黃衛(wèi)東，姚仕明，沈之平，廖小永

(長江科學(xué)院河流研究所，武漢 430010)

1 研究背景

電廠(火電廠和核電廠)的冷卻水一般取自天然河道，溫水排入天然河道，取、排水口位置選擇和設(shè)計型式合理，可以安全可靠地取水，能夠保證電廠安全運行。取、排水工程的設(shè)計是電廠工程設(shè)計最重要的環(huán)節(jié)之一，直接關(guān)系到工程能否正常運行。

目前，國內(nèi)外對電廠取、排水工程的泥沙問題研究多局限于單個工程，缺乏系統(tǒng)的歸納和總結(jié)，對取、排水工程相關(guān)泥沙問題的系統(tǒng)研究及歸納是十分必要的。近年來，長江科學(xué)院對多個長江沿岸電廠的取、排水工程進行了河工模型試驗研究，如國電泰州電廠、華電蕪湖電廠、南通天生港電廠、馬鞍山發(fā)電廠、江蘇華電句容發(fā)電廠等，通過總結(jié)這些電廠取、排水河段河工模型試驗成果，提出幾個普遍存在的泥沙問題，并對其進行分析研究，將對今后電廠取、排水工程的泥沙問題研究具有十分重要的借鑒意義。

2 取、排水工程對河勢的要求

電廠取、排水口選址的合理與否，直接關(guān)系到工程能否正常運行，是設(shè)計及研究時所要關(guān)注的重要問題之一［1］。為此，需結(jié)合河道演變、原型觀測資料以及模型試驗成果等，在試驗河段內(nèi)進一步討論取、排水口位置的優(yōu)劣。

判斷取、排水口位置的優(yōu)劣，涉及面廣(如工程、經(jīng)濟、地質(zhì)、環(huán)境等方面)，不確定因素多(如工程布置形式、河道演變規(guī)律、水沙運動特點等)，其本身是一個十分復(fù)雜的問題。本文的討論僅限于河流動力學(xué)范疇，由此才可能給出相應(yīng)的問題評判標準。所謂優(yōu)良取水地段，從河流動力學(xué)的角度來看，取水工程所在的河段至少應(yīng)具備河勢穩(wěn)定、微沖不淤等基本條件。綜合多個取、排水工程研究成果，基于取水工程對河勢的要求，河段大致可分為以下2類。

(1)適合布置取水口的河段:①彎曲河段的凹岸，為保證工程本身的安全，彎道曲率不能過大，以微彎為宜;②順直河段宜選擇在河寬較窄、水深較大的卡口河段。

(2)不適合布置取水口的河段:①彎曲河段的凹岸或曲率過大的彎道凹岸;②順直河段的邊灘或靠近邊灘的下游區(qū)域。

排水口位置的選擇主要考慮其淤堵的可能性，并易采取工程措施防止排水口門淤積，且其排出的水流對排水口淤堵有一定的改善作用，因此其要求相對較低。

由上述分析可見，取水口應(yīng)布置在彎曲河段的凹岸或順直河段的卡口段，排水口的選擇對河勢及水流條件的要求比取水口要低，只要保證排水口在天然條件下或采取工程后無淤堵的可能性即可。

3 取、排水口高程的合理選擇

合理的取、排水口高程是確保電站取水質(zhì)量、安全運行的關(guān)鍵。河床在水沙條件作用下是沖淤變化的。不同的來水、來沙條件使得河床高程及相應(yīng)水位不同。取水口高程布設(shè)偏低，在河床發(fā)生淤積時，可能出現(xiàn)取水口淤埋、引沙量加大或引不上水;取水口布設(shè)偏高，在河床發(fā)生沖刷時，相應(yīng)水位降低，造成取水口脫離水面，引水不足或引不上水。因此應(yīng)研究不同水沙條件下，取水工程頭部河底高程變化，優(yōu)化選擇取水口高程或分層布置取水口。同時，排水口淤堵將造成工程排水不暢，影響其安全運行。

