海濱電廠橋墩式取水口局部沖淤變化的工程計(jì)算方法

1、第48卷第5期2011年10月總第202期港工技術(shù)Port Engineering TechnologyVol. 48No.5Oct.2011Total 202海濱電廠橋墩式取水口局部沖淤變化的工程計(jì)算方法白玉川1，應(yīng)超1，高國(guó)瑜2，楊浩俊2（1. 天津大學(xué)河流海岸工程泥沙研究所，天津300072；2. 中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海200072）摘要：針對(duì)大型電廠海域取排水工程中橋墩式取水口的局部沖淤問題，從勢(shì)流理論和柱狀坐標(biāo)系下床面變形方程出發(fā)，推導(dǎo)單個(gè)取水口的沖淤?gòu)?qiáng)度理論計(jì)算公式，并利用有限差分法離散笛卡爾坐標(biāo)系下的床面變形方程，提出便于求解的沖淤場(chǎng)數(shù)值模擬方法。以某工程的海水冷卻

2、系統(tǒng)取水口為例，應(yīng)用該理論公式和數(shù)學(xué)模型估算取水口附近的泥沙淤積情況取得較好效果，為規(guī)劃取水口的設(shè)計(jì)高程和沖淤防護(hù)措施提供了有力支持。關(guān)鍵詞：橋墩式取水口；局部沖淤；工程計(jì)算方法中圖分類號(hào)：TV148.5；TV671文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1004-9592-（2011）05-0006-03Engineering Calculation Method for Local Sour -and -fill Change aroundPier -type Water Intakes of Coastal Power PlantBai Yuchuan 1，Ying Chao 1，Gao Guoyu 2

3、，Yang Haojun 2（1.Institute for Sedimentation on River and Coastal Engineering ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ；2. China Shipbuilding NDRI Engineering Co. ，Ltd. ，Shanghai 200063，China ）Abstract ：As for the local sour -and -fill problem around pier -type water intakes in the water supply and

4、 drainage project of large -scale coastal power plant ，the theoretical formula of sour -and -fill intensity is gained for a single water intake ，according to the potential theory and seabed change formula under cylindrical coordinate system. In addition ，finite difference method is used to disperse

5、seabed change formula under Cartesian coordinate system. The convenient sour -and -fill numerical simulation method is put forward too. The water intakes of sea water cooling system in some project are taken as an example. The theoretical formula and numerical model are applied to estimate the sedim

6、ent accumulation around water intakes and better effect is obtained ，which is a great assistance to layout the design elevation of water intakes and the sour -and -fill protective measures.Key words ：pier -type water intake ；local sour -and -fill ；engineering calculation method隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展，對(duì)電力

7、的需求旺盛，火電和核電項(xiàng)目的數(shù)量不斷增多。目前，我國(guó)電廠的冷卻水系統(tǒng)分為循環(huán)供水和直流供水2大類，絕大多數(shù)海濱電廠采用直流供水系統(tǒng)1。直流供水系統(tǒng)的取水口布置又分岸邊型和離岸型2種型式，岸邊型取水建筑物一般與水泵房合建，如塔式進(jìn)水口；離岸型取水口與水泵房分開布置，如橋墩式取水口、煙斗式取水口等。橋墩式取水口完全淹沒在水面以下，需要經(jīng)過較長(zhǎng)的引橋與岸邊水泵房相收稿日期：2011-06-09修回日期：2011-09-21基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（40776045）作者簡(jiǎn)介：白玉川（1967-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事海岸動(dòng)力學(xué)及泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)方面的研究。連，適用于取水量較大、水域面

8、積廣闊、水體含沙量高、岸坡較為平緩的電廠廠址。保證直流供水系統(tǒng)的取水安全是工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，既要保證取得低溫水體，又要避免發(fā)生表面吸氣旋渦和泥沙淤塞取水格柵的現(xiàn)象。針對(duì)橋墩式取水口局部沖淤變化問題提出理論求解公式和數(shù)值計(jì)算方法，僅供相關(guān)工程計(jì)算參考。1求解床面沖淤?gòu)?qiáng)度的理論公式為推導(dǎo)床面沖淤?gòu)?qiáng)度的理論解，將橋墩式取水口附近的流場(chǎng)概化為無環(huán)量圓柱恒定繞流問題，即均勻流和偶極子2個(gè)基本流動(dòng)的疊加2。以圓柱中心為原點(diǎn)建立柱面坐標(biāo)系，由流體力學(xué)理論可以求得流速第5期白玉川，等：海濱電廠橋墩式取水口局部沖淤變化的工程計(jì)算方法法計(jì)算沖淤場(chǎng)6。其基本方程為：·7·勢(shì)函數(shù)=v （r+a2/r

