-3 m的工況差異不大。

3）原泥面條件下，整個渠道轉彎段以內地形抬高，縮小了過水斷面面積，100年一遇洪峰作用下，淺灘流速較疏浚后有顯著提高，排水導流堤堤頭最大流速超過3.0 m/s，渠道中軸流速絕大部分超過1.0 m/s，并在電廠引堤形成較強的沿堤流；由于水深減小，水流盤旋效應減弱，河口區流態較復雜。

圖7 河口及寬渠道內洪峰最大流速及流向

圖8 不同方案河口及寬渠道內洪峰流態

3.2 五年一遇洪水下渠道內流態特征

對漁船通航而言，采用5年一遇洪峰條件下的最大流速作為控制閾值條件。圖9給出了不同疏浚條件下的5年一遇洪峰最大流速及對應流向，圖10示意了物理模型中的洪峰流態特征。經分析，得到以下主要結論：

1）對地形疏浚至-3 m工況而言，5年一遇洪峰作用下，河口下泄流量僅在15.2 m3/s左右，顯著小于電廠2臺機組排水流量（76.37 m3/s），導致流場主線偏向電廠引堤一側，在渠道內形成較大范圍回流。在電廠引堤轉彎段以外，流速相對較低，最大流速在0.1～0.2 m/s左右，漁船通航較安全。

2）對原泥面而言，由于灘面較淺，流速較疏浚至-3 m條件下有所提升，在電廠引堤轉彎段以內最大流速在0.3～0.4 m/s左右，轉彎段流速也較疏浚方案有所增大。同時在明渠轉彎段內側至河口區域形成局部多回流的形態。考慮到漁船尺度較小，通航橫流宜在0.25 m/s以內，該工況對漁船通航而言存在一定風險。

基于試驗結果，從明渠內流態來看，均在引堤轉彎段及其以內的河口區有一定的回流存在，其中原泥面方案下呈多回流存在的復雜流態，轉彎段附近存在相對較強的區域，至于兩個疏浚方案，則主要呈單一的大范圍回流，流速量值兩側大，中間小。因此，對漁船通航安全而言，宜對渠道進行疏浚。

圖9 排水渠道內5年一遇洪峰最大流速及對應流向

圖10 各方案河口及寬渠道內5年一遇洪峰流態

3.3 百年一遇洪水下渠道內沖淤分布

對電廠引堤的防護，標準采用100年一遇洪水過程下的沖刷深度作為控制條件。圖 11給出了不同地形條件下的100年一遇洪水過程作用下的地形沖淤分布。經分析，得到以下主要結論：

1）工程海域外海潮汐弱，潮流主向為沿岸運動，難以進入寬渠道內深處，加之波浪掩護效果良好，因此控制渠道內地形沖淤的主要控制性動力來自河口下泄洪峰和排水的共同影響，外海潮流和波浪作用可忽略。

2）沖刷趨勢整體與洪水流線接近，需指出隨著地形的逐漸沖深，洪水逐漸向沖刷后的深槽匯聚，進一步加大了沖刷深度。

3）無論何種地形方案，均體現出河口區發生劇烈沖刷，局部沖深可達3～4 m，這是由于100年一遇洪峰最大流量可達292 m3/s，河口流速極強，且存在劇烈的紊動摻混，導致地形持續下切。對現有排水口外側護底區域而言，在洪水和排水的綜合頂托效應下，發育局部亂流區，可發生一定的局部淤積。

4）對統一疏浚至-3 m方案而言，洪水直沖排水導流堤堤頭，并向電廠引堤一側行進，形成沿堤流動，持續沖刷引堤的堤根和外側海床，根據試驗數據，沖刷深度在0.5～1.0 m間；至電廠引堤轉彎段以外，沖刷逐漸降低，這是由于起懸的泥沙開始補充該區域，并在流速進一步減弱后沉積，其他部分泥沙則被明渠水流帶出口門外，淤積于外海側；MNA切角處地形堆積，與回流區發育有關。

