施工期懸沙擴(kuò)散對電廠取水影響的數(shù)值模擬研究

姚姍姍，解鳴曉，趙洪波

（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456）

施工期懸沙擴(kuò)散對電廠取水影響的數(shù)值模擬研究

姚姍姍，解鳴曉，趙洪波

（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456）

以某電廠工程為背景，采用二維潮流、泥沙數(shù)學(xué)模型的研究手段，對施工期間由于圍堤建設(shè)、基建挖泥等引起的懸浮泥沙擴(kuò)散對高溫堆取水的影響進(jìn)行了模擬研究，計算了高溫堆運行階段取水口處的最大含沙量，預(yù)測了取水口附近的泥沙淤積厚度。研究結(jié)果表明：（1）施工期高溫堆運行階段，漲潮對取水口的影響要大于落潮；（2）高溫堆取水口處懸沙含量最大在0.135 kg/m3，滿足施工期間高溫堆取水口處懸沙含量不大于0.2 kg/m3的要求，同時高溫堆所在的北側(cè)取水明渠內(nèi)，泥沙每天淤積在0.2 mm至0.5 mm范圍，這種量級的淤積對高溫堆的取水以及整個北側(cè)明渠的泥沙淤積影響是很小的，短期施工不會產(chǎn)生強(qiáng)淤影響高溫堆取水安全。

潮流；懸沙擴(kuò)散；數(shù)學(xué)模型；施工期；取水

Biography：YAO Shan?shan（1987-），female，assistant engineer.

某電廠工程位于山東榮成市，地處鏌铘島和楮島咀相連的岸線中部，面臨黃海（圖1）。根據(jù)總體規(guī)劃，電廠由壓水堆、高溫氣冷堆等多個機(jī)組構(gòu)成，其中高溫氣冷堆機(jī)組容量為200 MW。取水構(gòu)筑物選用明渠形式，最終形成南、北分取，中部合排的方式。取、排水明渠將分階段建設(shè)，施工期間僅高溫氣冷堆機(jī)組運行，取水流量為9 m3/s。

由于高溫氣冷堆設(shè)在北側(cè)取水明渠內(nèi)部，施工期間由于明渠的圍堤建設(shè)、疏浚作業(yè)等引起的懸浮泥沙擴(kuò)散均可能造成高溫氣冷堆取水口處的含沙量超標(biāo)，此外，取水明渠內(nèi)泥沙的落淤也會對取水安全構(gòu)成隱患。因此，本文從潮流泥沙角度對施工期懸沙擴(kuò)散對高溫氣冷堆取水的影響進(jìn)行了模擬研究，預(yù)判了取水口附近的泥沙淤積。研究成果能夠為電廠取排水工程分期施工設(shè)計提供依據(jù)，對確保電廠循環(huán)水系統(tǒng)安全、可靠的運行有著重要的意義。

在有關(guān)電廠取水問題的研究方面，許多學(xué)者采用數(shù)學(xué)模型的方法進(jìn)行了研究，李孟國［1-3］等基于TK?2D軟件建立了潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，研究了連云港港口擴(kuò)建對田灣核電站取排水工程的影響，提出了保證正常取水的措施；趙洪波［4］等通過對惠安核電取排水工程水沙及地形分析，研究了泥沙運移規(guī)律及海床演變特征；李文丹［5］等采用TK?2D軟件建立了臺山核電二維潮流數(shù)學(xué)模型，計算了年沖淤強(qiáng)度和沖淤量，給出了相關(guān)防淤建議。可見，平面二維數(shù)學(xué)模型已廣泛應(yīng)用于取排水工程的系列研究中，本文也將基于二維潮流、泥沙模型研究施工期懸沙擴(kuò)散對高溫氣冷堆取水的影響。