目前采取的主要研究手段為數(shù)學(xué)模型和物理模型試驗研究。下面簡要介紹了某電廠的動床模型方案試驗成果。該電廠位于長江下游，補給水源為廠址北面的長江，擬采用河床式取水頭取水。循環(huán)水排污水通過設(shè)在長江河床上的排水口淹沒排放，排水口設(shè)在廠區(qū)東北側(cè)，取水口下游約1 000 m處。各方案取、排水口布置見圖1，其中高程單位為m，管徑單位為mm。

圖1 各方案取、排水口布置Fig.1 Layout of water intake and drainage

該工程的動床模型試驗按淤積試驗與沖刷試驗分別進行。淤積試驗選擇大水豐沙年(2010年)+中水豐沙年(2000年)+小水豐沙年(1997年)的連續(xù)組合水文年。沖刷試驗選擇大水少沙年(1954年，未考慮三峽工程影響)+100 a一遇洪水典型年+300 a一遇洪水典型年的組合水文年。模型試驗水文年系列組合水沙特征見表1。

表1 模型試驗水文年系列組合水沙特征Table 1 Runoff and sediment load in hydrological years in model experiment

試驗過程中對每個典型年末及系列年末的地形進行了測量。

3.1 最不利淤積試驗成果

在淤積組合水文年條件下，工程所在岸灘有所淤積，淤積幅度0.8～3.2 m，其中方案1附近的邊灘淤積幅度甚小，越往下游淤積越趨明顯。各取、排水口所在位置淤積情況見表2。

表2 最不利淤積試驗取、排水口位置高程變化Table 2 Elevation variations of water intake and drainage locations in most unfavorable deposition conditions m

從取水口工程所在局部區(qū)域看，方案1淤積幅度較方案2和方案3的淤積幅度小，相對較為安全;從排水口工程所在局部區(qū)域看，由于3個方案排水口布置相對較為集中，淤積幅度較為接近，從測量數(shù)據(jù)來看，方案2排水口位置淤積幅度略小，且淤積試驗后排水口方案1和方案2所在位置高程分別為3.10 m和2.60 m，均低于排水窗頂部高程，高于排水窗底部高程，能滿足設(shè)計的淹沒排放要求。

3.2 最不利沖刷試驗成果

在最不利沖刷試驗條件下，取水口位置呈現(xiàn)微沖，沖刷幅度為0.8～2.2 m，其中方案1取水口位置的沖刷幅度比其他方案的略大，而排水口仍以淤積為主，淤厚為1.2～2.5 m，最不利沖刷試驗條件下取、排水口所在位置高程變化見表3。

3.3 取、排水口高程的選擇和建議

合理的取水口高程是確保電站取水質(zhì)量、安全運行的關(guān)鍵。模型試驗成果表明，方案1的取水頭進水窗底部高程(1.2 m)高于最大淤積床面線(0.1 m)，且還有1 m左右的富余高度;方案2和方案3的取水頭進水窗底部(標高－1.3 m)均低于最大淤積床面線(方案 2為 －0.4 m，方案 3為0.2 m)，其中方案3最大淤積高程(0.2 m)大于取水頭進水窗頂部(標高－0.1 m)。值得注意的是，在不利淤積條件下，采用方案2和方案3引水可能引起床面粗沙進入取水系統(tǒng)，以致可能影響取水質(zhì)量，甚至危及工程安全。因此，建議采用取水口方案1;方案2作為備選方案，應(yīng)將取水頭進水窗底部高程抬高至 －0.4 m以上，以確保電站取水安全。工程經(jīng)驗和模型試驗表明，集中圓形取水頭具有較好的防淤性能，采用設(shè)計的鋼制圓形取水頭是基本可行的。

表3 最不利沖刷試驗取、排水口位置高程變化Table 3 Elevation variations of water intake and drainage locations in most unfavorable scouring conditions m

