沈雨生，刘 堃，周益人

(1.南京水利科学研究院 河流海岸研究所，南京 210024；2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州 510230)

海岸直接取水结构内波浪传播及消浪措施研究

沈雨生1，刘 堃2，周益人1

(1.南京水利科学研究院 河流海岸研究所，南京 210024；2.中交第四航务工程勘察设计院
有限公司，广州 510230)

对于沿海液化天然气(LNG)和核电等项目，取水口是重要的配套工程，其主要受波浪的作用，取水结构内的波况直接关系到取水口的正常运行。针对某一具体工程实例，对海岸直接取水结构进行了波浪物理模型试验研究，分析不同水位、波向及方案下取水结构内的波况。研究结果表明，随着水位的降低，虽然入射波高减小，但是取水结构内比波高均增大，低水位时取水结构内波况相对不利。波向对取水结构内波况影响较大，与正向和74°向波浪相比，52°向波浪作用下取水结构内比波高均较小。与原方案相比，优化方案一和优化方案二均有效减小了引水流道内的波高，但是进水前池和吸水池内波高减小得较少。

直接取水结构；波浪传播；消浪；模型试验

对于沿海液化天然气(LNG)和核电等项目，取水口是重要的配套工程，且其主要受波浪的作用。针对海岸工程中的波浪问题，一般采用理论分析、实验研究、现场观测以及数学模型等研究方法[1]。在波浪较大的海域，由于波浪对取水结构作用的复杂性，波浪作用下取水口工程的结构稳定性、结构受力、冲刷及防护等问题一般通过物理模型试验进行研究[2-4]。此外，取水结构内的波况直接关系到取水口的正常运行，当泵房内波高较大时，将会导致水泵运行不正常[5]。为满足取水泵的正常使用要求，海水泵处的水面波高应不超过一定的限值[6]。对于取水结构内波况的研究相对较少，史力生和潘军宁[7]通过模型试验分析了取水渠内长周期波动产生的条件及影响因素，据此提出了消减长周期波动的各种工程措施。对于海岸取水口工程，一般通过管道将取水口设置在近海海底或者设置直接取水结构。对于海岸直接取水结构，由于波浪、水流在引水流道及进水前池内传播的复杂性，需要通过波浪局部整体物理模型试验专门研究取水结构内的波浪传播情况[8]。本文针对某一具体工程实例，对直接取水结构进行了波浪局部整体物理模型试验研究，分析不同水位、波向以及方案下取水结构内的波况，可为类似工程的设计提供参考。

1 试验概况

1.1工程布置及取水结构

某LNG项目工程规划建设于某海域，对于工程区海域，NW—SW向波浪为小风区波浪(波高、周期较小)，SSE—SSW向波浪为外海来浪(波高、周期较大)。工程区海域常浪向为S向，次常浪向为SSW向，其中外海S向波浪传播至工程水域附近时，波向约偏转至SSW向，其余方向的波浪传播至工程水域附近时波向基本不变。工程需设置取水口1座，取水结构设计采用直接取水型式，包括引水流道、进水前池及吸水池三部分，取水口工程平面布置见图1。取水结构见图2，原方案引水流道有4条，宽3.2 m，长21.0 m，进水口位于水面以下，顶高程-3.32 m，底高程-5.82 m；中部进水前池为喇叭型，长14 m，单侧扩角20°；后部为吸水池，长17 m，设7条取水流道(二期预留1条)，宽3.2 m。取水口主要受外海WSW、SW和SSW向波浪作用。

吸水池一期共设置6台海水泵和3台消防泵，二期预留1台海水泵。其中一期海水泵5用1备，单台泵的流量为Q=8 300 m3h，扬程H=40 m。本工程海水泵的运行工况为单台吸水量8 300 m3h，年不间断运行8 760 h；消防泵流量为3 600 m3h，海水取水总量为53 400 m3h。取水口两侧为护岸工程，护岸结构为斜坡堤，斜坡坡度1：1.5，采用8T扭王块体护面，上部设挡浪墙，顶高程10.7 m。

图1 某LNG项目取水口工程平面布置 图2 取水结构图(原方案)

Fig.1 Plane layout of water intake of one LNG project Fig.2 Structural drawing of the water intake (original plan)

1.2试验条件

试验波浪重现期为100 a一遇。试验水位及相应的波浪要素见表1，试验波浪方向包括WSW、SW和SSW向，其中试验中WSW向按正向考虑。

表1 试验波浪要素Tab.1 Test wave parameters

1.3模型设计

试验遵照《波浪模型试验规程》[9](JTJT234-2001)的相关规定，采用正态模型，按Froude数相似律设计模型。根据结构物尺度、水深、波浪条件以及场地、设备条件，模型比尺取为1∶30。主要相关物理量的比尺为：几何长度比尺λL= 30；时间比尺λt=λL=5.5；重量比尺λW=λL3=27 000；流量比尺λQ=λL=4 929.5。