1 自然條件及計算工況

電廠廠址所在海岸屬較穩(wěn)定的灣岬相間的沙壩-瀉湖海岸［6］，近岸海域海底坡度較平緩，常年波浪不強(qiáng)，波型以涌浪為主，常浪向和強(qiáng)浪向均為NE向，泥沙來源不充足，沿岸輸沙強(qiáng)度不大，含沙量整體較低，一般在0.01 kg/m3以內(nèi)。工程海區(qū)沉積物較為復(fù)雜，潮間帶和近岸為砂質(zhì)，外海為淤泥粉砂質(zhì)。潮汐屬不正規(guī)半日潮，潮流具有明顯往復(fù)流性質(zhì)，漲潮偏南，落潮偏北，流速平面分布呈現(xiàn)深水大、近岸小，岬角大，工程區(qū)小的特點。

由于高溫氣冷堆主要在施工后期運行，因此本文選取了最不利的工況，也即疏浚北取水明渠及拆除干施工圍堰的工況進(jìn)行了懸浮泥沙擴(kuò)散的研究，如圖2所示。值得一提的是，本工程設(shè)置的源強(qiáng)代表點均選在對高溫堆取水影響較大的位置，以反映最不利位置的施工對高溫堆取水的影響。源強(qiáng)按抓斗式挖泥船按每日連續(xù)工作12 h計算，挖泥源強(qiáng)為2.08 kg/s。

圖1 電廠工程位置Fig.1 Location of power plant

圖2 計算工況Fig.2 Layout of calculation case

2 潮流、泥沙數(shù)學(xué)模型

2.1 潮流數(shù)學(xué)模型

式中：h=η+d為總水深；η為自由面高程；d為靜水深；x和y分別表示橫軸和縱軸坐標(biāo)；t為時間；g為重力加速度；和分別為沿x和y方向的深度平均流速；f為柯氏力系數(shù)；ρ為流體密度；ρ0為參考密度；S為點源流量；us與vs為點源流速，Sxx、Sxy、Syx、Syy為波浪輻射應(yīng)力項；Tij為應(yīng)力項，包括粘性應(yīng)力、紊流應(yīng)力和對流等，根據(jù)水深平均的流速梯度計算。

式中：ρa(bǔ)為空氣密度；cd為空氣拖曳力系數(shù)；=（ ）

uw,vw為海面上10 m高處的風(fēng)速。本文在計算懸浮泥沙擴(kuò)散對高溫堆取水的影響時，暫不考慮風(fēng)的作用。

控制方程采用有限體積法顯式求解，并采用干濕網(wǎng)格判斷法對露灘進(jìn)現(xiàn)象模擬。潮流模型初始時刻潮位為零，流速為零，邊界條件中的固邊界滿足流體不可入條件，法向流速為零，大模型開邊界給定潮位過程線，由中國海洋大學(xué)研發(fā)的中國近海潮汐預(yù)測程序（ChinaTide）提供，局部模型開邊界所需潮位由大范圍模型計算提供。

2.2 泥沙運動數(shù)學(xué)模型

懸沙運動基本方程表達(dá)式如式（7）

式中：S為沿深度平均的含沙量；S*為波流共同作用下的挾沙力；α為沉降幾率或恢復(fù)飽和系數(shù)；ω為泥沙沉速；Dx和Dy分別為泥沙水平擴(kuò)散系數(shù)。根據(jù)波流挾沙的原理，S*可近似為

式中：S*C和S*W分別為潮流和波浪作用下的挾沙能力，可同時考慮潮流和波浪對泥沙的懸浮作用。

潮流作用下的挾沙能力可表示為

式中：βC為根據(jù)實驗或者現(xiàn)場資料確定的系數(shù)；γs和γ分別為泥沙與水體容重；c為謝才系數(shù)；V為垂向平均流速。

對于波浪作用下的挾沙能力，采用經(jīng)波能演化原理修正后的式（10）進(jìn)行計算［7］

式中：fw為波浪摩阻系數(shù)；H為波高；T為波周期；k為波數(shù)；g為重力加速度；DB2為由于波浪破碎引起的波能耗散；β1與β2為系數(shù)。

懸沙引起的地形沖淤變化計算表達(dá)式如式（11）

式中：η為底高程；γ0為泥沙容重；經(jīng)驗回淤系數(shù)α可根據(jù)當(dāng)?shù)鼗赜儋Y料確定，無實測資料時，可根據(jù)類似工程確定。

