后石电厂排水口冲刷及其防护块体稳定试验研究

张 磊，徐 啸

(南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

漳州后石电厂位于福建省漳州龙海市，毗邻大海，其东南方面向台湾海峡，东北距浯屿岛2km，北距九龙江入海口约18km.电厂排水设计有2个出口，温排放满负荷排水量分别为132和88 m3/s，排水流量比较大.研究发现，电厂温排水会对排水口底床造成冲刷，进而影响排水口基础结构的稳定［1－2］.因此，对电厂排水口冲刷及其防护块体稳定进行研究具有重要意义.

本文通过正态物理模型对后石电厂排水口冲刷及其防护块体稳定进行了研究，旨在确定排水口冲刷深度和范围，并确定合适的防冲范围及采用相应的防冲措施，为排水基础设计提供参考，并为防止排水口冲刷提供技术支撑.

1 后石电厂排水口附近海域自然条件

厦门附近海域为强潮地区，潮差累计频率不大于10%的大潮潮差约为5.3m，潮差累计频率不大于50%的中潮潮差约为4.0m，潮差累计频率不大于90%的小潮潮差约为3.0m，不大于97%的小潮潮差约为2.0m，根据厦门海洋站与后石海区临时验潮站同步资料分析，后石电厂附近潮位比厦门站略低(约低3～4cm)，潮差相近.

分析电厂附近水域多次水文测验资料［3］表明，电厂附近水域潮流为正规半日潮，且主要为往复流，其中排水口水域的潮流主要受自东南向西北过境潮流的分流影响.数学模型计算［3］表明该厂排水口附近海域涨落潮半潮平均流速很小，一般不大于10cm/s.该电厂的温排水是排水口附近的主要水流动力，对排水口底床冲刷起决定作用.因此，本文仅对电厂排水口温排水冲刷模拟及其防护块体稳定进行试验研究.

根据水文测验期间底质取样资料，排水口附近海域底质为粉砂，中值粒径为0.12～0.20mm.其中排水口0m等深线向岸底沙较粗，中值粒径为0.20～0.32mm，这也是本次试验研究的主要泥沙粒径范围.

2 排水口物理模型设计及试验方法

考虑排水口建筑物尺寸要求，模型几何比尺λ=40，为几何正态模型.按照Froude相似准则设计模型［4］，模型主要考虑排水口海域海床冲刷问题，所以重点需满足模型沙起动相似要求，即模型沙起动流速(uc)比尺应为:λuc=λu=6.32;模型各比尺分别为:垂直比尺λh=40，水平比尺λl=40，流量比尺λQ=10112，流速比尺 λu=6.32，抛石质量比尺 λw=64000.

2.1 模型沙选择

模型沙起动流速采用文献［6］中公式计算得:

其中:下标P代表原型值，M代表模型;UC为泥沙起动流速(cm/s);C为黏结力系数，本文取C=2.9×104g/cm;ρ=1.02 g/cm3;γS为泥沙密度(g/cm3)，天然沙为 2.65 g/cm3，模型沙为 1.15 g/cm3;H 为水深(cm);d为泥沙粒径(cm)，现场天然沙粒径为0.2～0.3mm.

考虑到排水口底质条件、天然沙条件，结合笔者多年模型沙试验研究，确定模型沙采用粒径为0.3mm的木屑.原型水深为0.4～20.0m，相应模型水深为0.01～0.50m，计算现场天然沙和模型沙起动流速，计算结果见表1.可见，当天然沙粒径为0.2mm时，不同水深条件下泥沙起动流速比尺平均为5.34;当天然沙粒径为0.3mm时，不同水深条件下泥沙起动流速比尺平均为6.81.泥沙起动流速比尺为5.29～6.72，基本可满足模型沙起动流速(uc)比尺要求.

