吉红香,邱 静,黄本胜

(1.广东省水利水电科学研究院,广东 广州 510635；2.广东省水动力学应用研究重点实验室,广东 广州 510635；3.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东 广州 510635)

1 概述

泥沙淤积是影响电厂冷却水取水口工程布置的主要问题之一，特别是滨海火/核电厂，取水防沙是保障电厂安全运行的重要工作。一般电厂的选址和设计考虑的因素多，如区位、地质、交通、土地、水文、水源以及周边生态资源状况等诸多因素，也为电厂的取水口布置设计带来诸多限制。为了优化取水口的布置，进行电厂取水防沙问题的研究，对于确认电厂功能区布置的合理性，以及电厂安全、高效运营具有重要的实际意义。

取水口取水防沙的研究目前有两种方法，一是波浪泥沙物理模型试验，二是波浪泥沙数值模拟。数值模拟是针对研究对象和需要解决的问题，采用合适的数学物理方程，按定解条件进行数值求解的方法[1]。波浪泥沙物理模型将研究对象则按一定的相似准则缩制而成的实体模型。关于试验具体方法的文献不多，取水口和近岸海床由于变率的原因，有一定的变形，模型涉及变率和加大糙率的问题，验证和试验较为复杂。随着计算机技术的发展，数值模拟节省人力、物力和时间，发展很快。而物理模型试验结果直观，在研究取水防沙等局部工程布置优化等复杂问题时，仍是解决实际问题的重要方法[2-3]。本文用波浪泥沙物理模型试验的方法研究某滨海火电厂取水口的优化，通过波浪泥沙试验，验证取水口设计的合理性，以及取水防沙效果，根据试验结果为工程设计提出相应的技术参考。

2 工程区域水文泥沙特性

该火电厂位于华南沿海青海湾，工程循环冷却水采用南取北排的方式，取水头部设置在电厂煤码头厂区南端煤码头防波堤西面，排水口设于防波堤的北侧，取排水口布置见图1。工程已经建成1、2号取水口，新建3、4号取水口，取水口布置见图2所示。工程受到潮流、波浪，以及电厂循环水等多因素综合影响，需对取水口工程布置方案进行波浪泥沙模型试验验证，并根据试验结果和相关资料对3、4号取水口进行优化，推荐工程量最省、泥沙环境影响程度最小的取水工程方案，并为本期项目取水口优化设计等提供技术依据。

图1 取排水口布置示意

图2 取水口平面布置示意

2.1 波浪

海湾以风浪为主，频率占87%，涌浪频率占13%。其中NE向的波浪占48.5%，常浪向为NE和NNE向，频率分别占14.6%和14.7%。此外，SW向的波浪频率也较高，占10.5%。平均波高(H1/10)为0.21 m，最大波高可达1.5 m。波浪平均周期为1.55 s，最大5.40 s，其中SW和SWS向波浪周期较大，平均值为3.17 s和3.14 s。根据波浪周年观测数据，全年波向以SE为最多，ESE次之，波向主要分布在ESE～S之间，约占93%。西南季风强浪向为SSE～S，东北季风期强浪向多为ESE～SE。

2.2 潮流

潮差多年平均为1.40～1.60 m，大陆沿岸平均潮差相对较小，附近潮位站多年平均潮差为1.57 m。海域最大潮差一般在3.50 m以下。工程海域的潮流属于不正规半日潮流，具有一定往复流成分的旋转流。表、中、底3层的潮流方向相差不大，基本上与岸线平行，海区涨潮流流向为WS～WSW，落潮流向为SE～SSE，基本与岸线平行。工程海区流速较小，流速量值范围在0.09～1.30 m/s。

流速资料的分析表明，本海区在观测期间的余流主要方向为西南方向的沿岸流及一定强度的风海流，其中夏季以风海流为主，冬季则受沿岸流影响较大。工程海区余流流速不大，夏季测得的最大余流流速为0.59 m/s，冬季测得的最大余流流速仅为0.26 m/s，夏季测流期间余流流速大于冬季，表层余流流速大于底层。