試驗條件下觀測到排水口工程布置區(qū)有不同程度的淤積，排水口有淤堵的可能，試驗資料表明，方案2淤積幅度相對較小。為安全起見，建議選擇排水口方案2，但所在位置最大淤積高程為3.0 m，高于排水窗底部高程(2.3 m)，低于排水窗頂部高程(3.1 m)，對排水有一定不利影響，建議在條件允許的情況下盡可能抬高高程，但限于97%低水位(3.31 m)淹沒排放要求，建議將排水窗頂部高程抬高至3.2 m左右。排水口的選擇對河勢及水流條件的要求比取水口要低，其排出水流對排水口淤堵有一定的改善作用，建議選擇沖淤變幅相對較小的方案2。

4 取水含沙量及引水防沙措施

4.1 取水口含沙量的影響因素

取水含沙量對取水工程的安全運營至關(guān)重要。取水含沙量與上游河道來沙量有著密切的關(guān)系，一般來說，取水含沙量與上游來沙量成正比，且小水豐沙年取水含沙量比大水豐沙年的大，更易造成引水管道的淤堵。影響取水含沙量的因素眾多，剔除次要因素，下面對取水含沙量最直接、最重要的因素進行分析。影響取水含沙量的因素大致可分為3類:①上游河道含沙量、流量;②河道地形、取水口附近的河床高程;③取水流量及取水泵前池泥沙沉積時間。第①類因素中，上游河道含沙量是最重要的影響因素;對于第②類因素，由于天然河道中懸移質(zhì)含沙量具有上稀下濃的特性，取水附近的高程對取水含沙量影響很大;取水流量也是取水含沙量大小的一個影響因素，需要考慮。

對于特定的電廠取、排水工程，取水口高程和取水量已基本確定，取水含沙量S取水基本與上游模型進口處含沙量 S上游成正比關(guān)系，即假定 S取水=f(S上游)=KS上游，其中K值需要大量的實測資料來確定。模型試驗過程中通過取多組取水口內(nèi)的水樣進行含沙量分析，得到 K的取值范圍為0.46～0.75。由于影響因素多及模擬技術(shù)的局限性，取水含沙量的量值確定還依賴于大量原型觀測資料。

4.2 引水防沙措施探討

分析表明，取水口淤積極易造成引水管淤堵的泥沙主要是以推移運動的床沙，因此，取水設(shè)施引水防沙措施主要是防止推移質(zhì)和懸移質(zhì)中的床沙質(zhì)。目前，比較常見的引水防沙措施主要有攔沙坎、沉沙池、潛堰、潛堰+丁壩、圓弧形擋墻、排沙槽、筑島、進水口設(shè)置格柵等，由于取水頭已突入碼頭前沿線，靠近航道部門的邊界線，不宜設(shè)置新的阻水建筑物影響通航安全。動床試驗資料表明，采用方案1取水口，原有設(shè)計采用的防護方式為筑島方式防護，筑島采用水泥攪拌樁聯(lián)合外圍模袋砂緩沖體，取水頭下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高程為0.30 m，模袋砂緩沖體邊坡采用1∶1，試驗過程中未見混凝土平臺有明顯泥沙淤積，基本能滿足取水口引水的要求。方案2和方案3混凝土平臺均有少量的泥沙淤積，究其原因，方案1取水口靠近深槽，且所在岸坡相對較陡，取水頭頂部高程相對較高，由于懸移質(zhì)含沙量沿水深分布總是上稀下濃，泥沙粒徑沿水深分布特點往往又是上細下粗，加之自流引水管的長度相對較短，因此，方案1取水口明顯優(yōu)于方案2和方案3。如采用方案1，確定合適的進水窗標高，并對取水口前部的河床進行疏浚，就能達到較好的引水防沙效果。另外，進水口需要設(shè)置間距適當?shù)姆牢蹡?，防止大的雜物進入。

