碼頭下重疊式取水布置研究

唐 勇，曾 華，廖內平

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

濱海或濱江的電廠，如設置有專用煤碼頭，取水設施一般需要結合碼頭進行布置，可以充分利用碼頭航道所具有的良好水深條件和清淤條件，從而節省工程造價和運行費用。根據碼頭的型式及特點，目前取水布置多采用與有港池的碼頭結合設計、取水明渠設置于碼頭后方和碼頭上游布置箱涵取水頭等方式，但對于在碼頭正下方重疊式布置取水設施研究較少。本文結合某1 000 MW燃煤發電機組取水方案，對碼頭下重疊式取水方案的布置特點，取水頭與碼頭、船舶的相互影響進行了研究，并采用三維數值模擬對取水頭內流場特性進行了分析，根據研究和模擬計算結果優化了取水頭尺寸、標高和布置方案，以期更好地與碼頭結合布置。

1 工程概況

碼頭下重疊式布置取水設施不占用岸線資源，取水與碼頭可以統一管理，優點十分明顯，但是也存在與碼頭的相互影響。本研究結合某電廠取水設計進行，電廠本期裝機為2×1 000 MW燃煤發電機組，廠址位于湖口縣城東北方向約16.8 km的銀砂灣工業園區，距離西南方向的九江市約37.5 km。廠址西北距長江約1.5 km。

該工程煤碼頭位于長江右岸，擬建設3個5 000 t級散貨進口泊位及1個2 000 t級散貨出口泊位，碼頭前沿線成“一”字型布置，占用岸線共550 m，在煤碼頭上游約800 m區域為規劃的集裝箱碼頭。

2 重疊式取水方案及布置優化

2.1 初步布置方案

根據煤碼頭資料，為避免碼頭下部雜物進入取水口，初步考慮將箱式取水頭布置在煤碼頭平臺下部、上游第一排與第二排樁基支柱之間，側面進水，進水窗口面向煤碼頭外側(面向船體)；取水頭及引水管與碼頭結構脫開布置，船舶停靠造成的碼頭晃動位移不會影響取水頭的正常運行。

采用以上布置方案，碼頭在低水位作業時，由于船舶停靠對取水窗口遮擋而可能引起取水流量不足，此外取水窗口的橫向流速增大也會對船只靠離泊產生不利影響。

2.2 取水方案布置優化

2.2.1 取水頭部平面布置優化

為減少碼頭與取水之間的相互影響，經多次與碼頭設計單位討論，從以下四個方面對初步布置方案進行了優化。

1)優化一、二期取水頭布置方式：由于碼頭岸線規劃已批準，碼頭岸線長度增加困難，故將原一、二期取水頭獨立設置方案調整為合并布置，減小了取水頭總寬度，使取水頭布置緊湊，易于布置在碼頭樁基之間，碼頭岸線長度無需調整。

2)優化碼頭平臺結構形式：調整碼頭系纜平臺布置方式，在碼頭作業面預留孔洞，以滿足取水口攔污柵起吊檢修的要求。

3)優化碼頭樁基與取水頭樁基布置：按照碼頭上游邊緣距碼頭樁基中心距不小于1.2 m、取水頭與碼頭樁基凈距不小于0.5 m的要求，取水頭部沿水流方向總寬度優化為7.5 m，相應碼頭樁基的間距優化為10.0 m。

4)優化船只停泊間距：停泊船只凈距由15 m調整為13 m，出口泊位船頭距離碼頭邊線相應調整為14 m，為取水窗口留出了空間。

優化后取水窗口位于船只正常停泊區域外，不受規劃的碼頭船只停泊影響，但需根據取水要求制定碼頭的運行規程，確保在低水位時嚴格按規劃位置停靠船只(實際運行中在較高水位時可不限定船舶停靠位置)。

2.2.2 取水頭部窗口標高優化

根據取水模型試驗報告，在計算水沙組合條件下，最高淤沙面高程為-1.4 m。考慮碼頭樁基引起的局部沖淤變化以及安全余量，取水窗口正常運行底標高初步確定為1.0 m。

根據本工程水文報告預測，三峽水庫運行后，長江含沙量減少，三峽水庫下游河段主要呈沖刷狀態，在多年沖刷平衡后，取水河段的水位相應降低約0.6～0.7 m，考慮到若按最不利情況疊加，97%枯水位時再降低0.7 m，取水枯水位約為2.88 m。為了應對此極端情況，在正常運行底標高下方1.00～-0.50 m高程處設置三道疊梁閘，當出現上述情況時，可拆掉1～2道疊梁閘，窗口粗欄柵進口底坎標高最多可降低至-0.50 m高程處，以增加水深， 97%枯水位此時最大過柵流速為0.23 m/s。若長江三峽運行導致九江以下河段呈淤積狀態，當出現上述極端情況時，在正常運行底標高上方1.00～1.50 m高程處增加一道疊梁閘，窗口標高為1.50～4.00 m，此時按97%枯水位時核算，過柵流速約為0.316 m/s。

