韓 強(qiáng),佘明富,徐 薇

(1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?山東 濟(jì)南 250013;2.南京水利科學(xué)研究院河流海岸研究所,江蘇 南京 210029;3.濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山東 濟(jì)南 250101)

21世紀(jì)以來(lái),中國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展,對(duì)電量的需求也越來(lái)越大,為解決重慶地區(qū)發(fā)電量不足的問(wèn)題,重慶永川火力發(fā)電廠三期工程于2005年異地?cái)U(kuò)建,新廠址位于永川市松溉鎮(zhèn)。永川火力發(fā)電廠三期工程新建2×135MW凝汽式發(fā)電機(jī)組,夏季最大需水量為797m3/h,以長(zhǎng)江水作為電廠補(bǔ)充水源。取水口處設(shè)2個(gè)取水蘑菇頭,直徑為2m,用2條DN400的鋼管引至岸邊取水泵房。

長(zhǎng)江取水河道多年平均含沙量為1.14kg/m3,多年實(shí)測(cè)最大含沙量為15.4kg/m3,多年平均懸移質(zhì)輸沙量約為3.07億t,汛期7—9月懸沙來(lái)量占全年的75%以上。因此取水口的設(shè)置首先要考慮淤積問(wèn)題,另外由于長(zhǎng)江是我國(guó)重要的航道,取水口的設(shè)置不能影響航道的正常運(yùn)行。本文通過(guò)永川火力發(fā)電廠三期工程的取水口物理模型試驗(yàn),對(duì)3個(gè)取水?dāng)嗝娓浇牧鲌?chǎng)分布和泥沙沖淤規(guī)律進(jìn)行分析,從而確定最經(jīng)濟(jì)合理的取水口位置,為取水口及取水泵房的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 幾何比尺

永川火力發(fā)電廠三期工程取水河道參與造床作用的泥沙主要為懸浮質(zhì)泥沙,模型設(shè)計(jì)水平比尺λl=250,垂直比尺 λh=100,變率 η=2.5。模型有效范圍從上游朱沱水文站附近至下游的朱羊溪。模型制作采用斷面法,采用1994年施測(cè)的1∶5000航道圖制模,取水段局部采用2003年5月1∶2000地形圖。為保證精度,一些關(guān)鍵的局部微地形參照航道圖和大比尺地形圖采用等高線法仔細(xì)塑造。斷面砌筑完畢后進(jìn)行高程點(diǎn)核對(duì),要求斷面上高程點(diǎn)絕對(duì)誤差小于2mm。

1.2 水流運(yùn)動(dòng)相似

天然河道的水流一般均處于紊流狀態(tài),保證水流相似的條件為重力相似、阻力相似和流量相似[1-3]:

式中:λu和λv為流速比尺;λn為糙率比尺;λQ 為流量比尺。

為使模型的糙率系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求,模型采用梅花形橡皮加糙方法,橡皮尺寸為30mm×15mm×5mm(長(zhǎng)×寬×厚),間距為50mm。

1.3 懸沙運(yùn)動(dòng)相似

由非恒定流懸沙運(yùn)動(dòng)方程和河床變形方程可以導(dǎo)出懸沙相似條件:

式中:λω為泥沙沉降速度比尺,λω=4;λS為含沙量比尺,λS=0.22;λS*為水流挾沙力比尺 ;λt2為沖淤時(shí)間比 尺,λt2=260;λρ0為淤積泥 沙干密 度比尺 ,λρ0=2.3;λv0為起動(dòng)流速比尺 ,λv0=10;λρs為模型沙密度比尺;λρs-ρ為原型沙密度比尺。

