濱海電站取水對港內船舶水流力試驗研究

韓春曉，楊艷靜，陳漢寶，沈文君，周志博，張亞敬

(1.中交天津航道局有限公司，天津 300461； 2.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222；3.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)

一般而言，當濱海電站采用海水直流冷卻供水系統時，其取、排水工程基本布置在濱海電站配套的港口水域。為了保證電廠取水口水面穩定，受波浪影響小，電廠冷卻水取水工程一般布置在港池內。當取水口位置距離船舶航行路線或泊位較近并且電廠取水量較大時，因取水引起的港內水流變化將直接影響船舶在港內的航行和安全靠離泊操縱，尤其是進港船舶在失去動力的情況下，水流力對其安全影響不可忽視。已有研究多從特定電站港口離靠泊時船舶及拖輪操縱等角度討論[1-5]，尚未有針對電站取水影響下船舶失去動力情況開展研究分析。本文以建設中的印度尼西亞芝拉扎燃煤電站三期1×1 000 MW機組及擴建項目為例，對無動力的運煤駁船所受水流力進行試驗研究。該電站一期、二期工程均已建設完成，裝機容量分別為2×300 MW和1×660 MW，一、二期取水流量分別25 m3/s和34.5 m3/s，一期取水工程為明渠，明渠入口正對港池口門，二期取水口位于港池內。擬建的三期及擴建工程總裝機容量達到2×1 000 MW，取水口緊鄰一期工程取水口，取水量為98 m3/s，這樣一、二、三期及擴建工程同時運行時，總的取水量達到157.5 m3/s，取水水體均需流經港區口門區域達到取水口，同時該電站運煤的主力船舶為自身無動力駁船，需由拖輪拖帶進港。由于該工程為擴建項目，可利用的水域有限，運煤駁船在回轉水域轉彎過程中或拖輪失去動力時，拖繩松弛將導致駁船不會受到拉力的作用，在電站取水水流作用下容易發生撞擊事故，影響電站安全運行。為此，通過開展物理模型試驗，分析無動力船舶在港內取水水流作用下所受水流力，評估存在的風險，為取水設計方案比選提供依據，也為同類濱海電站工程提供參考。

1 工程概況

針對該項目的取水口方案有兩種設計方案，分別如下：

方案1中取水明渠部分為南側進水設計方案(圖1)。方案 1在一期取水明渠的基礎上進行改建。原明渠東堤堤頭拆除，其余部分保留；改造原明渠西堤，將明渠西擴；西側原堤頭保留，并向海域延伸。取水明渠設計底高程為-4.5 m。

方案2中取水明渠為東側進水設計方案(圖2)。該方案在原取水東堤距岸約50 m處向海側開口，形成明渠入口，明渠底高程為-4.5 m，新明渠入口設計斷面高程-4.5 m、底寬100 m。

本文旨在研究不同方案對港內流場的影響，重點研究不同取水方案時的流場變化。由于港內受防波堤掩護效果較好，波浪較小，因此在模型中未考慮波浪的影響。

2 模型設計與制作

本模型為取水條件綜合作用下的船舶受力物理模型，研究方法主要依據相關的規范[6-9]和以往的工程經驗[10-12]，遵照規范按照重力相似準則設計模型，采用正態定床整體物理模型，在保證模型尺度與測量精度要求下，結合試驗場地和設備性能，該模型幾何比尺取為50。模型地形制作采用樁點法，建筑物按照設計結構斷面鋪設，平面尺寸及高程偏差均滿足規范要求。

船模按重力相似設計需要滿足以下條件：

(1)幾何相似：模型船與原型船保持幾何相似。

(2)靜力相似：采用配重方法，在適當位置放置適當的重物，使其符合不同載重時的重量及其分布要求，并保證重心的縱向和垂向位置相似。

(3)動力相似：對船模的質量慣性矩進行校準，保證其橫搖及縱搖周期符合相似條件。

本模型中，14 000 DWT駁船主要參數(包括實型和模型)如表1所示，制作好的船模如圖3所示。

表1 14 000 DWT駁船主要尺度與參數(比例尺1:50)Tab.1 The main parameters for 14 000 DWT barge (1:50)

本試驗主要對電廠取水時，取水口附近、航道關鍵位置以及碼頭前沿處流速進行觀測，測定船舶在航道不同關鍵位置處時G流作用產生的水流力。水流流速采用“小威龍”聲學多普勒三維點流速儀進行測定，該儀器流速測量范圍為0～3 m/s，精度為測量值的±0.5%±1 mm/s，采樣頻率1～10 Hz。水流力的測定采用系纜力測量方法(圖4)。 纜力傳感器量程為 30 N，精度為滿量程的0.05%。

