广钢自备电厂取排水工程波浪泥沙试验研究

广钢自备电厂取排水工程波浪泥沙试验研究
付波;张婷;黄健东;陆汉柱;罗岸
【摘要】结合电厂厂址工程海区波浪特征、泥沙环境和海床冲淤演变情况，开展了广钢自备电厂取排水工程波浪泥沙物理模型试验，研究与分析了电厂取排水口在常年浪及台风浪作用下的取水含沙量、泥沙淤积和骤淤情况，从泥沙角度验证了海港工程总布置和取排水工程布置的合理性，试验成果可为工程设计提供科学依据。

【期刊名称】《广东水利水电》
【年(卷),期】2013(000)011
【总页数】4页(P13-16)
【关键词】波浪;物理模型;取排水口;台风浪;含沙量;泥沙淤积
【作者】付波;张婷;黄健东;陆汉柱;罗岸
【作者单位】广东省水利水电科学研究院，广东省水动力学应用研究重点实验室，广东广州 510635;广东省水利水电科学研究院，广东省水动力学应用研究重点实验室，广东广州 510635;广东省水利水电科学研究院，广东省水动力学应用研究重点实验室，广东广州 510635;广东省水利水电科学研究院，广东省水动力学应用研究重点实验室，广东广州 510635;广东省水利水电科学研究院，广东省水动力学应用研究重点实验室，广东广州 510635
【正文语种】中文
【中图分类】TV149.2
1 工程概况
广东钢铁环保迁建工程自备电厂厂址位于湛江市东海岛东北角，滨临广州湾口门，属南海海域，见图1。

本工程规划建设4 台350 MW 掺烧煤气的供热机组和2 台160 MWCCPP 燃气机组，分期建设，电厂机组的冷却用水拟采用直流冷却供水系统，取自广州湾海水。

图1 电厂厂址地理位置示意
本工程取排水口布置形式为“深取浅排”的分列式，取水口处于A 区30 万t 高桩码头桩群后侧，排水口所处地势较高，前为深水港池;海港工程总布置的东西两侧为挖入式港池，共分为A、B、C 和D 4 个区，港工结构平面布置见图2。

本文通过测定取水口、港池及航道附近的泥沙运移和冲淤过程，研究分析取排水工程布置和海港工程总布置的合理性。

图2 取排水口及海港工程总体平面布置
2 工程海域潮流、波浪和泥沙特性
广州湾海域潮汐性质属不规则半日潮，工程区域落潮流流速大于涨潮流，湾口附近流速较强。

湾外海域开阔，全年波浪以风浪为主，广州湾外常年浪及大浪均集中在NE ～ESE 向;而湾内，综合考虑外海传入波浪和小风区风成浪，对拟建工程造成较大影响的波向为NE 向，其次为NW 向［1］。

除台风浪作用外，工程海域常年浪高较小，各方向出现频率较大的波级均为0.2 ～0.4 m。

工程码头所处位置天然掩护条件较好，湾内外泥沙来源少，工程海区水体含沙量较小，涨落潮水体平均含沙量不超过0.014 kg/m3。

工程区沉积物质以粘土质粉沙分布较广，中值粒径介于0.006 ～0.017 mm 之间，工程区沿岸沉积物泥沙颗粒大小差异较大，自西向东物质逐渐粗化，粒径分布在0.007 ～0.312 mm之间。

3 模型规划与设计
3.1 试验仪器设备
使用广东省水利试验基地的波浪港池进行试验，于港池内配置2 台移动式造波单元，每台造波单元的推波板长度为15.02 m，可适应最大造波水深0.5 m。

造波机系统可模拟规则波、不规则波以及自定义谱，且可人为设定波谱参数。

波浪要素测量仪器为:100 cm量程的电容式波高传感器。

3.2 模型比尺和研究范围
根据《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》［2］相关要求，本模型采用变态模型，结合工程区域床沙粒径分布在0.007 ～0.312 mm 之间，并参考天科所潮流泥沙
数模计算成果［3］，考虑到本模型主要研究波浪作用下的推移质泥沙输移，综合选取中值粒径d =0.1 mm作为原型工程区底质泥沙代表粒径。

模型选取容重γ0 = 1.48 g/cm3、中值粒径d =0.32 mm 的塑料沙作为模型沙。

经计算，考虑工程实际及波浪水槽所测泥沙起动波高，选取平面比尺为λy =300、垂向比尺为λz =100、变态率e =3.0，模型研究范围约为15 km ×8 km，动床范围约为18.7 km2(见图3)。

图3 模型截取范围及波浪要素采样点示意
4 试验波向及水文组次
综合分析广州湾内工程海域风浪、泥沙等特性，结合文献［1］对湾外风成浪的研究成果，确定本模型的试验浪向为NE 和NW 向，波浪重现期为常年浪、2年、
10 年和50 年，试验水位为极端高水位(4.36 m)、设计高水位(2.16 m)、平均潮位(0.57 m)和设计低水位(-1.29 m)。

