某濱海電廠取水口波浪泥沙模型試驗研究

吉紅香,邱 靜,黃本勝

(1.廣東省水利水電科學研究院,廣東 廣州 510635；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室,廣東 廣州 510635；3.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，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，特別是濱海火/核電廠，取水防沙是保障電廠安全運行的重要工作。一般電廠的選址和設計考慮的因素多，如區位、地質、交通、土地、水文、水源以及周邊生態資源狀況等諸多因素，也為電廠的取水口布置設計帶來諸多限制。為了優化取水口的布置，進行電廠取水防沙問題的研究，對于確認電廠功能區布置的合理性，以及電廠安全、高效運營具有重要的實際意義。

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，二是波浪泥沙數值模擬。數值模擬是針對研究對象和需要解決的問題，采用合適的數學物理方程，按定解條件進行數值求解的方法[1]。波浪泥沙物理模型將研究對象則按一定的相似準則縮制而成的實體模型。關于試驗具體方法的文獻不多，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，驗證和試驗較為復雜。隨著計算機技術的發展，數值模擬節省人力、物力和時間，發展很快。而物理模型試驗結果直觀，在研究取水防沙等局部工程布置優化等復雜問題時，仍是解決實際問題的重要方法[2-3]。本文用波浪泥沙物理模型試驗的方法研究某濱海火電廠取水口的優化，通過波浪泥沙試驗，驗證取水口設計的合理性，以及取水防沙效果，根據試驗結果為工程設計提出相應的技術參考。

2 工程區域水文泥沙特性

該火電廠位于華南沿海青海灣，工程循環冷卻水采用南取北排的方式，取水頭部設置在電廠煤碼頭廠區南端煤碼頭防波堤西面，排水口設于防波堤的北側，取排水口布置見圖1。工程已經建成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，以及電廠循環水等多因素綜合影響，需對取水口工程布置方案進行波浪泥沙模型試驗驗證，并根據試驗結果和相關資料對3、4號取水口進行優化，推薦工程量最省、泥沙環境影響程度最小的取水工程方案，并為本期項目取水口優化設計等提供技術依據。

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%，常浪向為NE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。根據波浪周年觀測數據，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%。西南季風強浪向為SSE～S，東北季風期強浪向多為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半日潮流，具有一定往復流成分的旋轉流。表、中、底3層的潮流方向相差不大，基本上與岸線平行，海區漲潮流流向為WS～WSW，落潮流向為SE～SSE，基本與岸線平行。工程海區流速較小，流速量值范圍在0.09～1.30 m/s。

流速資料的分析表明，本海區在觀測期間的余流主要方向為西南方向的沿岸流及一定強度的風海流，其中夏季以風海流為主，冬季則受沿岸流影響較大。工程海區余流流速不大，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 試驗范圍泥沙環境

由于海灣為沙質海岸和巖石海岸，波浪侵蝕所產生的泥沙很少呈懸浮狀態，而海床底沙受波浪潮流聯合作用后參與懸沙組成。據調查，在大風浪條件下，整個工程海區底沙都能被掀動，被掀起的泥沙在潮流和沿岸流作用下，能造成岸灘的嚴重侵蝕。

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；漲急與落急時大，漲平與落平時小。

近岸海灘以粗顆粒沉積為主，外海區則以細顆粒沉積為主，工程海域屬于沙質海岸。

3.2 海岸與海床演變特征分析

工程海區海床由于以花崗巖島礁為基礎，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。

電廠選址在海灣兩沙質圓弧海岸之間的岬角段，弧形沙質海岸是在上、下岬角控制下，沙質海岸在泥沙供應不足的條件下，優勢波浪沖擊海岸形成的一種波浪動力和沿岸輸沙率相適應的動態平衡狀態的海岸。

4 模型設計、率定及試驗組次

試驗研究取水口附近區域的泥沙淤積問題，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現取水的合理性，減少或防止取排水口區域的泥沙淤積和取水口的泥沙輸移量。模型設計時重點考慮如下主要因素[2]：

1) 波浪動力

工程海區近岸的泥沙運動及海灣的演變動力主要為波浪動力，工程海區潮差小，潮流相對較弱，對近岸的泥沙運動影響較小。

2) 泥沙情況

海區水體含沙量較小，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動相似(包括波浪折射、繞射等)，而且還要同時滿足泥沙運動相似(包括泥沙起動、沉降、沿岸輸沙、向岸離岸輸沙以及沖淤部位等)。對于動床泥沙模型來說，最關鍵的是通過模型驗證達到試驗沖淤演變相似以及確定沖淤時間比尺。

4.1 模型沙的選配

海岸為沙質海灘，根據以往的工程經驗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顆分結果：容重為1.50 g/cm3，所選配的模型沙中值粒徑D50=0.212 mm。

根據電廠地形圖中規劃的海域范圍，綜合考慮對研究范圍有影響的區域、試驗場地的條件以及波浪泥沙試驗規程要求(平面比尺不宜大于300)，模擬工程附近原體海域為4.1 km×3.9 km的范圍進行模型試驗。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，并綜合考慮初步計算的泥沙起動波高比尺，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 相似準則和比尺

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

為了消除變態模型對波浪反射的影響，將防波堤碎石護面做成正態，以保證堤前反射相似，試驗中為了消除海岸坡度的反射影響，在制作模型時，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 模型驗證

可用于定量對比的地形實測資料較少，本試驗采用CERC公式[5]計算確定的經過海灣中段的海岸沿岸輸沙率為原型代表，然后在驗證試驗確定的模型波要素的基礎上，根據海灣內不同方向波浪作用下海灘地形的實際沖淤量，確定經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，隨波浪的輻聚、輻散而增加、減小；αb為破波角，即波浪破碎時波峰線與岸線的夾角。