3 試驗結果分析

3.1 取水對附近水域流場的影響

試驗水位是平均水位 1.21 m(基面為MSL)，由于取水流量較大，為了評估本次取水工程對港池航道流場的影響，因此在研究該問題時未考慮波浪的影響。在工程現狀、方案 1和方案2中各布設了流速測點，位置見圖5～圖7，圖8為試驗中的流態圖。各方案相應測點的流速以及流向結果見表2。從表 2可以看出，港池內的流速在各個取水方案時的差別不大，取水口附近水域流速最大。方案1取水口正對航道，在電廠取水過程中會產生較大的流速(CS7、CS8點的流速分別為0.21 m/s 和0.26 m/s)，影響船舶航行安全。方案2取水入口在港池內，取水口附近水域流速為0.28 m/s，但該取水口位置距離船舶航行區域較遠，影響到船舶回轉水域時的流速僅約為0.04 m/s。從試驗的結果也可以看出，方案1和方案2與現狀比較，由于取水流量的增大，取水明渠入口處的流速會顯著增大。

表2 各方案測點流速Tab.2 The velocity for test points

圖8 港區及取水明渠流態圖Fig.8 Flow pattern of port area and open water intake channel

3.2 取水對船舶受力的影響

電廠取水會在航道內產生橫向流速，而橫流會對船舶產生橫向的水流力。橫向水流力是評價取水對船舶影響的最重要參數。為評估三期取水工程對船舶失去動力后受力的影響，模擬了駁船進港靠泊過程的軌跡線。根據軌跡線以及港池航道流速測量結果，在工程現狀、方案 1和方案 2中選取有代表性的位置布置水流力測點，測力位置見圖9。與現狀相比，在方案1和方案 2中，增加了取水口附近的船舶水流力測試，旨在模擬駁船失去外部協助作用后的情況，即最不利工況。各方案相應測點的水流力以及各向分力結果見表3。從試驗結果可以看出，現狀方案由于取水量較小，同時取水入口距離一期口門航道較遠，港池及航道駁船所受水流力較小，分別為3.19 kN和8.82 kN，該水流力對船舶的航行影響很小。對于方案1和方案2而言，由于取水流量的增大，使得取水入口處水流流速增大，相應的駁船在取水入口位置所受的水流力也增大。尤其是方案1，取水入口針對一期口門航道，航道處水流力橫向力可達87.33 kN，取水入口處水流力橫向力可達121.97 kN，此時若拖輪失去動力或者拖輪拉繩松弛，駁船將會受水流力的作用偏離航道向取水入口方向移動，可能堵塞取水入口，甚至撞擊取水明渠導流堤。對于方案2，取水入口處的水流橫向力也較大，可達115.21 kN，根據該結果結合以往工程實際經驗，建議在取水入口處設置防撞樁，避免駁船失去動力情況下撞擊取水入口處導堤和堵塞取水入口，引起電廠取水安全。方案2與方案1比較，方案2取水入口正對港池，港池相對航道而言船舶運動水域較大，港池中船舶所受水流力也較小，綜合比較，方案2可作為取水工程布置的推薦方案。

表3 各方案測點水流力Tab.3 Force results kN

4 結語

本文中的工程港區運營船舶是無動力的駁船，該船型在國內港區不常見，但在東南亞等國外濱海電廠工程中主要是該類型船舶運輸煤炭和灰渣。從文中工程實例研究結果來分析，當濱海電廠取水流量較大，且取水入口靠近駁船航行和靠泊路線時，取水引起的船舶水流力是船舶航行及系靠泊安全需要考慮的因素之一，特別是駁船在失去動力后，水流力對船舶安全會產生較大的風險，這也是取水工程平面布置設計時需要考慮的一個重要因素。

因此本文通過物理模型試驗模擬了三期取水后的流量，測試了航道與港池的流速分布以及船舶航行不同位置時所受的水流力大小，通過分析不同方案的流速分布以及受力大小，給出了推薦的方案。結論如下：

(1)各取水方案對港池的影響都很小，采取不同方案時，港池內的流速均未超過0.08 m/s。

(2)不同取水方案對航道口門處的影響明顯，其中方案1的取水口位置正對航道，產生的橫向水流力較強，會對失去動力的船舶造成較大的危險。從安全條件角度考慮，推薦采用取水口布置方案2。

(3)通過分析不同取水方案時的船舶受力可知，一期口門處航道方案1橫向受力最大，方案2次之，現狀最?。辉诟鄢貎?個方案船舶受力差別不大。