根據(jù)上述相似條件結(jié)合取水河道泥沙特性,模型沙選用60～100目的木粉按粒徑相似要求配比得d50=0.085mm左右的模型沙,測(cè)得平均沉降速度約為0.045cm/s,浸水飽和后木粉含沙量為1.16 g/cm3,起動(dòng)流速為6～8cm/s,長(zhǎng)江松概河道平均水深一般在8～15m,按竇國(guó)仁起動(dòng)流速公式[1]計(jì)算,原型起動(dòng)流速在62.0～80.4cm/s之間,起動(dòng)流速比尺基本滿足要求。模型的沖淤時(shí)間比尺等一般通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)適當(dāng)調(diào)整。

2 模型試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 清水試驗(yàn)

2.1.1 水面線驗(yàn)證

長(zhǎng)江上游水文水資源勘測(cè)局在模型試驗(yàn)段內(nèi)共設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn),清水水位驗(yàn)證采用2005年10月13—14日流量為8940m3/s時(shí)的實(shí)測(cè)中水瞬時(shí)水面線。調(diào)整模型糙率和關(guān)鍵部位地形,使模型水面線和原型水面線基本一致,各站水位的絕對(duì)誤差均小于0.001 m(相當(dāng)于原型的0.1m),如表1所示,沿程水面線驗(yàn)證結(jié)果表明模型滿足阻力相似要求。

表1 2005年10月13—14日沿程水面線驗(yàn)證結(jié)果 m

2.1.2 流速驗(yàn)證

以2005年10月13—14日實(shí)測(cè)流量8940m3/s為基準(zhǔn),測(cè)取3個(gè)斷面垂線平均流速進(jìn)行流速驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出,模型流速沿河寬分布與原型基本相似。

2.1.3 分流比驗(yàn)證

對(duì)永川火力發(fā)電廠廠址附近溫中壩兩側(cè)分流比進(jìn)行驗(yàn)證,其中斷面2左汊天然流量為3340m3/s,占總流量的37%;右汊流量為9020m3/s,占總流量的63%。模型左汊流量為3420m3/s,占總流量的38.3%;右汊流量為5520m3/s,占總流量的61.7%,表明分流比誤差較小,與河道實(shí)際情況基本吻合。

清水試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明模型和原型的水面線基本一致,模型流速沿河寬分布與原型基本相似,模型分流比誤差較小,與原型基本吻合。

2.2 渾水試驗(yàn)

渾水試驗(yàn)的目的在于驗(yàn)證模型在兩個(gè)水文年內(nèi)沖淤范圍和淤積量與原型的相似程度。本次模型驗(yàn)證限于2003年5月測(cè)圖范圍。

表2 取水河道垂線平均流速沿河寬分布的驗(yàn)證結(jié)果

2.2.1 來(lái)水來(lái)沙過(guò)程概化

根據(jù)2003—2005年天然取水河道實(shí)測(cè)資料及河道沖淤特點(diǎn)分析,2003年5月至2005年10月河道稍有淤積,但淤積量不大,基本為汛期未沖刷完的淤沙。驗(yàn)證試驗(yàn)2003年5月開(kāi)始,2005年10月14日結(jié)束。

模型試驗(yàn)的入口水沙條件按朱沱水文站相應(yīng)水文資料控制。尾門控制水位通過(guò)朱沱水文站水位～流量關(guān)系按比降換算到尾門控制站,并利用朱沱水文站水位進(jìn)行水位校核。

各流量級(jí)的底沙加沙量均按竇國(guó)仁推移質(zhì)公式[1]計(jì)算:

式中:qsb為單寬輸沙率;a為河床補(bǔ)給系數(shù);ρs為泥沙顆粒的密度;ρ為水的密度;C0為無(wú)量綱的謝才系數(shù);v為垂線平均流速;v k為起動(dòng)流速(個(gè)別泥沙起動(dòng),其他泥沙不動(dòng));g為重力加速度;ω為沉降速度;h為水深;n為曼寧糙率系數(shù)。

