海水取水工程引潮流道断面水工模型试验研究

2014-03-22胡晓霖

东北水利水电 2014年4期

关键词：海漫拍板潮位

韩爽，杨英，胡晓霖

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院 ,吉林长春 130061；2.水利部综合事业局, 北京 100053）

海水取水工程引潮流道断面水工模型试验研究

韩爽1，杨英2，胡晓霖1

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院 ,吉林长春 130061；2.水利部综合事业局, 北京 100053）

通过引潮流道断面试验研究，给出不同潮位、不同拍板门开度、一个拍板门的引潮流量，从而计算取水流量与拍板门数量间的对应关系。

取水工程；水工模型；引潮流量

1 工程概况

华能丹东电厂预扩建机组因取水量的需求，提出了海水蓄水库取水工程即采用沟库分离闸门引潮方案。

引潮闸是自动启闭的拍板闸门。涨潮时库外潮位高于库内水位，拍板门自动打开进水，待涨至库内、外水位相等或落潮时库外潮位低于库内水位，拍板门自动关闭，使库内保持较高的水位供电厂取用。引潮闸每个流道净宽 6.60m，安装 4 个拍板门把流道均分为 4 孔。相邻流道由宽 1.50m 大闸墩分隔，隔离拍板门的小闸墩宽为 0.40m。堰顶标高为-3.00m。闸下接 1∶4.5 的陡坡，陡坡下为14.00m 长消力池，消力池底标高为-7.80m，其后用堆石铺设海漫，海漫底标高为-7.50m 铺设长度为 22.50m。

2 研究成果

试验研究在选取一个流道中的 3个闸孔，比尺为 1∶10 的正态断面模型上开展。

2.1 引潮闸过流能力

2.1.1 单孔引潮闸的过流能力

3 孔均参与不同潮位、不同库水位、不同开度拍板门过流，经过流能力试验数据，给出单孔引潮闸的过流能力计算公式 (计算最大误差不超过4.3%），见表 1。

当 Hs/Hx≥2.2 为自由出流：σs=1；

Hs/Hx≤2.2 为淹没出流：σs=1-0.5 （2.2-Hs/ Hx）。

μ=0.0093ψ+0.0121

式中：A——闸孔面积，1.25×1，m2；Hs——堰上水头，

Hs=潮位-堰顶高程，m；Hx——淹没深度，Hx=库水

位-堰顶高程，m；——拍板门的不同开度，°；σs——

淹没系数；μ——自由出流时的流量系数。

表1 不同潮位、库水位、开度及 3 孔引潮流量

2.1.2 毗邻闸孔关闭对引潮能力的影响

经试验对比边孔的过流能力与其它闸孔没有明显差别，但当邻近闸孔处于自由引潮状态时，相邻闸孔关闭对开启闸孔的引潮量有影响。特别是库水位在闸孔上缘高程附近，闸孔为自由出流的影响较大，见表 2。因关闭的闸孔下游水位比开启闸孔的下游水位高，边侧闸孔的闸墩下游水流大范围的折向开启的闸孔，降低了闸上、下游水位差所致。

2.2 引用流量与拍板门数量关系

根据低潮位（P=97%）典型潮汐过程及中国水利水电科学研究院《华能丹东电厂海水蓄水库取水工程拍板门水力特性试验研究报告》，拍板门在不同潮位和库水位条件下开启的角度及本次试验得出的流量系数，演算了引潮闸在低潮位时引流的过程，并以此推算针对典型低潮汐过程电厂二、三期扩建后，在现有水库库容下提供冷却用水流量 62.02m3/s，116.7m3/s时，需要拍板门为 20 个、44 个。若对库容考虑 1.2 的安全系数，以充分保证电厂冷却用水，则需要拍板门为 22 个、52 个。但通过计算也得知，对电厂二期，拍板门不超过 38 个、取水流量不大于 80m3/s和电厂三期，拍板门不超过 70 个、取水流量不大于 122m3/s，拍板门个数的增加与取水流量的增加成正比。若超过此界限，引潮闸拍板门个数无论怎样增加对取水流量都增加不大。所以，从经济的角度看单纯从加大拍板门数量来增加取水流量是不可行的。