3 试验范围泥沙环境

由于海湾为沙质海岸和岩石海岸，波浪侵蚀所产生的泥沙很少呈悬浮状态，而海床底沙受波浪潮流联合作用后参与悬沙组成。据调查，在大风浪条件下，整个工程海区底沙都能被掀动，被掀起的泥沙在潮流和沿岸流作用下，能造成岸滩的严重侵蚀。

3.1 悬沙与底沙

海域水体含沙量很小，测得的平均含沙量冬季为0.009 7 kg/m3，夏季仅为0.004 9 kg/m3。底层含沙量大于表层，底层含沙量为表层的1.2～2.1倍；大、中、小潮期平均含沙量差别不大；涨急与落急时大，涨平与落平时小。

近岸海滩以粗颗粒沉积为主，外海区则以细颗粒沉积为主，工程海域属于沙质海岸。

3.2 海岸与海床演变特征分析

工程海区海床由于以花岗岩岛礁为基础，泥沙来源少，海床变化十分缓慢，礁石间水域以砾石、砂和粘土组成的现代沉积层厚度一般在1～3 m，平均沉积速率约为0.2～0.6 mm/a，可见处于缓慢沉积状态。

电厂选址在海湾两沙质圆弧海岸之间的岬角段，弧形沙质海岸是在上、下岬角控制下，沙质海岸在泥沙供应不足的条件下，优势波浪冲击海岸形成的一种波浪动力和沿岸输沙率相适应的动态平衡状态的海岸。

4 模型设计、率定及试验组次

试验研究取水口附近区域的泥沙淤积问题，包括取水含沙量及其泥沙输移的问题。目的在于寻求较好的取排水工程布置方案实现取水的合理性，减少或防止取排水口区域的泥沙淤积和取水口的泥沙输移量。模型设计时重点考虑如下主要因素[2]：

1) 波浪动力

工程海区近岸的泥沙运动及海湾的演变动力主要为波浪动力，工程海区潮差小，潮流相对较弱，对近岸的泥沙运动影响较小。

2) 泥沙情况

海区水体含沙量较小，模型仅考虑床沙模型。模拟波浪作用下海滩冲淤演变，在理论上不仅要满足波浪运动相似(包括波浪折射、绕射等)，而且还要同时满足泥沙运动相似(包括泥沙起动、沉降、沿岸输沙、向岸离岸输沙以及冲淤部位等)。对于动床泥沙模型来说，最关键的是通过模型验证达到试验冲淤演变相似以及确定冲淤时间比尺。

4.1 模型沙的选配

海岸为沙质海滩，根据以往的工程经验和对电厂海域床沙颗粒分析，本文选用精煤粉作为模型沙。经选配的模型沙级配曲线与原型沙级配曲线取所有原体采样点颗分结果：容重为1.50 g/cm3，所选配的模型沙中值粒径D50=0.212 mm。

根据电厂地形图中规划的海域范围，综合考虑对研究范围有影响的区域、试验场地的条件以及波浪泥沙试验规程要求(平面比尺不宜大于300)，模拟工程附近原体海域为4.1 km×3.9 km的范围进行模型试验。模型范围包括电厂取排水口附近海域岸滩，以及对取排水口有影响的海岛和岸滩。为保证波浪反射相似，控制模型变率不致过大，并综合考虑初步计算的泥沙起动波高比尺，选择平面比尺120和垂直比尺60，模型的几何变率为2.0。

4.2 相似准则和比尺

波浪泥沙模型相似律包括：几何相似、波浪运动相似、波浪对岸滩作用相似、泥沙运动相似和地形冲淤相似[6]。在泥沙模型中，为使泥沙运动相似，以及满足试验室场地及设备条件必须将模型做成变态模型。

为了消除变态模型对波浪反射的影响，将防波堤碎石护面做成正态，以保证堤前反射相似，试验中为了消除海岸坡度的反射影响，在制作模型时，将岸坡表面人工加糙，尽量消除岸滩变率对波浪反射的影响[1]。

4.3 模型验证

可用于定量对比的地形实测资料较少，本试验采用CERC公式[5]计算确定的经过海湾中段的海岸沿岸输沙率为原型代表，然后在验证试验确定的模型波要素的基础上，根据海湾内不同方向波浪作用下海滩地形的实际冲淤量，确定经过海湾中部断面的模型沿岸输沙率，由此求得输沙率比尺和时间比尺该海岸的沿岸年输沙总量在(1～5)×104m3之间，年净输沙量接近4×104m3。