根據公式可算得不同波向、不同波級的輸沙率，據其出現頻率計算由東向西(西)和由西向東(東)兩個方向的全年輸沙率。

Q東=∑(QL)P東

Q西=∑(QL)P西

(2)

根據前面分析計算，在SSE向浪作用下原型經過海灣中部斷面全年沿岸輸沙率為4.44×104m3/a，波浪實際作用時間按能量法折算，相當于波高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計算，則原型在實際波浪作用時間內的平均沿岸輸沙率為2.86 t/h。模型率定中發現，動床驗證試驗180 min計算經過海灣中部輸沙情況與工程海域泥沙淤積的情況相似，經試驗測量該斷面平均輸沙率為0.021 t/h，取時間比尺為172，由此得到模型中SSE向波浪作用1.07 h相當于該方向原型1 a內波浪作用。

4.4 模型比尺

通過模型率定、驗證情況以及模型沙的特征，反復試算[4]，確定模型各項比尺如下：

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，沖淤時間比尺λt=172。

根據火電廠所處的位置以及工程區域所在的水文泥沙特性，擬定了兩個方向的正常浪試驗組次，模擬歷時為1 a；1個臺風浪模擬組次，模擬歷時為2 d。試驗組次的要素組成見表1。物理模型試驗中取水排水口等構筑物根據原型位置、尺寸按模型比尺縮放模擬，圖3為試驗模擬的取水口。

表1 試驗組次

圖3 取水口模型布置示意

5 試驗結果

試驗以正常浪代表波和大浪要素模擬長期與短期的海岸動力要素，對取排水口附近海域進行動床波浪泥沙試驗，觀測波浪場、海床的沖淤變化、取水口泥沙淤積量，分析風浪對取水口的影響以及取水口設置的合理性，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計方案的最終選定提供依據。

5.1 正常浪試驗

由于電廠廠區填海及防波堤建設后，改變了原岬角與海灣相間的近岸環境以及灣內波浪傳播的特性，形成新的岬角與電廠防波堤近岸海灣環境。表現為從南向外傳來的SSE和S向主向波浪受到防波堤的影響發生反射甚至破碎，由此帶動泥沙在堤前運動，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，取水口處淤積形態呈波紋狀。經多組試驗測得：在S向波浪相當于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，泥沙向岸運動不明顯，取水口附近海域泥沙擾動較小，4號機組西側的海灘，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，取水口內略有泥沙沉降。經多組重復試驗，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量見表2所示：在SSE向波浪相當于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 臺風浪試驗

考慮到臺風浪常伴隨增水現象，試驗選取200年一遇高潮位4.16 m、遭遇9713號臺風(強熱帶風暴)，且連續作用2 d作為臺風驟淤的試驗條件。9713號臺風在廣東省雷州登陸，登陸時中心最大風力12級，下午進入北部灣，23日晨4：00～5：00在越南鴻基市再次登陸。9713號臺風登陸點不在工程海域，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咀，波浪在石墳咀—長環咀—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，波浪引起床沙運動，取水口內易產生泥沙淤積。經過多次重復試驗，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量(見表3)。

表3 臺風浪試驗泥沙沖淤

在大浪試驗后，取水口進沙量較小，僅有較薄的一層。經過多次反復多次試驗，取水口內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生淘刷。

6 試驗結果驗證

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

對比大浪試驗結果，1、2號機組在200年一遇高潮位4.16 m、遭遇9713號臺風(S向，H4%=6.6 m)，且連續作用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號取水口臺風浪泥沙沖淤

尤特臺風在陽江登錄時風力達到了42 m/s，引起的海域風浪造成了陽江沿海的臺風災害，但沒有收集到臺風引起的工程海域風浪要素。臺風強度高于9713號臺風，但引起工程海域波高略小。

本次臺風浪試驗，模擬-17 m等深線附近臺風浪，取水口附近海域床沙在大浪情況下的驟淤量與臺風尤特相近，但最大淤積厚度有一定的差距，這與試驗模擬的海床形態以及周邊工程施工造成的海床擾動有一定的關系。

從尤特臺風后取水口周邊水下探查情況來看，模型試驗選定的臺風浪要素基本能夠代表取水口附近海域臺風作用下泥沙的驟淤情況，試驗結果與尤特臺風后造成的取水口附近區域淤積規律基本一致。

7 結語

1) 模型泥沙起動波高、泥沙輸移的率定、海床泥沙沖淤以及臺風浪試驗驗證試驗表明，物理模型能較好的實現波浪作用下近岸泥沙運動包擴沿岸泥沙運動及海岸灘地沖淤演變規律相似。試驗結果顯示取水口設計方案基本合理，應對取水口前部和兩翼波浪淘刷進行防護。

2) 工程附近海域受SSE向和S向強浪向的影響，工程海域潮流動力相對較弱，含沙量小。根據取水口位置以及周邊泥沙環境分析，采用波浪動力為主的床沙模型進行試驗能抓住主要矛盾，解決波浪泥沙特性復雜問題，滿足試驗任務的要求。

3) 臺風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。物理模型試驗應注意在臺風浪作用下模型的驗證和試驗，盡可能查找歷史臺風暴潮水文信息和泥沙預計相關資料，選取合適的水文參數開展試驗工作，保證工程取水安全渡險，高效運行。

4) 我國大型火/核電廠及重要港口，均位于沿海灣區，潮流、臺風及波浪下的泥沙影響研究是其中最重要、最復雜的專題研究之一。本文通過實測臺風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設計合理，泥沙淤積量級基本一致，同時也可為泥沙問題數值模擬研究提供依據。