滨海电站取水对港内船舶水流力试验研究

韩春晓，杨艳静，陈汉宝，沈文君，周志博，张亚敬

(1.中交天津航道局有限公司，天津 300461； 2.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222；3.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

一般而言，当滨海电站采用海水直流冷却供水系统时，其取、排水工程基本布置在滨海电站配套的港口水域。为了保证电厂取水口水面稳定，受波浪影响小，电厂冷却水取水工程一般布置在港池内。当取水口位置距离船舶航行路线或泊位较近并且电厂取水量较大时，因取水引起的港内水流变化将直接影响船舶在港内的航行和安全靠离泊操纵，尤其是进港船舶在失去动力的情况下，水流力对其安全影响不可忽视。已有研究多从特定电站港口离靠泊时船舶及拖轮操纵等角度讨论[1-5]，尚未有针对电站取水影响下船舶失去动力情况开展研究分析。本文以建设中的印度尼西亚芝拉扎燃煤电站三期1×1 000 MW机组及扩建项目为例，对无动力的运煤驳船所受水流力进行试验研究。该电站一期、二期工程均已建设完成，装机容量分别为2×300 MW和1×660 MW，一、二期取水流量分别25 m3/s和34.5 m3/s，一期取水工程为明渠，明渠入口正对港池口门，二期取水口位于港池内。拟建的三期及扩建工程总装机容量达到2×1 000 MW，取水口紧邻一期工程取水口，取水量为98 m3/s，这样一、二、三期及扩建工程同时运行时，总的取水量达到157.5 m3/s，取水水体均需流经港区口门区域达到取水口，同时该电站运煤的主力船舶为自身无动力驳船，需由拖轮拖带进港。由于该工程为扩建项目，可利用的水域有限，运煤驳船在回转水域转弯过程中或拖轮失去动力时，拖绳松弛将导致驳船不会受到拉力的作用，在电站取水水流作用下容易发生撞击事故，影响电站安全运行。为此，通过开展物理模型试验，分析无动力船舶在港内取水水流作用下所受水流力，评估存在的风险，为取水设计方案比选提供依据，也为同类滨海电站工程提供参考。

1 工程概况

针对该项目的取水口方案有两种设计方案，分别如下：

方案1中取水明渠部分为南侧进水设计方案(图1)。方案 1在一期取水明渠的基础上进行改建。原明渠东堤堤头拆除，其余部分保留；改造原明渠西堤，将明渠西扩；西侧原堤头保留，并向海域延伸。取水明渠设计底高程为-4.5 m。

方案2中取水明渠为东侧进水设计方案(图2)。该方案在原取水东堤距岸约50 m处向海侧开口，形成明渠入口，明渠底高程为-4.5 m，新明渠入口设计断面高程-4.5 m、底宽100 m。

本文旨在研究不同方案对港内流场的影响，重点研究不同取水方案时的流场变化。由于港内受防波堤掩护效果较好，波浪较小，因此在模型中未考虑波浪的影响。

2 模型设计与制作

本模型为取水条件综合作用下的船舶受力物理模型，研究方法主要依据相关的规范[6-9]和以往的工程经验[10-12]，遵照规范按照重力相似准则设计模型，采用正态定床整体物理模型，在保证模型尺度与测量精度要求下，结合试验场地和设备性能，该模型几何比尺取为50。模型地形制作采用桩点法，建筑物按照设计结构断面铺设，平面尺寸及高程偏差均满足规范要求。

船模按重力相似设计需要满足以下条件：

(1)几何相似：模型船与原型船保持几何相似。

(2)静力相似：采用配重方法，在适当位置放置适当的重物，使其符合不同载重时的重量及其分布要求，并保证重心的纵向和垂向位置相似。

(3)动力相似：对船模的质量惯性矩进行校准，保证其横摇及纵摇周期符合相似条件。

本模型中，14 000 DWT驳船主要参数(包括实型和模型)如表1所示，制作好的船模如图3所示。

表1 14 000 DWT驳船主要尺度与参数(比例尺1:50)Tab.1 The main parameters for 14 000 DWT barge (1:50)

本试验主要对电厂取水时，取水口附近、航道关键位置以及码头前沿处流速进行观测，测定船舶在航道不同关键位置处时G流作用产生的水流力。水流流速采用“小威龙”声学多普勒三维点流速仪进行测定，该仪器流速测量范围为0～3 m/s，精度为测量值的±0.5%±1 mm/s，采样频率1～10 Hz。水流力的测定采用系缆力测量方法(图4)。 缆力传感器量程为 30 N，精度为满量程的0.05%。