同时，试验以常年浪进行了年淤积量测定，以
及以50 年一遇波浪进行台风骤淤24 h 的骤淤量测定。

5 模型率定与验证
5.1 波高比尺与泥沙输移验证
在波浪水槽泥沙起动试验基础上，波浪港池整体定床试验也进行了比尺比选和模型
沙起动及输移的验证试验，通过观测模型沙起动及沿岸输沙情况，最终选定波高比尺λH =100。

5.2 输沙率比尺率定和地形冲淤验证
由于缺乏工程海域实测的输沙资料，采用工程区半年波浪实测资料(2008 年11 月1 日～2009 年4 月30日)，计算得出工程海区NE 和NW 向常年浪作用下的平均沿岸输沙率［4］，再在模型动床范围内按照2007 年的实测海图恢复到工程前岸
滩地形，以2007 -2009 年地形冲淤变化进行率定，最终确定冲淤时间比尺和输沙率比尺。

经率定，NE 和NW 向浪作用2 年后，模型动床范围地形冲淤变化与2007 ～2009 年实测地形冲淤变化基本相似。

NE 向浪冲淤时间比尺为λT =1 599，输沙率比尺为λQT =10 850;NW 向浪冲淤时间比尺为λT =1 504，输沙率比尺为λQT =11 535。

5.3 波浪场率定与验证
根据文献［1］提供的数模波浪场，试验选取码头前沿深水区域波要素(A1 ～A7，见图3)作为模型输入波要素的控制点，并在模型中的造波板前沿、码头前沿深水
区及深水航道内选取14 个采样点，安装波高采集仪采集波要素，以率定和验证物模研究范围内的波浪场。

率定结果显示，工程前物模实测波要素与数模计算成果整体比较接近，物模整体波浪场与数模差异不大，能较真实反映各种潮位条件下不同浪级波浪的传播变化情况。

6 波浪泥沙试验成果与分析
6.1 定床试验成果与分析
定床试验主要进行了工程前、后工程区波浪场的率定，并观察了工程前、后沿岸流的变化，试验表明:
1)各水文组合条件下，除个别点工程前后波高变化较大，码头前沿大部分采样点工程后与工程前波高比值均介于1 ～2 之间，这表明工程建设后工程水域波高明显
增大，波浪动力明显增强。

2)NE 向浪自湾口传播至工程区域时，受深水航道、浅滩地形变化以及东海岛岸线凹凸变化的影响，波浪会发生折射变形，波浪传播方向也逐渐由NE 向转为ENE 向，并沿着东海岛北岸自东向西顺岸传播，传播至工程区的西南侧以及航道以北浅滩处后，波能逐渐耗散，波高衰减，波浪破碎。

工程前，由于工程区近岸浅滩存在，码头前沿所在位置波高均较小，台风浪作用下的20 ～30 万t 级码头(A 区，下同)前沿最大波高仅为2.76 m，而西侧港池内波高最大仅为1.5 m;工程后，港池的开挖致使工程区近岸水深加大，有利于波浪自深水传播，20 ～30 万t 级码头前沿台风浪最大达3.28 m。

3)NW 向浪往工程区传播过程中，经由深水航道折射后，在靠近南三岛西航道起
始端分散传播，一部分波浪往工程区西南侧岸边传播，另一部分波浪则顺东海岛北岸线向广州湾口传播。

工程前，受浅滩地形影响，往西南侧岸边传播的波浪波峰线弯曲并逐渐调整为与等深线平行，波向线垂直于岸线，波高逐渐减小;工程后，西
侧港池正对来浪方向，港内波浪反射较严重，波况较差，波高较大;测试的西侧港
内最大波高由工程前的1.76 m 增大为2.42 m，20 ～30 万t级码头前沿最大波
高由工程前的1.83 m 增大为2.69 m。

4)工程前，不同浪向作用下均存在沿岸流。

工程后，NE 向浪作用下产生的沿岸流在东侧港池处分流，沿岸流主流仍然由东向西输移，但有部分沿岸流输移至东侧港池内，这与NE 向浪的波浪传播形态一致;NW 向浪作用下产生的沿岸流，需绕过
岸滩的两处垂直护岸以及厂区西侧港池后，才能缓慢向东运动。

6.2 动床试验成果与分析
动床泥沙试验主要研究了常年浪和台风浪作用下的取水含沙量、取排水口近区泥沙运移及海床地形冲淤变化，试验显示:
1)本工程海域近岸泥沙在NE 和NW 向浪作用下，沿岸输沙主要集中在4 m 水深
(破波带)以浅区域。

2)工程厂区东侧挖入式港池的建设，切断了由东向西沿岸输沙的路径。

在NE 向常年浪作用下，大部分床沙在床面摆动、滚动，随破波沿岸流向西沿岸输移，运移至东侧港池东北角边坡处，受岸滩地形突变、水深加大的影响，床沙基本在边坡处形成淤积;少量床沙掀起后以悬浮形式向取水口方向输移，泥沙在向取水口方向运移过程中，由于受2 万t 成品码头前沿预留高地、排水口前沿挡热墙、排水出流以及20 万t和30 万t 高桩码头等的阻挡掩护(见图2)，大多会在高地东侧、东侧港池及20 万t、30 万t 级码头前港池内落淤，能到达取水口附近的泥沙数量较少，因此常年浪作用下的取水含沙量较低。