表1 泥沙起动流速及比尺Tab.1 Incipient velocity of sediment and scale conditions

2.2 冲刷防护块体选择

对于海域排水口的冲刷防护，使用比较普遍的是抛石防护［7－8］.而对于抛石大小及不同粒径组合的防护效果都有专门的研究［9－12］.本文关注的是在排水流量条件下，选用多大的块体能在排水动力作用下保持稳定，并在此基础上确定冲刷区域块石防护尺寸.块体滑动先于滚动，因此，优先考虑水平底面上块体的滑动平衡条件.如图1所示，在水流流速V的作用下，水中块体的稳定条件是:

式中:Fd为水流V所产生的拖拽力;(Fw－Ff)tanφ为水中块体所产生的摩阻力;tanφ为底摩擦系数，φ为摩擦角，用休止角表示通常在30°～40°之间.

图1 水流作用下块体受力Fig.1 Protection stones by the action of water flow

式中:Cd为拖拽力阻力系数;K1=f(Sp，Re)，与石块形状及雷诺数有关的函数;K2为石块体积常数;S为石块的相对密度;γ为水的重度;d为石块直径;V为最大流速;g为重力加速度.将式(2)，(3)代入式(1)，可得抛石体上的石块脱离平衡状态而产生滑动的最小流速为:

式中:yc，ym分别为滑动稳定系数和滚动稳定系数.

从抛石块体的稳定出发，利用给定的流速条件及石块稳定条件式(4)或(5)估算单个石块的大小及质量:当流速分别为6，5，4，3，2 和1 m/s时，估算得石块直径分别为0.80，0.55，0.35，0.20，0.09 和0.02m，石块质量分别为690，230，60，11，1和0.01kg，即最小流速1 m/s时，直径为0.02m 的石块能保持稳定状态，最大流速为6m/s时，直径为0.80m的石块才能保持稳定状态.据此分别选择10～20cm，20～40cm，40～60cm共3类不同粒径组成的石块依次进行排水稳定试验研究.

2.3 试验过程与条件

电厂排水明渠底设计高程为－1.0m(黄海高程)，试验水位为平均潮位0.25m和低潮位－3.15m.试验准备阶段先进行模型底床局部浚深，浚深范围为排水口隔堤前200m，宽100m，浚深范围及模型布置见图2.试验前模型沙已经过充分浸泡处理，然后按实测地形在动床范围内铺设.放水漫过模型沙并让模型沙充分吸水密实.期间，对局部未密实区域进行补沙再浸泡密实.模型供水系统采用2台管道泵进水，排水量用三角堰控制，水流经尾门进入回水廊道，循环使用.试验时，先缓慢放水到控制水位，然后按照2个排水口满负荷排水流量(132和88 m3/s)进行冲刷试验，试验中观察模型沙冲刷情况，直到冲刷形态基本稳定为止.

抛石稳定试验在局部动床范围内进行，把选择的不同粒径烁石分别放在排水口前动床冲刷范围，控制水位，按现场排水流量132和88 m3/s进行石块稳定试验.试验中，不同粒径组合石块，从小到大，依次进行.

图2 模型布置Fig.2 Model layout

3 排水口冲刷试验

3.1 试验水位0.25m

在电厂2个排水口满负荷排水条件下，排水口动床区冲刷形状见图3，排水口区域冲刷试验地形稳定后冲刷等深线(黄海高程)见图4，排水明渠隔离突堤堤头外40m处海床断面试验前后地形变化见图5.

由图3～5可知，当2个排水口均满负荷排水时，排水口区域沿水流方向，流量为88 m3/s一侧的冲刷范围约90m，另一侧约170m，其中后者的冲刷坑浅呈细条形.排水明渠外海域冲刷区最大宽度发生在两明渠隔离突堤堤头外40m附近，流量为132m3/s一侧最大冲刷宽度约25m，冲刷区呈沟状，另一侧最大冲宽约40m，冲刷区呈坑状.最大相对冲刷深度达8 m以上，主要发生在流量为88 m3/s一侧明渠隔离突堤堤头外50m左右.