1.4试验方法和内容

图3 取水结构模型Fig.3Physicalmodelofthetestedwaterintake图4 取水结构内波高测点布置Fig.4Arrangementofwaveheightmeasuringpointsinthewaterintake

波浪试验在南京水利科学研究院河流海岸研究所波浪港池中进行，港池长50 m、宽17.5 m、高1.2 m。港池的一端设置消浪缓坡，另一端配有美国MTS公司生产的不规则波造波机，由计算机控制，产生试验所要求的波浪要素。

由于取水口附近的护岸会影响波浪对取水口的作用，因此，本次试验在取水口周围布置一定范围的护岸结构，进行波浪局部整体物理模型试验。模型中取水口各部分采用有机玻璃制作，与原型保持几何相似，模型误差不超过1 mm。取水口模型见图3。为模拟海水泵运行情况，出水管配有阀门、水泵和流量计，通过调节水泵流量和阀门控制试验需要的流量。

在引水流道(1-1#～1-4#)、进水前池(2-1#～2-3#)和吸水池(3-1#～3-6#)分别布置多根波高仪，波高测点布置见图4，测量各种组合水位、波浪及运行方案下取水结构内各测点波高情况，取各测点的H13%波高作为特征波高进行分析。引水流道(记为1#)内波高采用1-1#～1-4#测点H13%波高的平均值、进水前池(记为2#)内波高采用2-1#～2-3#测点的平均值、吸水池(记为3#)内波高采用3-1#～3-6#测点的平均值。试验采用不规则波进行，波谱为Jonswap谱。试验波浪方向为WSW向(试验中按正向考虑)、SW向(与取水口所在岸线交角74°)及SSW向(与取水口所在岸线交角52°)。试验中取水结构包括原方案及其优化方案。

2 取水结构内波浪传播

图5为取水口正常运行时，波浪作用下取水结构内(引水流道、进水前池和吸水池处)波面变化过程。由图5可见，由于本工程取水结构内流道相对较短，取水结构内长周期波现象不明显；波浪传入取水口后，引水流道、进水前池和吸水池内波高依次减小，引水流道内波高较大，进水前池和吸水池内波高较小，且进水前池和吸水池内波高差别较小。

5-a 引水流道(1#) 5-b 进水前池(2#) 5-c 吸水池(3#)图5 正向波浪作用下取水结构内波面变化过程Fig.5 Time series of the waves in the water intake under the forward wave action

2.1不同水位时取水结构内波况

取水口在运行时存在潮位变化，为分析不同水位时取水结构内波况，表2给出了100 a一遇SW向波浪作用下，不同水位时取水结构内波高和比波高(取水结构内波高和入射波高的比值)结果。

表2 不同水位时取水结构内波高和比波高结果Tab.2 Results of wave heights and wave height ratios in the water intake under different water levels

由表2可见，SW向波浪作用下，不同水位时原方案引水流道内比波高在0.576～0.663范围内，进水前池内比波高在0.132～0.190范围内，吸水池内比波高在0.124～0.178范围内。随着水位的降低，虽然入射波高减小，但是引水流道内波高差别较小，进水前池和吸水池内波高增大，取水结构内各处的比波高均增大，且进水前池和吸水池内增大相对较为明显。与100 a一遇高水位(+3.52 m)时相比，50 a一遇低水位( -0.52 m)时进水前池和吸水池内波高分别增大0.12 m(24.7%)和0.11 m(23.9%)，比波高分别增大0.058(44.1%)和0.054(43.3%)。这是由于随着水位的降低，虽然入射波高减小，但是静水面与进水口位置的深度减小，波浪相对更易于传入取水结构内，取水结构内比波高增大。究其原因，波浪能量从水面至水底沿着水深逐渐减小，随着水位的降低，进水口间的波浪能量相对变大，所以低水位时波浪更易于传入取水结构内。由此可见，水位对取水结构内波况影响较大，低水位时取水结构内波况相对不利，为改善取水结构内波况，进水口位置需要有足够的入水深度。

2.2不同波向时取水结构内波况

取水口主要受外海WSW向(试验中按正向考虑)、SW向(与取水口所在岸线交角74°)及SSW向(与取水口所在岸线交角52°)波浪作用，为分析不同波向时取水结构内波况，表3给出了设计高水位和100 a一遇波浪作用下，不同波向时取水结构内波高和比波高结果。

表3 不同波向时取水结构内波高和比波高结果Tab.3 Results of wave heights and wave height ratios in the water intake under different wave directions