而在NE 向台风浪作用下，水位增高，波浪作用增强，泥沙悬浮掀沙程度明显，水体含沙量激增，泥沙向取水口方向以及航道内运移扩散的范围明显增大，向取水口方向运移的泥沙也增多，因此取水含沙量及取水口前沿的港池泥沙沉积量均有所增大。

3)试验显示，NE 向常年浪和台风浪作用下电厂取水含沙量介于0.026 ～0.045 kg/m3 之间。

常年浪和台风浪作用下，取水口前沿明渠内的平均淤积强度分别为0.07 m/a 和0.13 m/d，A 区30 万t 码头区域最大淤积强度为0.10 m/a 和0.18 m/d，在常年浪作用下地形冲淤变化见图4。

4)工程区西侧港池以及两处垂直护岸的建设，延缓了由西向东沿岸输沙向取水口方向输移。

在NW 向常年浪作用时，由于波浪动力较弱，未能扰动南三岛航道北侧浅滩的床沙，而工程区西侧浅滩内大部分床沙在床面摆动或缓慢移动，少量床沙掀起后以悬浮形式经由西侧港池向取水口方向运动，泥沙在西侧港池以及取水口前沿的港池内落淤，而运移至取水口前沿的泥沙数量较少。

而在NW 向台风浪作用下，由于波浪作用增强，南三岛航道北侧浅滩有少量床沙被掀起，以悬浮形式经由航道向取水口方向运动，但泥沙数量很少;同时，工程区西侧浅滩的泥沙搬运能力增强，泥沙
以悬浮形式为主，经由西侧护岸和西侧港池向取水口方向运移，泥沙在西侧港池以及取水口前沿的港池内落淤，而运移至取水口前沿的泥沙数量则有所增大。

图4 NE 向常年浪代表波作用下海床地形冲淤演变注:图中CS1 ～CS11 为量测断
面
5)试验显示，NW 向常年浪作用下，取水含沙量介于0.015 ～0.038 kg/m3 之间。

常年浪和台风浪作用下，取水口前沿明渠内的平均淤积强度分别为0.05 m/a和
0.11 m/d，A 区30 万t 码头区域最大淤积强度为0.08 m/a 和0.16 m/d，在常
年浪作用下地形冲淤变化见图5。

6)排水口所处地势较高，无论常年浪或是台风浪作用下，少量泥沙以悬浮形式运移至排水口后，受排水出流流速影响，排水口处难以形成泥沙淤积。

7 结论［5］
1)综合电厂厂址工程海区波浪特征、泥沙环境和海床冲淤演变情况，建立了取排水工程波浪泥沙物理模型。

通过对物理模型进行波浪场、冲淤地形等率定与验证，表明模型基本反映了波浪作用下与原体海床、海岸演变规律的相似，达到了波浪泥沙模型相似律的要求。

图5 NW 向常年浪代表波作用下海床地形冲淤演变注:图中CS1 ～CS16 为量测断面
2)试验表明:工程前，由于工程区近岸浅滩存在，不同浪向下的码头前沿所在位置
波高均较小;工程建设后，受近岸码头布置及港内地形变化的影响，波浪场也发生
局部变化，工程区水域波浪动力也明显增强。

3)试验显示:在不同频率潮位、不同浪向(NE 和NW)常年浪和台风浪作用下，取水含沙量最大为0.045 kg/m3(NE)，取水口前沿平均淤积厚度最大值为0.13 m/d，受排水出流流速影响，排水口处难以形成泥沙淤积。

4)综上所述，从波浪作用下泥沙环境效应来看，电厂取水口的取水安全及该取排水
布置和海港工程总布置方案合理可行。

5)工程运行后，为保证取水口安全运行，建议在取水口前缘加设拦污栅，并加强对淤积泥沙和漂浮物的定期管理，及时清理淤积泥沙及拦污栅和水面的漂浮物。

参考文献:
【相关文献】
［1］潘军宁，王红川，王登婷. 湛江钢铁工程码头工程波浪数模计算报告［R］. 南京:南京水利科学研究院，2008.
［2］中华人民共和国交通运输部. JTS/T233 -98 海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程［S］. 北京:
人民交通出版社，1999.
［3］湛江钢铁基地码头工程方案二维潮流数值模拟及泥沙淤积计算可行性分析报告［R］. 天津:交通部水运工程科学研究所，2004.
［4］刘家驹. 海岸泥沙运动研究及应用［M］. 北京:海洋出版社，2009.
［5］付波，黄健东，张婷. 广东钢铁环保迁建工程取排水口波浪泥沙物理模型试验研究报告［R］. 广州:广东省水利水电科学研究院，2010.。