2.2.2 取水河道沖淤量驗(yàn)證

從試驗(yàn)過(guò)程的監(jiān)測(cè)情況來(lái)看,河道年內(nèi)沖淤過(guò)程基本分為兩個(gè)階段:第1階段從5月下旬到9月,基本為淤積過(guò)程,9月淤積量達(dá)到最大;第2階段從9月到12月中旬,皆為沖刷過(guò)程。2005年10月原型和模型的剩余淤積量分別為26.2萬(wàn)m3和30.43萬(wàn)m3,可見(jiàn)沖刷后的剩余淤積量比較接近。圖1給出了2003—2005年模型和原型淤積分布的對(duì)比,由圖1可以看出,模型驗(yàn)證淤積范圍和原型淤積范圍基本一致,沖刷后剩余淤積范圍也基本一致,表明模型與原型沖淤過(guò)程及沖淤分布是相似的。根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程的監(jiān)測(cè)分析,取水河道汛期淤積的泥沙到次年年初基本沖刷完畢。

圖1 2003—2005年模型與原型淤積分布對(duì)比(單位:m)

3 取水河道泥沙沖淤試驗(yàn)

泥沙沖淤試驗(yàn)主要考慮了兩種情況:一是相對(duì)較長(zhǎng)的年際間的沖淤變化;二是年內(nèi)的沖淤過(guò)程[5-7]。根據(jù)不同時(shí)期測(cè)圖的比較,該河道沒(méi)有明顯的沖淤趨勢(shì),長(zhǎng)期來(lái)說(shuō)是穩(wěn)定的,因此本次年際間沖淤變化主要考慮年際間水沙變化較大的年份組合(共5 a),代表水沙采用1996—2000年朱沱水文站資料,其中包括暴發(fā)大洪水的特殊年份1998年,測(cè)取每年年末的河道地形作為取水河道年際間地形變化的參考。年內(nèi)沖淤試驗(yàn)選用1998年水沙過(guò)程作為代表水沙組合,試驗(yàn)結(jié)果是偏安全的。

3.1 取水河道泥沙淤積分布

圖2(a)給出了取水河道在電廠運(yùn)行5 a后的淤積分布,可見(jiàn)淤積主要分布于溫中壩磧尾、彎道凸岸等部位,一般淤積厚度在2m以內(nèi),局部如溫中壩磧尾淤積達(dá)3～4 m,全河道淤積總量為119.6萬(wàn)m3。電廠取水河道北岸淤積強(qiáng)度及淤積量均較小。由圖2(a)可以看出,取水?dāng)嗝?附近基本無(wú)淤積,淤積主要分布于大六溪河口邊灘及深槽,靠近取水?dāng)嗝?和取水?dāng)嗝?。

3.2 取水河道年內(nèi)沖淤過(guò)程

根據(jù)泥沙淤積試驗(yàn)的觀測(cè)結(jié)果,取水河道年內(nèi)沖淤變化比較明顯。一般規(guī)律是汛期淤積汛后沖刷,年內(nèi)基本平衡。為研究河床年內(nèi)的沖淤過(guò)程,利用1998年水沙資料進(jìn)行河床年內(nèi)沖淤過(guò)程的模擬,測(cè)取汛末最大淤積量,并對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的斷面進(jìn)行沖淤過(guò)程的監(jiān)測(cè)。

圖2(b)給出了1998年汛末取水河道淤積分布,可以看出,汛末淤積部位與圖2(a)是類似的,但淤積強(qiáng)度和范圍明顯大于圖2(a)。淤積強(qiáng)度一般在4m以內(nèi),全河道淤積總量達(dá)244.5萬(wàn)m3。從圖2(b)可以看出3個(gè)取水?dāng)嗝娓浇臎_淤變化,其淤積主要位于大六溪河口邊灘及深槽。

圖3給出了3個(gè)取水?dāng)嗝娴哪陜?nèi)沖淤過(guò)程,圖3表明汛期河道內(nèi)是淤積的,9月淤積強(qiáng)度達(dá)到最大,隨后河道開(kāi)始沖刷,淤積厚度逐漸減小,到年末保持河道的相對(duì)平衡。