4.3 運行方式的優(yōu)化

取水口的運行會經(jīng)歷洪、中、枯流量及豐沙年、中沙年、少沙年等不同水文條件，優(yōu)化運行方式不僅可以節(jié)約成本，還可以延長工程的壽命。

優(yōu)化運行方式初步考慮如下:遇含沙量較大的小流量時，在保證工程用水的前提下，盡可能減小引水量，以減小自流引水管內(nèi)的泥沙淤積;在連續(xù)經(jīng)歷幾個豐沙年后，遇含沙量較小的大流量時，在保證防污集污設(shè)施正常工作的情況下，短時間開啟泵管、泵房所有的取水泵，讓整個系統(tǒng)內(nèi)的水流保持高速運轉(zhuǎn)，以清理取水頭及引水管內(nèi)淤積的泥沙，還應(yīng)及時對取水頭取水窗進行雜物清除、清淤等。另外，在洪、中、枯不同流量條件下，通過調(diào)整取水泵開啟個數(shù)和對取水泵配置變頻裝置，使取水泵能夠根據(jù)用水量隨時調(diào)整供水量，也可以在一定程度上達到節(jié)能減排的目標。

5 泥沙運動特征值分析

取水頭、自流引水管泥沙淤積流速和起動流速等特征值問題相對復(fù)雜，由于模擬手段和觀測設(shè)備的局限性，通過模型試驗直接得到相對較困難。本文根據(jù)理論認識和以往模型試驗成果，對這些特征值進行了探討。

5.1 臨界不淤流速

在管道輸水系統(tǒng)中，為了防止輸水過程中因管床出現(xiàn)泥沙沉積而造成管道淤堵，提出了臨界不淤流速的概念［2］。臨界不淤流速即管底不出現(xiàn)沉積物的最小平均流速。由于引水管道系統(tǒng)中含沙量一般較低，管道淤堵是一個逐漸積累過程，試驗中壓力梯度－流速(Jm－U)關(guān)系曲線凹點不明顯。

根據(jù)流區(qū)劃分，臨界不淤流速應(yīng)該是由推移運動區(qū)過渡到泥沙開始出現(xiàn)沉淀的臨界流速。在管道輸水系統(tǒng)中，通過試驗發(fā)現(xiàn)，從推移運動區(qū)到管底開始出現(xiàn)沉積物時的流區(qū)區(qū)間很窄，考慮到運行安全的要求，一般不希望有大量的推移質(zhì)出現(xiàn)。因此，其臨界不淤流速可近似看作由不均勻懸浮區(qū)到推移運動區(qū)臨界點的流速。該流速小于該臨界流速時，泥沙以推移形式運動;大于臨界流速時，懸移運動開始出現(xiàn)。

基于臨界不淤流速的概念、物理含義及水沙運動規(guī)律的研究基礎(chǔ)，其判斷方法較多，這里利用Jm－U關(guān)系曲線判斷臨界不淤流速。判定方法如下:

根據(jù)渾水阻力損失試驗資料，以單位距離的水頭損失，即壓力梯度Jm(清水水柱)為縱坐標，以斷面平均流速U為橫坐標，繪制渾水Jm－U關(guān)系曲線，見圖2。以往的研究認為，Jm－U關(guān)系曲線的最低點也就是相當于管底開始出現(xiàn)沉積物的臨界情況，此點的流速即為臨界不淤流速［3］。

圖2 臨界不淤流速Fig.2 Non-silting critical flow velocities

從圖2可以看出，Jm－U關(guān)系曲線的最低點對應(yīng)的流速值接近于1.0 m/s，為安全起見，取本工程取水頭及自流引水管內(nèi)的泥沙臨界不淤流速為1.0 m/s。大量實測資料和經(jīng)驗公式計算(如蘇聯(lián)克諾羅茲公式)得到同類管道的臨界不淤流速均在0.9～1.0 m/s范圍內(nèi)，因此本工程臨界不淤流速采用1.0 m/s是安全可行的。

5.2 泥沙起動流速

管道內(nèi)的泥沙起動流速同樣是較為復(fù)雜的。管道內(nèi)的泥沙和天然河道內(nèi)的泥沙類似，以2種方式向前移動:流速較小時，以推移形式運動;流速繼續(xù)增大時，泥沙則以懸移形式運動?？紤]到引水管安全運行的需要，不希望管內(nèi)有大量的推移質(zhì)出現(xiàn)，這里研究的起動流速實際上是指由推移運動區(qū)到不均勻懸浮區(qū)臨界點的流速［4］。