9、 ）··cos ；流函數(shù)=v （r -a 2/r ）sin 。由此可得流速分布u r =墜/墜r =v （1-a 2/r 2）·cos ；u =（墜/墜）·r -1=-v （1+a 2/r 2）·sin ，式中a 為圓柱半徑；1）水流連續(xù)方程：墜U i =0；i2）Reynolds 時(shí)均N -S 方程：墜U i +U j 墜U i =i-墜P +墜（2S ji -j i ）；i j3）k 方程：墜k +U j 墜k =ij 墜U i -+墜（+i /j j jk ）墜k ；j4）方程：墜+U j 墜=C1ij 墜U -C 2+2u r 、u 分

10、別為r 、方向的流速；v 為來流速度。計(jì)算其合速度u 2=u r 2+u 2=v 2-2v 2a 2/r 2cos （2）+v 2a 4/r 4。在柱坐標(biāo)系下的床面變形方程為墜z =h （u 墜c +u 墜c ），rm （1）式中z 為床面高程：t 為時(shí)間變量；h 為水深；r m 為泥沙的質(zhì)量密度；水體含沙量c=ku 3/（gh ）m ，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)k 、m 由潮流挾沙的實(shí)測(cè)資料經(jīng)回歸分析得出3，4。根據(jù)水體含沙量的定義，則有墜c 3u 2km 33（u ）m-1墜u ；墜c =3u 2km （u ）m-1墜u 。將其代入式（1）中可得墜z =3v km （u 2）m -1u m （1-a 2）u

11、 墜u cos -（1+a 2）·m （2）u sin 。墜2由合速度計(jì)算公式可得u 墜u 2v 2a cos （2）-422v 2a ；u 墜u 2v 2a sin （2）。在考慮波浪作用時(shí)，合流速u 取為u =|u 潮|+|u 浪|，其中u 浪為常浪軌道流速5，代入式（2）并化簡(jiǎn)可得床面沖淤?gòu)?qiáng)度的理論公式墜z =3v 3km u 3m -22a 2cos （3）-4a 4cos +4a 6cos 。m （3）i j 墜（+/）墜。i kj j式中各項(xiàng)參數(shù)取值參見文獻(xiàn)7。笛卡爾坐標(biāo)系下床面變形方程墜z =1·m墜（u x ch ）+墜（u y ch ），式中u x 、u

12、y 分別為x 、y 方向的流速。對(duì)上式進(jìn)行向前差分整理得（）t ，（）t ，+1tZ t+=Z +i ，j i ，jx r m（）t （）t 。y（4）33.1工程應(yīng)用實(shí)例工程概況以福建省某電廠海水冷卻系統(tǒng)工程為例，離岸式取水設(shè)施采用橋墩式布置，距岸線約393m ，取水口附近水域?qū)掗?，平均水?.7m ，水體含沙量較高，其中大潮全潮垂線平均含沙量0.0316kg/m3，共布置2個(gè)取水口，總?cè)∷髁?5m 3/s。單個(gè)取水口直徑22m ，兩取水口圓心間距37m 。電廠取排水口位置示意，見圖1。式（3）的推導(dǎo)過程基于單個(gè)取水口的情況，不考慮海床底沙的起動(dòng)和懸浮，且假定取水口附近流向固定，合流速可由

13、計(jì)算確定。在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于取水口處的潮流流向往往呈周期性變化，可針對(duì)不同的流向，分時(shí)段計(jì)算床面的沖淤量，即在同一時(shí)段內(nèi)取平均流速與平均流向進(jìn)行計(jì)算。由于上述公式是基于勢(shì)流理論推導(dǎo)而得，其計(jì)算結(jié)果可以疊加，若遇多個(gè)取水口的情況，可以采用“分別計(jì)算、總量疊加”的方法計(jì)算整個(gè)取水口范圍內(nèi)的床面沖淤量。2床面沖淤?gòu)?qiáng)度的數(shù)值模擬方法一般情況下，對(duì)機(jī)理清楚、規(guī)律明確的物理現(xiàn)象往往可以進(jìn)行較準(zhǔn)確的數(shù)值模擬。在推導(dǎo)床面沖淤?gòu)?qiáng)度時(shí)，一般會(huì)作某種程度的近似處理，如上節(jié)推導(dǎo)中就將流場(chǎng)概化為無環(huán)量圓柱繞流，并近似認(rèn)為取水口附近初始水深為定值。采用數(shù)值模擬方法可以考慮取水口附近的實(shí)際水深情況，并可求得更為精確的流