5）對優化疏浚方案而言，由于較統一疏浚方案變動僅為局部區域，總體來說沖淤分布趨勢類似，但排水導流堤的縮短使河口洪峰流線發生微調，強沖刷段向內移動，電廠引堤堤腳一線沖刷深度同樣在0.5～1.0 m間。

6）對原泥面方案而言，水深淺化后流速增強，沖刷范圍、深度均較疏浚至-3 m后有明顯增大，電廠引堤一線沖刷在0.8～1.5 m間。從沖刷形態角度，原泥面方案的沖刷槽更接近渠道中軸。

圖11 河口及寬渠道內洪水過程下地形沖淤分布

3.4 對漁船通航及引堤防護分析

依據不同洪水條件下的流場分布、沖淤變化趨勢的試驗成果，對漁船通航安全、電廠引堤防護有以下分析：

1）對漁船通航而言，重點在于兩點，首先是流速量值和流態，其次是通航水深的穩定性。根據試驗結果，將渠道疏浚至-3 m后，渠內在5年一遇洪水作用下發育一個較大范圍的回流，但流速較低，特別是較大流速位于排水區域和MNA切角處，而渠道中軸流速在0.25 m/s以內；原泥面條件下，渠道中軸最大流速可接近 0.4 m/s，且出現多個回流，惡化了漁船通航條件。

2）從通航水深穩定性角度來看，Terate河為典型的雨洪山溪型河流，在絕大多數時間內河道徑流很低甚至斷流，在這種情況下，整個河口區受MNA圍海的影響，成為“死水區”。盡管工程海區含沙量低、河口來沙量也不多，但在長年累月的影響下，最終還是會逐漸堆高。因此，如保持原泥面不開挖，待將來地形堆高后，可能在河口形成攔門淺灘，導致漁船擱淺，難以進出河口，是較難防控的風險。

基于以上考量，對泥面進行疏浚，不僅可保障漁船通航流速，同時也相當于在河口外側設置了“儲沙池”，降低了河口淤塞的風險，是有效的舉措。

3）從地形沖刷角度，當 100年一遇洪峰來臨時，均可超過淤泥的起動流速，勢必對河口區及電廠引堤的堤根形成一定強度的沖刷。因此，無論是疏浚至-3 m還是保持原泥面，均建議對引堤自排水口處至轉彎段進行合理的堤腳防護，以保障電廠引堤結構安全。

綜合以上分析，建議設計方對排水導流堤、引堤堤腳進行合理防護，同時將河口外側適當疏浚至-3 m，以保障漁船通航和引堤結構安全。

4 結 論

采用潮流泥沙整體物理模型試驗，對神華國華印尼爪哇7號2×1 050 MW燃煤發電工程方案的排水明渠局部潮流泥沙特征開展研究，評價了不同疏浚方案對漁船通航、廠區防洪和引堤沖刷的影響，得到以下主要結論：

1）工程海域外海潮汐弱，潮流主向為沿岸運動，難以進入寬渠道內深處，加之波浪掩護效果良好，因此控制渠道內潮流場和地形沖淤的主要控制性動力來自河口下泄洪峰和排水的共同影響，外海潮流和波浪作用可忽略。

2）5年一遇洪峰時，-3 m疏浚方案和優化方案在渠道內形成較大范圍回流，在引堤轉彎段以外，流速相對較低；原泥面方案流速較疏浚方案有所提升，在電廠引堤轉彎段以內最大流速接近0.4 m/s，轉彎段流速也較疏浚方案有所增大，形成多回流的形態，且有河口淤塞的風險，對漁船通航安全不利。

3）100年一遇洪水條件下，河口區發生劇烈沖刷，局部沖深可達3～4 m。對-3 m疏浚方案和優化疏浚方案而言，引堤轉彎段以內的沿程沖刷深度在0.5～1.0 m間；對原泥面方案而言，水深淺化后流速增強，沖刷范圍、深度均較疏浚至-3 m后有明顯增大，電廠引堤一線沖刷在0.8～1.5 m間。

基于試驗數據，應對排水導流堤、引堤堤腳進行合理防護，同時將河口外側適當疏浚，以保障漁船通航和引堤結構安全。