由表3可见，由于52°向(SSW)波浪是主浪向，与正向(WSW)和74°向(SW)向波浪相比波高和波浪周期均较大，52°向(SSW)波浪作用下取水结构内波高大于正向(WSW)向波浪作用时的情况，与74°向(SW)波浪作用时差别很小。虽然与正向(WSW)和74°向(SW)波浪相比，52°向(SSW)波浪周期较长，但是52°向(SSW)波浪作用下取水结构内比波高均较小，与正向(WSW)波浪作用时相比引水流道、进水前池和吸水池内比波高分别减小0.119(20.6%)、0.036(26.9%)和0.032(25.2%)，与74°向(SW)波浪作用时相比引水流道、进水前池和吸水池内比波高分别减小0.143(23.8%)、0.044(30.5%)和0.042(30.3%)，可见斜向波浪不易传入取水结构内。这是由于与正向浪相比，在斜向浪作用下，从进水口进入的波浪能量变小，同时波浪不能同步进入取水结构内，而且取水结构两侧的护岸头部对取水结构也起到一定的掩护作用，所以斜向波浪不易传入取水结构内。由此可见，波向对取水结构内波况影响较大，斜向波浪不易传入取水结构内，为改善取水结构内波况，布置取水口时应使取水口避开主浪向，取水口轴线应布置与主浪向有一定的夹角。

图6 取水结构优化方案一Fig.6 Structural drawing of the water intake (optimization plan 1)

3 消浪措施研究

鉴于原方案情况下吸水池内波高较大，为了减小吸水池内波高、改善海水泵的运行条件，提出了两种消浪措施方案，并对其消浪效果进行了试验研究。

3.1优化方案一

优化方案一(图6)提出在进水口前设置一道挡浪结构，宽度和高度均为2 m，底高程-5.30 m。

表4 优化方案一与原方案取水结构内波高和比波高比较结果Tab.4 Comparison results of wave heights and wave height ratios in the water intake of the original plan and the optimization plan 1

表4给出了优化方案一与原方案取水结构内波高和比波高的比较结果。

由表4可见，与原方案相比，高水位时优化方案一引水流道、进水前池和吸水池内分别减小0.53 m(24.7%)、0.06 m(12.0%)和0.05 m(10.4%)，低水位时分别减小0.50 m(23.9%)、0.07 m(13.5%)和0.08 m(15.6%)。可见，由于优化方案一进水口前的挡浪结构对进水口起到了一定的掩护作用，同时该挡浪结构破坏了波浪水质点的运动，与原方案相比，取水结构内波高均减小，引水流道内波高减小较多，但是进水前池和吸水池内波高减小得较少。这是由于进水前池和吸水池内波高较小，即使波高相对减小10%～20%，波高绝对值也只能降低0.05～0.10 m。

3.2优化方案二

与原方案相比，优化方案二(图7)主要变化在引水流道，进水前池和吸水池改变较小。引水流道长度延长为27.0 m(原方案21.0 m)，进水口前移，顶高程由-3.32 m降低至-4.70 m，进水口高度不变，旋转滤网改设在侧面，形成侧向进水。

7-a 平面图 7-b 断面图图7 取水结构优化方案二Fig.7 Structural drawing of the water intake (optimization plan 2)

水位位置测点100a一遇SW向波浪原方案优化方案二波高H13%(m)比波高波高H13%(m)比波高设计高水位+2.28m引水流道1#2.150.6141.660.473进水前池2#0.500.1430.430.123吸水池3#0.480.1380.430.123设计低水位+0.35m引水流道1#2.090.6331.630.492进水前池2#0.520.1580.460.139吸水池3#0.510.1550.440.133

表5给出了优化方案二与原方案取水结构内波高和比波高的比较结果。

由表5可见，与原方案相比，高水位时优化方案二引水流道、进水前池和吸水池内分别减小0.49 m(22.8%)、0.07 m(14.0%)和0.05 m(10.4%)，低水位时分别减小0.46 m(22.0%)、0.06 m(11.5%)和0.07 m(13.7%)。可见，由于优化方案二，一方面降低了进水口的顶高程，进水口间的波浪能量变小(波浪能量从水面至水底沿着水深逐渐减小)，另一方面，延长引水流道长度和旋转滤网改设在侧面、形成侧向进水等措施增大了波浪能量在取水口内的损耗，与原方案相比，取水结构内波高均减小，引水流道内波高减小较多，但是与优化方案一类似，进水前池和吸水池内波高绝对值仍减小得较少。