14、場(chǎng)。求解流場(chǎng)的計(jì)算采用k -模型，并采用有限差分圖1電廠取排水口位置示意選取典型大潮期間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分別采用數(shù)值模擬法和理論計(jì)算法計(jì)算取水口附近床面的局部沖淤?gòu)?qiáng)度。根據(jù)對(duì)實(shí)測(cè)資料的回歸分析可得到上節(jié)公式中的系數(shù)k=0.044，m =0.043， 在后續(xù)計(jì)算中水體泥沙·8·港工技術(shù)第48卷的質(zhì)量密度均取r m =1.15t/m3。取水口附近大潮垂線平均流速和流向分布，見圖2。大潮平均流速/（m ·s -1）大潮流向方位角/（°）分布，見圖4。圖3圖2取水口附近大潮垂線平均流速和流向分布大潮期間814h 時(shí)段（第2組） 的數(shù)值模擬結(jié)果3.2床面沖淤?gòu)?qiáng)度的數(shù)值模

15、擬為計(jì)算方便，選取兩取水口圓心連線的中點(diǎn)為原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系。每個(gè)典型大潮歷時(shí)約27h ，考慮到潮流的流速和流向會(huì)隨時(shí)間變化，根據(jù)流向的變化將其分為4組，分別計(jì)算每組的流場(chǎng)和沖淤場(chǎng)，然后疊加得到大潮期間的沖淤總量。計(jì)算大潮沖淤?gòu)?qiáng)度的潮流分組情況，見表1。分組圖4 整個(gè)大潮期間泥沙沖淤?gòu)?qiáng)度分布理論公式計(jì)算中采用與表1相同的潮流分組，分別計(jì)算2個(gè)取水口對(duì)床面沖淤?gòu)?qiáng)度的影響，再將結(jié)果疊加。如在計(jì)算2個(gè)取水口圓心連線中點(diǎn)處大潮期間的沖淤?gòu)?qiáng)度時(shí)，先計(jì)算左下角取水口單獨(dú)存在的情況，再計(jì)算右上角取水口單獨(dú)存在的情況，最后進(jìn)行疊加。取水口對(duì)床面沖淤變化影響的理論計(jì)算數(shù)據(jù)，見表2。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，將受2個(gè)

16、取水口影響的沖z /m-0.2170.150-0.1780.1680.226-0.1560.186-0.175合計(jì)沖淤?gòu)?qiáng)度/m1234計(jì)算大潮沖淤?gòu)?qiáng)度的潮流分組情況起止時(shí)間/h計(jì)算流速/（m 計(jì)算流向方位角/（°）·s -1）170.172150.284781415200.1821521270.2447表1大潮期間814h 時(shí)段（第2組）的數(shù)值模擬結(jié)果，見圖3；疊加所得的整個(gè)大潮期間泥沙沖淤?gòu)?qiáng)度取水口位置左下角取水口分組·v /（m s ）0.170.280.180.240.170.280.180.24-1表2a /m11右上角取水口1234123411取水口對(duì)床

17、面沖淤變化影響的理論計(jì)算數(shù)據(jù)·/（°）r /mu /（m s -1）t /s1860.012524252003540.0339752520018.51860.014041216003540.0249612520060.012524252001740.0339752520018.560.014041216001740.02496125200-0.0770.081淤?gòu)?qiáng)度疊加即得到取水口圓心連線中點(diǎn)位置在大潮期間的淤積強(qiáng)度為0.004m ，而該點(diǎn)處數(shù)值模擬計(jì)算的淤積強(qiáng)度為0.0018m ，通過上述2種方法計(jì)算的結(jié)果屬同一量級(jí)，理論公式法計(jì)算的淤積強(qiáng)度略大，但基本屬于誤差允許的范圍。擇比較適合的計(jì)算方法。參考文獻(xiàn)1金嵐，李平衡，等. 水域熱影響概論M.北京：高等教育出版社，1993.2潘文全. 流體力學(xué)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980. 3王尚毅. 河口工程泥沙數(shù)學(xué)模型M.天津：天津大學(xué)出版社，1990.4結(jié)論本研究針對(duì)實(shí)際工程中橋墩式取水口的局部沖淤變化提出理論公式解法與數(shù)值模擬解法，理論公式解法在求解某一確定點(diǎn)的沖淤變化時(shí)較為方便，且能達(dá)到一定的精度；數(shù)值模擬解法更適合求解取水口附近一定范圍的沖淤場(chǎng)變化，模擬計(jì)算時(shí)可以考慮更多的影響因素，在應(yīng)用時(shí)