(1)

式中QL为输沙率；Hb为破波波高；C0为深水波相速度；Kr为波浪折射系数，随波浪的辐聚、辐散而增加、减小；αb为破波角，即波浪破碎时波峰线与岸线的夹角。

根据公式可算得不同波向、不同波级的输沙率，据其出现频率计算由东向西(西)和由西向东(东)两个方向的全年输沙率。

Q东=∑(QL)P东

Q西=∑(QL)P西

(2)

根据前面分析计算，在SSE向浪作用下原型经过海湾中部断面全年沿岸输沙率为4.44×104m3/a，波浪实际作用时间按能量法折算，相当于波高H1/10=2.12 m(14 m水深处)，频率为2.25%，并按淤积物干容重1.65 g/cm3计算，则原型在实际波浪作用时间内的平均沿岸输沙率为2.86 t/h。模型率定中发现，动床验证试验180 min计算经过海湾中部输沙情况与工程海域泥沙淤积的情况相似，经试验测量该断面平均输沙率为0.021 t/h，取时间比尺为172，由此得到模型中SSE向波浪作用1.07 h相当于该方向原型1 a内波浪作用。

4.4 模型比尺

通过模型率定、验证情况以及模型沙的特征，反复试算[4]，确定模型各项比尺如下：

水平比尺λl=120，垂尺比尺λz=60，水深比尺λh=60，波长比尺λL=60，波高比尺λH=60，波周期比尺λT=7.7，冲淤时间比尺λt=172。

根据火电厂所处的位置以及工程区域所在的水文泥沙特性，拟定了两个方向的正常浪试验组次，模拟历时为1 a；1个台风浪模拟组次，模拟历时为2 d。试验组次的要素组成见表1。物理模型试验中取水排水口等构筑物根据原型位置、尺寸按模型比尺缩放模拟，图3为试验模拟的取水口。

表1 试验组次

图3 取水口模型布置示意

5 试验结果

试验以正常浪代表波和大浪要素模拟长期与短期的海岸动力要素，对取排水口附近海域进行动床波浪泥沙试验，观测波浪场、海床的冲淤变化、取水口泥沙淤积量，分析风浪对取水口的影响以及取水口设置的合理性，提出可行的修改方案，分析对比各方案取水口发生骤淤的可能性，以及取水口泥沙的淤积程度，为取水口的合理布置和设计方案的最终选定提供依据。

5.1 正常浪试验

由于电厂厂区填海及防波堤建设后，改变了原岬角与海湾相间的近岸环境以及湾内波浪传播的特性，形成新的岬角与电厂防波堤近岸海湾环境。表现为从南向外传来的SSE和S向主向波浪受到防波堤的影响发生反射甚至破碎，由此带动泥沙在堤前运动，原来冲淤相对平衡的海域近岸泥沙淤积更为明显；在正常浪作用下，近岸年淤积量约为3.1万m3左右。

二期工程取水口呈喇叭型，取水流量较大，但由于该处水深浪小，泥沙粒径较粗，因此取水口处泥沙淤积较少，取水口处淤积形态呈波纹状。经多组试验测得：在S向波浪相当于1 a波浪作用下，二期工程两组取水口最大泥沙淤积厚度为0.1～0.3 m，淤积较少的地方厚度不到0.1 m，泥沙年淤积量在100 m3左右。两个取水口泥沙淤积情况相似，淤积量基本相同。

在SSE波浪的作用下，泥沙向岸运动不明显，取水口附近海域泥沙扰动较小，4号机组西侧的海滩，由于海底高程较高，约为-3～-7 m，泥沙在该处形成明显的淤积沙纹。两组取水口处泥沙淤积均较少，取水口内略有泥沙沉降。经多组重复试验，将取水口的泥沙采集、烘干并称重，并按模型比尺反算得到原型取水口泥沙进量见表2所示：在SSE向波浪相当于1 a波浪作用下，取水口最大泥沙淤积厚度为0.1 m，泥沙年淤积量在80 m3左右。