4 结论

本文针对某LNG项目取水口工程的直接取水结构，通过波浪局部整体物理模型试验对取水结构内的波况进行了分析，并对消浪措施进行了研究，主要得到以下结论：

(1) 由于本项目取水口流道相对较短，取水结构内长周期波现象不明显；波浪传入取水口后，引水流道、进水前池和吸水池内波高依次减小。随着水位的降低，虽然入射波高减小，但是取水结构内比波高均增大。由此可见，低水位时取水结构内波况相对不利，为改善取水结构内波况，进水口位置需要有足够的入水深度。

(2) 与正向(WSW)和74°向(SW)波浪相比，52°向(SSW)波浪作用下取水结构内比波高均较小。由此可见，波向对取水结构内波况影响较大，斜向波浪不易于传入取水结构内，为改善取水结构内波况，布置取水口时应使取水口轴线与主浪向有一定的夹角。

(3) 优化方案一在取水口前设置了挡浪结构，与原方案相比，有效减小了引水流道内的波高，但是由于进水前池和吸水池内波高较小，即使波高相对减小10%～20%，波高绝对值也只能降低0.05～0.10 m。优化方案二延长了引水流道长度、降低了进水口顶高程并形成了侧向进水，这些措施起到了消浪作用，原方案相比，也有效减小了引水流道内的波高，但是进水前池和吸水池内波高绝对值仍减小得较少。对于优化方案，其消浪措施主要是针对进水口和引水流道，如需进一步减小进水流道和吸水池内的波高，可考虑在进水流道和吸水池内直接采取某些消浪措施。

[1]邹志利. 海岸动力学[M]. 北京：人民交通出版社, 2009:24-26.

[2]周益人，孙忠滨，周子骏. 广东华夏阳西电厂5、6号机组扩建工程取水头部稳定性物理模型实验[R]．南京: 南京水利科学研究院，2015．

[3]岳永魁, 潘军宁, 王登婷. LNG项目取水结构波压力物理模型试验[J]. 水利水运工程学报, 2012(3): 87-91.

YUE Y K, PAN J N, WANG D T. Model tests of wave pressures on water intake structure of LNG project[J]. Hydro-Science and Engineering, 2012(3): 87-91.

[4]李鹏．沙特Rabigh 2x660 MW燃油机组下程取、排水口波浪模型试验研究报告[R]．南京: 南京水利科学研究院，2010．

[5]苏树铮. 海水盐度和波浪对滨海电厂取水的影响[J]．电力技术, 1991, 24(2): 42-43．

SU S Z. Effect of sea water salinity and wave on the water intake of the coastal power plant [J].Electric Power Technology, 1991, 24(2): 42-43．

[6]DLT 5489-2014, 火力发电厂循环水泵房进水流道及其布置设计技术规定[S].

[7]史力生, 潘军宁. 滨海核电站取水渠长周期波动现象及其消减[J]. 水利学报, 2009, 40(3): 201-213.

SHI L S，PAN J N. Long period wave occurred to cooling water intake channel of nuclear power stations [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2009, 40(3): 201-213.

[8]周益人，杜齐鲁. 中石油深圳LNG应急调峰站项目项下码头工程(含陆域形成)进水前池及流道波浪局部整体物理模型试验报告[R]. 南京: 南京水利科学研究院，2014．

Wave propagation in the direct water intake structure at the coast and wave dissipation measures

SHENYu-sheng1,LIUKun2,ZHOUYi-ren1

(1.RiverandHarborEngineeringDepartment,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210024,China; 2.CCCC-FHDIEngineeringCo.,Ltd.,Guangzhou510230,China)

For Liquefied Natural Gas (LNG) and nuclear power projects established along the coast, the water intake is one important project, which is mainly under wave action, and wave condition in the wave intake has direct effect on the normal operation of the wave intake. Based on one specific engineering example, wave physical model test was carried out to study one direct wave intake, and the wave conditions under different water levels, wave directions and plans were analyzed. The results show that though wave heights of low water level are smaller, wave height ratios in the water intake increase with the decrease of the water level, the wave condition in the water intake is relatively bad under relatively low water level. The wave direction has relatively large influence on the wave condition in the wave intake. Compared to the forward (90 degree) and 74 degree wave, wave height ratios are all relatively small under the 52 degree wave action. Compared to the original plan, the first optimizing plan and the second optimizing plan all effectively decrease the wave heights in the inflow channel with wave heights decreasing relatively small in the inflow forebay and the suction bay.

direct water intake; wave propagation; wave dissipation; model test

2017-01-05；

2017-02-16

沈雨生(1990-)，男，江苏盐城人，助理工程师，主要从事波浪与建筑物相互作用研究。

Biography：SHEN Yu-sheng(1990-)，male，assistant engineer.

TV 139.2

A

1005-8443(2017)05-0464-06