表2 毗邻闸孔开启与关闭对邻近闸孔引潮量的影响

2.3 海漫抗刷研究

消力池下游海漫设计、校核标准是多年平均潮位 0.06m、多年平均高潮位 2.26m。在多年平均潮位工况下，实测消力池下 22.50m 范围内最大流速为 3.43m/s。由伊兹巴士公式：

V=KD1/2

式中：V 为抗冲流速，m/s；K 为系数，一般取 5～7；D 为中值粒径，m；

可知，选用的块石粒径为 0.70～0.83m，但若允许海漫有一定的变形而不发生破坏，海漫选用的块石粒径可以减小到 0.40～0.50m，铺设厚度为1.00m，长度为 22.50m。海漫下河床沙模拟依蓄水库内淤积物的颗粒级配的中值粒径 d50=0.01 ～0.08mm，并满足泥沙起动相似，选用的模型冲料采用轻质塑料沙。

施放设计、校核潮位，消力坎下冲刷分两部分：一部分是靠近消力坎的冲刷，即水舌落入海漫上，紊动的水流将细颗粒带向下游，海漫有局部沉陷但未构成破坏，最大下沉深度 4.59m；另一部分是在海漫末端,因库区细床砂质被潮水带向远处，在海漫末端造成塌落，最大冲深 3.73m，基本满足稳定要求。

2.4 拦漂试验

针对引潮闸进口前缘水体表层可能出现的浮冰和海藻等漂浮物进行了拦阻效果试验分析。漂浮物的模拟分两部分：一部分是藻类；另一部分是冰。

2.4.1 藻类

试验对藻类的模拟采用密度小于 1.00 的稻草梗。尺寸控制在 0.50～2.00cm。即原形藻类为5.00～20.00cm。

拦漂试验仅选取多年平均潮位 0.06m，拍板门开度为 69°一种工况作为典型来潮量进行排漂试验。

引潮闸在该潮位引水时，闸前 20.00m 处最大流速为 1.15m/s，试采用拦漂排拦截引潮闸进口前的漂浮物即海藻和冰块。拦漂排跨度为 24.30 m，挠度为 3.00m，拦污浮筒直径为 0.125m，筒长为 0.625m，拦污挂栅高为 0.17m，固定拦漂排的两端设为可升降的滑道，以适应不同潮位的变化。

拦漂效果用排漂率与滞漂率表示：

排漂率=（排漂量/来漂量）×100%；滞漂率=（滞排量/来漂量）×100%。拦漂排拦截海藻的排漂率为 28%，滞漂率为 72%。

2.4.2 浮冰

冰块厚度依据海冰特征为 0.05 ～0.15m 及0.50m 两种尺寸。模型按比例尺缩放为 0.50～1.50 cm 及 5.00cm 比重为 0.92 的 2 种规格的石蜡，或比重为 0.90 的冰块来模拟。对于并置的冰块用石蜡模拟，对于堆积加厚的冰块用真冰模拟。

当引潮闸引用该潮位下的潮水时，拦漂排并不能起到拦截冰块的作用。其原因是闸前流速足以使冰块沿拦漂排下翻转而行，绕过拦漂排的冰块在拍板门闸孔处淤堵，造成引潮闸引用潮量的大幅度降低。

拦冰条件分析：引潮闸闸前如果采取拦冰措施，冰块必然在拦冰设施前堆积。堆积冰的分类为：并置型、叠加型。

对于引潮闸的拦冰，既要将冰拦截，又不能抬高水位，所以，只有堆积的冰是并置型，才能实现拦冰。

鉴于上述限制所以设置拦冰排时，引潮闸闸前的最大平均流速可由冰上方的不溢条件导出。即：

γu=［2g（ρi/ρ）t］0.5

式中：γu——冰下面水流的平均流速，m/s；g——重力加速度，m/s2；ρ——水的密度，kg/m3；ρi——冰的密度，kg/m3；t——浮冰块厚度，m 。

依据基础资料的冰厚尺寸计算形成并置型堆积冰的最大流速，见表 3。可见，如果设置拦冰排，引潮闸闸前水流平均流速不应超过 0.3m/s。

为给出不同潮位下引潮闸前的平均流速，从东港实测的潮汐资料中选出了一个大潮过程、一个小潮过程，其后给出的这两个过程在引流中不同历时的闸前流速普遍都大于 0.3m/s，因而不具备拦截的条件。即若设置拦冰措施，冰块会下潜绕过拦截体。