由《泥沙手冊》［5］和相關(guān)文獻知，泥沙開始出現(xiàn)懸浮的臨界條件為:當(式中k為卡門常數(shù)，取0.4;U為摩阻流速;ω為某粒徑組泥沙動水沉速)時，泥沙基本上以推移的形式運動，反之則開始出現(xiàn)懸移運動。問題即求對應(yīng)的流速，當管內(nèi)平均流速大于該流速時，泥沙以懸移質(zhì)形式運動。

查《泥沙手冊》［5］可得，各粒徑組動水沉速如表4。

表4 各粒徑組動水沉速Table 4 Hydrodynamic settling velocity for each particle size group

由2009年4月實測的工程河段懸移質(zhì)顆粒級配可知，懸移質(zhì)粒徑大部分位于0.002～0.250 mm范圍內(nèi)，懸移質(zhì)最大中值粒徑一般為0.02～0.03 mm，沉速ω取區(qū)間內(nèi)的流速較大值0.088 m/s(見表4)。由，算得 U*=0.044 m/s。下文將推求摩阻流速U*與垂線平均流速的關(guān)系。由 U*和的定義知［1］:

由式(1)、式(2)得

6 結(jié)語

電廠冷卻水一般取自和排入天然河流，天然河道是沖淤變化的，取、排水口的設(shè)計是否合理直接關(guān)系到電廠能否安全運行。電廠取、排水工程應(yīng)重點考慮的主要泥沙問題包括:取、排水河段的河勢、取水工程頭部河底高程變化、取水口含沙量、臨界不淤流速、泥沙起動流速等。

本文以長江下游某電廠取、排水工程為例，采用河道演變分析、物理模型試驗和理論推導(dǎo)等方法，充分論證了取、排水設(shè)施的安全可靠性，優(yōu)化電廠取、排水口的位置、標高，優(yōu)選電廠取、排水口的型式，提出相應(yīng)防淤、防沖措施，以保證電廠安全、可靠、經(jīng)濟運行，且對今后類似工程有一定的參考和借鑒意義。

［1］張瑞瑾.河流泥沙動力學(xué)(第2版)［M］.北京:中國水利水電出版社，1998.(ZHANG Rui-jin.River Sediment Dynamics(2nd Edition)［M］.Beijing:China Water Power Press，1998.(in Chinese))

［2］侯佩瑾，趙克梅.高壓輸水管道泥沙淤積的試驗研究［J］.山西水利科技，2002，8(3):35－38.(HOU Pei-jin，ZHAO Ke-mei.An Experimental Study on Sediment Deposit in High Pressure Water Conveyance Pipe［J］.Shanxi Hydrotechnics，2002，8(3):35 －38.(in Chinese))

［3］張英普，何武全，蔡明科，等.關(guān)于渾水管道輸水系統(tǒng)臨界不淤流速的試驗研究［J］.灌溉排水學(xué)報，2004，23(6):34 － 36.(ZHANG Ying-pu，HE Wu-quan，CAI Ming-ke，et al.Experimental Study on Non-depositing Critical Velocity of Muddy Water Delivery in Pipe line System［J］.Journal of Irrigation and Drainage，2004，23(6):34 －36.(in Chinese))

［4］段志科，李慧梅.火電廠取水工程中泥沙問題及試驗研究［J］.水利水電技術(shù)，1997，28(7):29－32.(DUAN Zhi-ke，LI Hui-mei.Experimenta1 Research on Sediment Problems in Intake Work in Thermal Power Plant［J］.Science and Technology of Water Resources，1997，28(7):29 －32.(in Chinese))

［5］中國水利學(xué)會泥沙專業(yè)委員會.泥沙手冊［M］.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，1992.(Sediment Professional Committee of Chinese Hydraulic Engineering Society.Handbook of Sedimentation Engineering［M］.Beijing:China Environmental Science Press，1992.(in Chinese))