根據(jù)大量河流、河口及海岸現(xiàn)場觀測及實驗室水槽實驗資料［8］，系數(shù)βC、β1及β2分別可取為0.023、0.045及2.5×10-5。泥沙沉速根據(jù)水力特性結(jié)論試驗給定。

3 二維潮流、泥沙場數(shù)值模擬

3.1 計算域的確定及網(wǎng)格剖分

從滿足工程需要出發(fā)，潮流數(shù)學(xué)模型采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對計算域進(jìn)行剖分，并采用大范圍與局部模型嵌套方式進(jìn)行計算，以消除模型范圍過小帶來的邊界傳入誤差。其中，大模型的范圍已足夠大，以規(guī)避成山角外M2分潮無潮點的影響［9］。圖3中示意了模型計算范圍，其中大模型包含整個黃渤海海域；局部模型北至愛連灣，南至蘇山島附近，東至約-30 m等深線。局部模型圍繞工程海區(qū)附近建立，東西向約60 km，南北向約50 km，圖4示意了局部模型的網(wǎng)格剖分情況，模型約13 000～15 000個網(wǎng)格節(jié)點，最小空間步長為20 m，能夠保證充足的網(wǎng)格分辨率。

圖3 模型計算范圍示意圖Fig.3 Scope of numerical model

圖4 局部模型網(wǎng)格剖分圖Fig.4 Grid of local model

3.2 模型參數(shù)設(shè)置

（1）水平紊動粘性系數(shù)和底摩阻。

Smagorinsky方程中可調(diào)系數(shù)Cs取為0.25；在底部應(yīng)力計算時，Manning系數(shù)取值為70 m1/3/s。

（2）泥沙容重及沉速。

根據(jù)《港口水文規(guī)范》，懸沙干容重γ0可近似表達(dá)為γ0=1 750d05.0183，其中懸浮泥沙中值粒徑d50取為0.006 7 mm，取γ0為701 kg/m3，其沉降相應(yīng)取為0.05 cm/s。

3.3 模型驗證

潮流模型采用2006年夏、冬季的全潮水文觀測資料進(jìn)行驗證，泥沙模型采用冬季全潮水文測驗數(shù)據(jù)，水文測站布置如圖5所示，驗證情況如圖6～圖8所示。限于篇幅，只給出了部分測站大潮的流速、流向及含沙量驗證情況。通過驗證，模型中無論是計算的相位、量值還是過程線，均與原型吻合良好，符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》［10］的要求。

圖5 工程區(qū)附近水文測站布置圖Fig.5 Measuring?points arrangement near the project

圖6 大潮潮位驗證Fig.6 Verification of tidal level during spring tide

圖7 大潮流速、流向驗證Fig.7 Verification of flow velocity and mddirection during spring tide

圖8 大潮含沙量驗證Fig.8 Verification of sediment concentration during spring tide

3.4 工程海域潮流場

潮流動力是影響泥沙擴(kuò)散的主要動力，因此在計算懸浮泥沙擴(kuò)散的影響之前，首先對現(xiàn)狀條件下工程海區(qū)的流場進(jìn)行了模擬，圖9給出了工程區(qū)附近漲、落急時刻的流場圖。從圖中可以看出，工程區(qū)附近水流基本呈現(xiàn)往復(fù)流動。漲潮時，水流自北向南流動，南側(cè)養(yǎng)參池時背流水域存在一大范圍回流；落潮時，水流基本沿相反方向流動，北側(cè)養(yǎng)參池背流水域形成一小范圍回流。潮流分布總體呈現(xiàn)外海及岬角流速較高、近岸及灣內(nèi)流速較低的特點，近岸水域全潮平均流速不足0.3 m/s。

圖9 工程區(qū)現(xiàn)狀漲、落急流場圖Fig.9 Tidal current field in project area at flood and ebb strength of tide

3.5 懸沙擴(kuò)散對高溫堆取水的影響

本文在研究施工期懸沙擴(kuò)散對高溫堆取水的影響時考慮了波浪的作用［11］，根據(jù)MIKE21 SW模式建立了波浪模型，模擬了工程海域較不利浪向NE向2 a一遇的波浪場分布，將其作為泥沙計算的動力條件，模擬了施工期含沙量場的分布。