表2 正常浪作用泥沙冲淤

5.2 台风浪试验

考虑到台风浪常伴随增水现象，试验选取200年一遇高潮位4.16 m、遭遇9713号台风(强热带风暴)，且连续作用2 d作为台风骤淤的试验条件。9713号台风在广东省雷州登陆，登陆时中心最大风力12级，下午进入北部湾，23日晨4：00～5：00在越南鸿基市再次登陆。9713号台风登陆点不在工程海域，对工程海域的影响主要为涌浪对工程海岸的作用。在观测期间获得9713号台风造成的工程海域涌浪为S向H4%=6.6 m。

S向大浪由外海传至长环咀，波浪在石坟咀—长环咀—电厂防波堤附近破碎，波浪遇到岸滩和防波堤的反射，在取水口附近海域破碎，波浪引起床沙运动，取水口内易产生泥沙淤积。经过多次重复试验，将取水口的泥沙采集、烘干并称重，并按模型比尺反算得到原型取水口泥沙进量(见表3)。

表3 台风浪试验泥沙冲淤

在大浪试验后，取水口进沙量较小，仅有较薄的一层。经过多次反复多次试验，取水口内泥沙最大淤积厚度约为0.3 m，取水口前部和两翼泥沙在波浪的作用下产生淘刷。

6 试验结果验证

2013年8月14日下午3：50，台风尤特登陆我国广东省阳江市溪头镇(登陆时中心海平面最低气压955 hPa，地面最大风速达42 m/s)。台风中心附近的浮标已分别测得5.5 m和5.4 m的巨浪，影响日期为12—14日。台风尤特发生时，1、2号机组取水口运行，3、4号机组还未建成。根据台风前后工程附近海图对比，及水下探查来看，台风尤特造成电厂1、2号机组口门出淤积最大厚度达到1.5 m左右，淤积量约为410 m3。

对比大浪试验结果，1、2号机组在200年一遇高潮位4.16 m、遭遇9713号台风(S向，H4%=6.6 m)，且连续作用2 d条件下，1、2取水口口门处最大淤积厚度约为0.6 m，淤积量分别为50 m3和510 m3(见表4)。

表4 1、2号取水口台风浪泥沙冲淤

尤特台风在阳江登录时风力达到了42 m/s，引起的海域风浪造成了阳江沿海的台风灾害，但没有收集到台风引起的工程海域风浪要素。台风强度高于9713号台风，但引起工程海域波高略小。

本次台风浪试验，模拟-17 m等深线附近台风浪，取水口附近海域床沙在大浪情况下的骤淤量与台风尤特相近，但最大淤积厚度有一定的差距，这与试验模拟的海床形态以及周边工程施工造成的海床扰动有一定的关系。

从尤特台风后取水口周边水下探查情况来看，模型试验选定的台风浪要素基本能够代表取水口附近海域台风作用下泥沙的骤淤情况，试验结果与尤特台风后造成的取水口附近区域淤积规律基本一致。

7 结语

1) 模型泥沙起动波高、泥沙输移的率定、海床泥沙冲淤以及台风浪试验验证试验表明，物理模型能较好的实现波浪作用下近岸泥沙运动包扩沿岸泥沙运动及海岸滩地冲淤演变规律相似。试验结果显示取水口设计方案基本合理，应对取水口前部和两翼波浪淘刷进行防护。

2) 工程附近海域受SSE向和S向强浪向的影响，工程海域潮流动力相对较弱，含沙量小。根据取水口位置以及周边泥沙环境分析，采用波浪动力为主的床沙模型进行试验能抓住主要矛盾，解决波浪泥沙特性复杂问题，满足试验任务的要求。

3) 台风浪对工程以及海域泥沙影响较大，一次大浪就可能造成海岸的淤积。物理模型试验应注意在台风浪作用下模型的验证和试验，尽可能查找历史台风暴潮水文信息和泥沙预计相关资料，选取合适的水文参数开展试验工作，保证工程取水安全渡险，高效运行。

4) 我国大型火/核电厂及重要港口，均位于沿海湾区，潮流、台风及波浪下的泥沙影响研究是其中最重要、最复杂的专题研究之一。本文通过实测台风过境取水口附近海域地形变化，证明波浪泥沙物理模型试验设计合理，泥沙淤积量级基本一致，同时也可为泥沙问题数值模拟研究提供依据。