DL/T 5339—2018《火力發電廠水工設計規范》[1]中規定，河(海)床式取水建筑物過柵流速宜采用0.2～0.6 m/s；另外《海港工程設計手冊》[2]中規定，當水流流向與碼頭軸線的夾角越小，碼頭前最大允許流速越大，在3 000、5 000噸位級的碼頭，當水流流向與軸線夾角90°時最大允許流速為0.35 m/s。本期工程煤碼頭為5 000與2 000噸位級碼頭，因為取水口靠近煤碼頭2 000 噸位級船的泊位布置，當就近2 000噸位級船駛出泊位時，船舶處水流與取水窗口夾角小于90°，且船舶距離取水窗口有一段距離，在船舶處流速會遠遠小于取水窗口處過柵流速，故經上述分析可知，上述各工況下取水窗口布置安全合理。

3 取水頭體型優化

由于取水頭位于高樁碼頭立柱之間，空間有限，需在滿足取水流速限制的前提下，盡可能優化取水頭工藝尺寸， 減少取水頭與碼頭的相互影響。在此采用計算流體力學數值分析手段，對取水頭內流場進行分析。

取水頭采用常規矩形體型，長度8.5 m，引水管中心標高1.0 m，流場分析結果如圖1和圖2所示。

圖1 取水頭立面流場云圖

圖2 取水頭立面流場矢量圖

從圖1和圖2中可以看出，在引水管入口上方有部分回流，斷面流速在入口沿程6 m后已經比較均勻，有縮短取水頭的水力條件。

根據圖1和圖2的計算結果,為優化進水水流的水力特性，降低工程造價，將取水頭頂部采用斜坡布置，設置通氣管減少氣阻，并縮短取水頭的長度。為模擬優化后正常運行時流態，將入口標高調整至取水窗口正常運行底標高(入口插入疊梁閘，閘頂標高1.0 m)。優化后分析結果如圖3和圖4所示。

圖3 取水頭優化后立面流場云圖

圖4 取水頭優化后立面流場矢量圖

從圖3和圖4中可以看出，優化后取水頭內無回流等不利流態，流場較為均勻。

4 碼頭下重疊式取水實施方案

4.1 取水方案

取水頭部沿碼頭①～②軸線方向的總長度為7.5 m。取水窗口極限底標高為-0.50 m。窗口頂標高4.00 m，正常運行時取水窗口導槽內設三塊疊梁閘，每塊閘門高度為500 mm，攔污柵置于閘門頂面，取水頭運行窗口底標高為1.00 m。在實際運行過程中，應根據長江水位及取水頭部區域泥沙淤積情況，通過調整疊梁閘數量，改變取水窗口的運行底標高，保證取水安全可靠。取水布置如圖5和圖6所示。

圖5 碼頭下箱涵式取水平面布置圖

圖6 碼頭下箱涵式取水剖面布置圖

取水頭部位于船只正常設計停泊區域外。實際運行時需加強靠泊的管理，確保在低水位時應嚴格按設計停靠船只，避免船只對取水窗口的遮擋。碼頭各層平臺開孔尺寸為500 mm×7 500 mm，用于取水頭部攔污柵的檢修起吊。本工程規劃容量4×1 000 MW機組共設兩根DN 1000引水管，引水管中心標高為1.0 m。

4.2 運行方式

粗攔污柵安裝在取水頭部進水窗口前導槽內，方便更換。當本期工程2×1 000 MW機組運行時，為避免自流引水管內流速過小，造成泥沙沉積在引水管內，考慮采用1根自流引水管或2根自流引水管交替運行方式。正常運行時引水管流速1.55 m/s。粗攔污柵與輕質插板、鋼閘門共用一個導槽，當需要停運某一條引水管時，抽出該引水管對應的取水頭部上的粗攔污柵再插入輕質插板即可。當取水泵房前池需要檢修放空時，將鋼閘門放入導槽內，并用排水泵進行抽排。

5 結論

該工程從2017年投運至今，取水系統運行穩定，水質變化不大，運行管理順暢，證明碼頭下重疊布置方式在該工程的運用是成功的，各優化措施達到了預期的效果。

根據設計優化過程，對碼頭下重疊式布置取水方案主要設計優化成果及建議總結如下：

1)碼頭下重疊式布置不占岸線資源，電廠集中管理方便，對航道影響小，可充分利用煤碼頭的水深和航道清淤條件，但需與碼頭同時開工建設，在施工組織、工期進度協調方面工作量大，建議在碼頭設計各階段加強配合協調力度。

2)通過與碼頭設計協調及優化，取水窗口位于船只正常停泊區域外，取水作業對正常作業的船只靠離泊無影響。建議制定碼頭的運行規程，確保在低水位時嚴格按設計位置停靠船只(對本項目具體情況而言，實際運行中在較高水位時可不限定船舶停靠位置)。

3)通過數值模擬優化取水頭體型，采用斜坡式布置方式，消除回流及漩渦，并縮短取水頭部長度，進水流態良好，達到優化進水流態并降低工程費用的目的。

4)取水窗口標高采用可調節設計，通過在取水窗口設置疊梁閘，疊梁閘可根據取水點處河床淤積情況以及水位情況下放，由此調整取水窗口高度及引水流速，在保證取水安全的前提下確保取水引起的橫向流速滿足碼頭船只的泊穩要求。

5)碼頭平臺設置矩形方孔，還可利用碼頭平臺進行攔污柵起吊和清污作業，解決了淹沒式取水頭單獨設置時攔污柵起吊清污困難的問題。