在2 a一遇的波浪作用下，考慮本底含沙量以及施工期間引起的含沙量的增量的雙重作用，本文給出了施工后期最不利工況下的工程海域附近的含沙量場，并提取了高溫堆取水口附近的含沙量過程線，如圖10～圖11所示。模型的計算時間為84 h，包括初始24 h源強(qiáng)未排放段，12 h源強(qiáng)首次排放段，12 h源強(qiáng)排放間歇段，12 h源強(qiáng)二次排放段以及最后24 h的源強(qiáng)消散段。

圖10 漲、落急時刻含沙量場Fig.10 Sediment concentration at flood and ebb strength of tide

結(jié)果表明，施工期疏浚擾動引起的懸沙擴(kuò)散對周邊海域的影響是較小的，含沙量僅在施工地點局部有所增加，如圖10所示，北側(cè)取水明渠內(nèi)含沙量增幅稍大，而取水明渠以外的水域含沙量基本無變化，等同于本底的含沙量。此外，由于懸浮泥沙擴(kuò)散受控于潮流動力，漲潮時，水流易于將懸浮泥沙攜帶推送至高溫堆處，因此漲潮時懸沙擴(kuò)散對高溫堆的影響要大于落潮。從高溫堆取水口處含沙量過程線可以看出，初始階段源強(qiáng)未排放，取水口處含沙量較小，僅來自于本底含沙量，量值介于0.01～0.02 kg/m3，隨著疏浚作業(yè)及干施工圍堰拆除等施工過程的進(jìn)行，源強(qiáng)開始排放，含沙量逐漸增大，取水口處含沙量在排放12 h左右時達(dá)0.135 kg/m3左右，隨著源強(qiáng)的二次排放，含沙量變化過程與源強(qiáng)首次排放基本相同，從源強(qiáng)排放間歇段12 h及源強(qiáng)消散段24 h觀察發(fā)現(xiàn)，含沙量隨源強(qiáng)消失逐漸減小，在源強(qiáng)消失后8 h左右基本落淤積完畢。

在最不利工況下，高溫堆取水口處的含沙量特征值，全潮最大時為0.135 kg/m3，全潮平均時為0.052 kg/m3，滿足施工期間高溫堆取水口處懸沙含量不大于0.2 kg/m3的要求［11］，北取水明渠內(nèi)泥沙每天淤積0.2～0.5 mm，這種量級的淤積對高溫堆的取水以及整個北側(cè)明渠的泥沙淤積影響是很小的，短期施工不會產(chǎn)生強(qiáng)淤影響高溫堆取水安全。

圖11 取水口處含沙量過程曲線Fig.11 Sediment concentration process of water intake

4 結(jié)語

本文選取了施工后期高溫堆運行階段最不利的工況，采用經(jīng)驗證的二維潮流、泥沙模型，模擬研究了施工期間由于圍堤建設(shè)、疏浚挖泥等引起的懸沙擴(kuò)散對高溫堆取水的影響，得到以下結(jié)論：

（1）懸沙擴(kuò)散主要受控于潮流動力，在本工程施工期高溫堆運行階段，漲潮時懸沙擴(kuò)散對取水口的影響要大于落潮。

（2）高溫堆取水口懸沙含量最大在0.135 kg/m3，滿足施工期間高溫堆取水口懸沙含量不大于0.2 kg/m3的要求，高溫堆所在的北側(cè)取水明渠內(nèi)，泥沙日淤積在0.2～0.5 mm范圍。這種量級的淤積對高溫堆的取水及整個北側(cè)明渠的影響是很小的，短期施工不會產(chǎn)生強(qiáng)淤影響高溫堆取水安全。

［1］李孟國,李文丹,時鐘，等.田灣核電站海域潮流泥沙數(shù)值模擬研究［J］.泥沙研究,2008,4（2）：16-23.