圖2 取水河道淤積分布(單位:m)

圖3 3個(gè)取水?dāng)嗝娴哪陜?nèi)沖淤過(guò)程

試驗(yàn)結(jié)果表明取水?dāng)嗝?附近泥沙淤積較少,取水?dāng)嗝?附近最大淤積厚度小于3.5m,取水?dāng)嗝?附近最大淤積厚度小于3.0m,可見(jiàn)目前河道滿足電廠擴(kuò)建的取水要求,一般無(wú)需疏浚維護(hù)。另外由于取水?dāng)嗝?距廠址較遠(yuǎn),工程投資較大;取水?dāng)嗝?水流比較平順,可以避開(kāi)主航線;取水?dāng)嗝?淤積較少,工程投資節(jié)省,但取水口位于主航道附近,枯水季節(jié)可能對(duì)通航產(chǎn)生影響。經(jīng)過(guò)綜合比較,最終將取水口設(shè)在取水?dāng)嗝?。

4 結(jié) 語(yǔ)

永川火力發(fā)電廠廠址不同時(shí)期的地形資料對(duì)比表明,取水河道岸線穩(wěn)定,左岸深槽及各取水?dāng)嗝嫖恢没緵](méi)有累積性沖淤,河床沖淤幅度較小。模型清、渾水驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明,模型與原型阻力相似,流速分布與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合,淤積范圍及淤積量與原型基本接近,表明模型采用的各項(xiàng)水流比尺選擇合理,可以達(dá)到與原型的相似,可用于電廠取水能力試驗(yàn)。取水河道泥沙沖淤試驗(yàn)結(jié)果表明,取水河道泥沙洪水淤積,枯水沖刷。淤積主要分布于溫中壩磧尾、彎道凸岸等部位,1998年汛末淤積厚度一般在4 m以內(nèi),全河道淤積總量為244.5萬(wàn)m3,汛后泥沙沖刷,年際間保持相對(duì)平衡。3個(gè)取水?dāng)嗝娴挠俜e厚度均不大,目前河道滿足電廠擴(kuò)建的取水要求,一般無(wú)需疏浚維護(hù)。由于取水?dāng)嗝?距廠址較遠(yuǎn),工程投資較大;取水?dāng)嗝?水流比較平順,可以避開(kāi)主航線;取水?dāng)嗝?工程投資節(jié)省,但取水口位于主航道附近,枯水季節(jié)可能對(duì)通航產(chǎn)生影響。經(jīng)過(guò)綜合比較,最終將取水口設(shè)在取水?dāng)嗝?。

永川火力發(fā)電廠三期工程于2005年開(kāi)工建設(shè),運(yùn)行至今狀態(tài)良好,在電廠運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生因長(zhǎng)江水位起伏和流量變化造成的取水口淤積,且取水口對(duì)長(zhǎng)江航道也沒(méi)有產(chǎn)生影響,為電廠的連續(xù)運(yùn)行提供了有力的保障,這表明永川火力發(fā)電廠三期工程取水口物理模型試驗(yàn)的結(jié)論是正確的,取水口的設(shè)置經(jīng)過(guò)了實(shí)踐的檢驗(yàn)。

[1]竇國(guó)仁,萬(wàn)聲淦,陸長(zhǎng)石,等.長(zhǎng)江三峽工程回水變動(dòng)區(qū)長(zhǎng)河段泥沙模型驗(yàn)證試驗(yàn)報(bào)告[R].南京:南京水利科學(xué)研究院,1990.

[2]竇國(guó)仁,萬(wàn)聲淦.三峽變動(dòng)回水區(qū)泥沙問(wèn)題的試驗(yàn)研究[R].南京:南京水利科學(xué)研究院,1990.

[3]錢寧,萬(wàn)兆惠.泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1983.

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