3 试验结果分析

3.1 取水对附近水域流场的影响

试验水位是平均水位 1.21 m(基面为MSL)，由于取水流量较大，为了评估本次取水工程对港池航道流场的影响，因此在研究该问题时未考虑波浪的影响。在工程现状、方案 1和方案2中各布设了流速测点，位置见图5～图7，图8为试验中的流态图。各方案相应测点的流速以及流向结果见表2。从表 2可以看出，港池内的流速在各个取水方案时的差别不大，取水口附近水域流速最大。方案1取水口正对航道，在电厂取水过程中会产生较大的流速(CS7、CS8点的流速分别为0.21 m/s 和0.26 m/s)，影响船舶航行安全。方案2取水入口在港池内，取水口附近水域流速为0.28 m/s，但该取水口位置距离船舶航行区域较远，影响到船舶回转水域时的流速仅约为0.04 m/s。从试验的结果也可以看出，方案1和方案2与现状比较，由于取水流量的增大，取水明渠入口处的流速会显著增大。

表2 各方案测点流速Tab.2 The velocity for test points

图8 港区及取水明渠流态图Fig.8 Flow pattern of port area and open water intake channel

3.2 取水对船舶受力的影响

电厂取水会在航道内产生横向流速，而横流会对船舶产生横向的水流力。横向水流力是评价取水对船舶影响的最重要参数。为评估三期取水工程对船舶失去动力后受力的影响，模拟了驳船进港靠泊过程的轨迹线。根据轨迹线以及港池航道流速测量结果，在工程现状、方案 1和方案 2中选取有代表性的位置布置水流力测点，测力位置见图9。与现状相比，在方案1和方案 2中，增加了取水口附近的船舶水流力测试，旨在模拟驳船失去外部协助作用后的情况，即最不利工况。各方案相应测点的水流力以及各向分力结果见表3。从试验结果可以看出，现状方案由于取水量较小，同时取水入口距离一期口门航道较远，港池及航道驳船所受水流力较小，分别为3.19 kN和8.82 kN，该水流力对船舶的航行影响很小。对于方案1和方案2而言，由于取水流量的增大，使得取水入口处水流流速增大，相应的驳船在取水入口位置所受的水流力也增大。尤其是方案1，取水入口针对一期口门航道，航道处水流力横向力可达87.33 kN，取水入口处水流力横向力可达121.97 kN，此时若拖轮失去动力或者拖轮拉绳松弛，驳船将会受水流力的作用偏离航道向取水入口方向移动，可能堵塞取水入口，甚至撞击取水明渠导流堤。对于方案2，取水入口处的水流横向力也较大，可达115.21 kN，根据该结果结合以往工程实际经验，建议在取水入口处设置防撞桩，避免驳船失去动力情况下撞击取水入口处导堤和堵塞取水入口，引起电厂取水安全。方案2与方案1比较，方案2取水入口正对港池，港池相对航道而言船舶运动水域较大，港池中船舶所受水流力也较小，综合比较，方案2可作为取水工程布置的推荐方案。

表3 各方案测点水流力Tab.3 Force results kN

4 结语

本文中的工程港区运营船舶是无动力的驳船，该船型在国内港区不常见，但在东南亚等国外滨海电厂工程中主要是该类型船舶运输煤炭和灰渣。从文中工程实例研究结果来分析，当滨海电厂取水流量较大，且取水入口靠近驳船航行和靠泊路线时，取水引起的船舶水流力是船舶航行及系靠泊安全需要考虑的因素之一，特别是驳船在失去动力后，水流力对船舶安全会产生较大的风险，这也是取水工程平面布置设计时需要考虑的一个重要因素。

因此本文通过物理模型试验模拟了三期取水后的流量，测试了航道与港池的流速分布以及船舶航行不同位置时所受的水流力大小，通过分析不同方案的流速分布以及受力大小，给出了推荐的方案。结论如下：

(1)各取水方案对港池的影响都很小，采取不同方案时，港池内的流速均未超过0.08 m/s。

(2)不同取水方案对航道口门处的影响明显，其中方案1的取水口位置正对航道，产生的横向水流力较强，会对失去动力的船舶造成较大的危险。从安全条件角度考虑，推荐采用取水口布置方案2。

(3)通过分析不同取水方案时的船舶受力可知，一期口门处航道方案1横向受力最大，方案2次之，现状最小；在港池内3个方案船舶受力差别不大。