LI M G,LI W D,SHI Z,et al.Numerical modeling of tidal current and sediment movement in coastal area near Tianwan Nuclear Power Station［J］.Journal of Sediment Research,2008，4（2）：16-23.

［2］李孟國,李文丹.連云港港擴(kuò)建對田灣核電站取水影響及措施研究［J］.水道港口,2008,29（4）：240-246.

LI M G,LI W D.Study on the impacts of Lianyungang Port′s extension project on water intake project of Tianwan Nuclear Power Station and corresponding measures［J］.Journal of Waterway and Harbor,2008,29（4）：240-246.

［3］李孟國,李文丹,李世森.港口開發(fā)建設(shè)對田灣核電站取水工程的影響［J］.中國港灣建設(shè),2007,147（1）：23-26.

LI M G,LI W D,LI S S.Numerical modeling of tidal current and sediment movement in coastal area near Tianwan Nuclear Power Station［J］.China Harbour Engineering，2007，147（1）：23-26.

［4］趙洪波,吳以喜,楊華.惠安核電廠取排水口工程海區(qū)沖淤演變分析［J］.水道港口,2004,25（3）：159-162.

ZHAO H B,WU Y X,YANG H.Analysis on Scour and Silting of the Sea Area near Intake and Drainage Project of Hui?an Nuclear Power Plant［J］.Journal of Waterway and Harbor,2004,25（3）：159-162.

［5］李文丹,李孟國,龐啟秀，等.臺山核電站取排水工程潮流泥沙數(shù)值模擬研究［J］.水道港口,2011,32（2）：94-100.

LI W D,LI M G，PANG Q X，et al.Study on mathematical model for water intake and drainage project of Taishan Nuclear Power Station［J］.Journal of Waterway and Harbor,2011,32（2）：94-100.

［6］趙洪波,解鳴曉.石島灣核電廠址取排水工程潮流泥沙數(shù)學(xué)模型試驗研究［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所,2011.

［7］張慶河,侯鳳林,夏波，等.黃驊港外航道淤積的二維數(shù)學(xué)模擬［J］.中國港灣建設(shè),2006,145（5）：6-9.

ZHANG Q H,HOU F L，XIA B，et al.Two Dimensional Numerical simulation of Siltation in Outer Channel of Huanghua Harbour［J］.China Harbour Engineering,2006,145（5）：6-9.

［8］趙會民,閆勇,麥苗.石島灣核電廠址取排水工程潮流泥沙物理模型試驗研究報告［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所,2011.

［9］章衛(wèi)勝.中國近海潮波運動數(shù)值模擬［D］.南京：河海大學(xué),2005.

［10］JTJ/T233-981，海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程［S］.

［11］趙洪波,姚姍姍.石島核電廠址海工工程后期施工期泥沙對高溫堆取水影響分析數(shù)學(xué)模型試驗研究［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所,2011.

Numerical simulation study on impacts of suspended sediment diffusion on water intaking during construction period for power plant project

YAO Shan?shan,XIE Ming?xiao,ZHAO Hong?bo
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministy of Transport,Tianjin300456,China）

Taking a power plant project as background,a 2?D numerical model for tidal current and sediment was used to evaluate the influence on water intaking caused by sediment diffusion during the period of construction,and it was also used to calculate the maximum sediment concentration at water inlet and to predict the siltation near the water inlet.Research results show that：（1）during the phase of high temperature reactor operation,the influence on water intaking in flood period is greater than in ebb period;（2）the maximum sediment concentration at water in?let is 0.135 kg/m3,and it satisfies the requirement of less than 0.2 kg/m3when the high temperature reactor is operat?ing.In addition,sediment deposition in the north water intaking channel is only 0.2～0.5 mm/d,this kind of deposi?tion only gives little influence to the high temperature reactor for water intaking and to the whole deposition of north water intaking channel.Therefore,short?term construction will not produce great deposition to affect the safety of in?take water during the high temperature reactor operation.

tidal current;suspended sediment diffusion;numerical model;construction period;water intaking

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2014）02-0118-07

2013-04-02；

2013-04-28

姚姍姍（1987-），女，天津市人，助理工程師，主要從事港口海岸及近海工程研究。