图3 动床冲刷地形形态(水位:0.25m)Fig.3 mobile-bed scour(water level:0.25m)

图4 动床冲刷地形等值线 (水位:0.25m)Fig.4 Topographic contour of mobile-bed scour(water level:0.25m)

图5 排水明渠外40m处海床冲刷情况(水位:0.25m)Fig.5 Sea-bed scour conditions about 40m outside the outfall(water level:0.25m)

3.2 试验水位 －3.15m

在低潮位条件下，排水口水位很低，水流流出排水明渠后对底床的冲刷作用更强.－3.15m水位满负荷排水时电厂排水口动床区冲刷形状见图6，排水口区域冲刷试验地形稳定后冲刷等深线见图7，排水明渠隔离突堤堤头外40m处海床断面试验前后地形变化见图8.

图6 动床冲刷地形形态(水位:－3.15m)Fig.6 Mobile-bed scour(water level:－3.15m)

图7 动床冲刷地形等值线 (水位:－3.15m)Fig.7 Topographic contour of mobile-bed scour(water level:－3.15m)

图8 排水明渠外40m处海床冲刷情况(水位:－3.15m)Fig.8 Sea-bed scour conditions about 40m outside the outfall(water level:－3.15m)

由图6～8可知，排水口区域沿水流方向，流量为88 m3/s一侧冲刷范围约90m，另一侧约180m，与0.25m试验水位时的冲刷范围略有区别，区别在于流量为132m3/s一侧隔离突堤堤头外40m附近冲刷沟也加大为冲刷坑，最大冲刷宽度达到40m，流量为88 m3/s一侧最大冲宽约45m;两侧最大相对冲刷深度均达9 m以上，在冲刷幅度和范围上均比平均水位0.25m大，对底床冲刷破坏更强.

2种水位条件下局部动床冲刷试验表明，在2个排水口都满负荷排水情况下，由于流量大，流速较大，将导致排水口海床发生冲刷并形成冲坑、冲沟.排水明渠隔离堤堤头外约50m范围海床为严重冲刷区，最大相对冲深可达9.0m，冲刷程度离排水口越远越轻，流量为132m3/s一侧最远在180m左右.这么大的冲坑和冲刷区域对排水口基础的淘刷是不可避免的［2］.因此，须对排水口冲刷区域进行工程防护.

4 排水口区抛石块体稳定性试验

排水口冲刷试验表明，在满负荷排水条件下，试验水位为－3.15m时的冲刷强度和冲刷范围比水位为0.25m时大，因此排水口区抛石块体稳定性试验选取冲刷最不利水位－3.15m时进行.

图9为满负荷排水条件下，试验水位为－3.15m时的流速分布.由图9可见:隔离堤堤头外约60m范围2个排水口区域流速比较大，基本上在4.0m/s以上，最大约达6.0m/s，其他水域流速除个别地方外基本小于4.0m/s.

抛石试验表明:满负荷排水流量条件下，石块的直径和质量不同，在水体中的稳定性也不同.排水口区域小粒径组合(粒径为10～20cm)，质量为1.4～11.0kg的石块，很快就被水流带走，在离排水明渠隔离堤前100m左右的地方才停下来;对于直径在20～40cm，质量为11～87kg的块石，床面上有个别块石在水流作用下沿流速方向漂移，不是很稳定;对于直径40～60cm，质量为87～294kg的块石，均能保持稳定状态.这也说明直径40～60cm，质量为87～294kg的块石组合能够在4.0～6.0m/s流速条件下保持稳定.

根据上述试验结果，在排水明渠口外50m范围内采用直径40cm左右的块石进行抛填防护，50～100m范围内采用直径20cm左右的块石进行抛填防护的方案是切实可行的.

图9 流速分布Fig.9 Velocity distribution

5 结语

(1)在满负荷排水作用下，排水口海域会发生底床冲刷现象，最终形成冲刷坑和冲刷沟.排水明渠隔离堤堤头外约50m范围海床为冲刷严重区，低水位条件下局部相对冲深可达9.0m以上.

(2)抛石稳定试验表明直径40～60cm，质量为87～294kg的块石在满负荷排水条件下均能保持稳定状态，直径在20～40cm，质量为11～87kg的块石不是很稳定.

(3)由满负荷排水条件下冲刷试验和抛石稳定试验得出优化方案为:在排水明渠口外50m范围内采用直径40cm左右的块石防护，50～100m范围内采用直径20cm左右的块石进行防护.

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