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        后石電廠排水口沖刷及其防護塊體穩(wěn)定試驗研究

        2011-05-03 03:06:36磊,徐
        水利水運工程學(xué)報 2011年2期
        關(guān)鍵詞:排水口拋石明渠

        張 磊,徐 嘯

        (南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029)

        漳州后石電廠位于福建省漳州龍海市,毗鄰大海,其東南方面向臺灣海峽,東北距浯嶼島2km,北距九龍江入??诩s18km.電廠排水設(shè)計有2個出口,溫排放滿負荷排水量分別為132和88 m3/s,排水流量比較大.研究發(fā)現(xiàn),電廠溫排水會對排水口底床造成沖刷,進而影響排水口基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[1-2].因此,對電廠排水口沖刷及其防護塊體穩(wěn)定進行研究具有重要意義.

        本文通過正態(tài)物理模型對后石電廠排水口沖刷及其防護塊體穩(wěn)定進行了研究,旨在確定排水口沖刷深度和范圍,并確定合適的防沖范圍及采用相應(yīng)的防沖措施,為排水基礎(chǔ)設(shè)計提供參考,并為防止排水口沖刷提供技術(shù)支撐.

        1 后石電廠排水口附近海域自然條件

        廈門附近海域為強潮地區(qū),潮差累計頻率不大于10%的大潮潮差約為5.3m,潮差累計頻率不大于50%的中潮潮差約為4.0m,潮差累計頻率不大于90%的小潮潮差約為3.0m,不大于97%的小潮潮差約為2.0m,根據(jù)廈門海洋站與后石海區(qū)臨時驗潮站同步資料分析,后石電廠附近潮位比廈門站略低(約低3~4cm),潮差相近.

        分析電廠附近水域多次水文測驗資料[3]表明,電廠附近水域潮流為正規(guī)半日潮,且主要為往復(fù)流,其中排水口水域的潮流主要受自東南向西北過境潮流的分流影響.數(shù)學(xué)模型計算[3]表明該廠排水口附近海域漲落潮半潮平均流速很小,一般不大于10cm/s.該電廠的溫排水是排水口附近的主要水流動力,對排水口底床沖刷起決定作用.因此,本文僅對電廠排水口溫排水沖刷模擬及其防護塊體穩(wěn)定進行試驗研究.

        根據(jù)水文測驗期間底質(zhì)取樣資料,排水口附近海域底質(zhì)為粉砂,中值粒徑為0.12~0.20mm.其中排水口0m等深線向岸底沙較粗,中值粒徑為0.20~0.32mm,這也是本次試驗研究的主要泥沙粒徑范圍.

        2 排水口物理模型設(shè)計及試驗方法

        考慮排水口建筑物尺寸要求,模型幾何比尺λ=40,為幾何正態(tài)模型.按照Froude相似準則設(shè)計模型[4],模型主要考慮排水口海域海床沖刷問題,所以重點需滿足模型沙起動相似要求,即模型沙起動流速(uc)比尺應(yīng)為:λuc=λu=6.32;模型各比尺分別為:垂直比尺λh=40,水平比尺λl=40,流量比尺λQ=10112,流速比尺 λu=6.32,拋石質(zhì)量比尺 λw=64000.

        2.1 模型沙選擇

        模型沙起動流速采用文獻[6]中公式計算得:

        其中:下標P代表原型值,M代表模型;UC為泥沙起動流速(cm/s);C為黏結(jié)力系數(shù),本文取C=2.9×104g/cm;ρ=1.02 g/cm3;γS為泥沙密度(g/cm3),天然沙為 2.65 g/cm3,模型沙為 1.15 g/cm3;H 為水深(cm);d為泥沙粒徑(cm),現(xiàn)場天然沙粒徑為0.2~0.3mm.

        考慮到排水口底質(zhì)條件、天然沙條件,結(jié)合筆者多年模型沙試驗研究,確定模型沙采用粒徑為0.3mm的木屑.原型水深為0.4~20.0m,相應(yīng)模型水深為0.01~0.50m,計算現(xiàn)場天然沙和模型沙起動流速,計算結(jié)果見表1.可見,當天然沙粒徑為0.2mm時,不同水深條件下泥沙起動流速比尺平均為5.34;當天然沙粒徑為0.3mm時,不同水深條件下泥沙起動流速比尺平均為6.81.泥沙起動流速比尺為5.29~6.72,基本可滿足模型沙起動流速(uc)比尺要求.

        表1 泥沙起動流速及比尺Tab.1 Incipient velocity of sediment and scale conditions

        2.2 沖刷防護塊體選擇

        對于海域排水口的沖刷防護,使用比較普遍的是拋石防護[7-8].而對于拋石大小及不同粒徑組合的防護效果都有專門的研究[9-12].本文關(guān)注的是在排水流量條件下,選用多大的塊體能在排水動力作用下保持穩(wěn)定,并在此基礎(chǔ)上確定沖刷區(qū)域塊石防護尺寸.塊體滑動先于滾動,因此,優(yōu)先考慮水平底面上塊體的滑動平衡條件.如圖1所示,在水流流速V的作用下,水中塊體的穩(wěn)定條件是:

        式中:Fd為水流V所產(chǎn)生的拖拽力;(Fw-Ff)tanφ為水中塊體所產(chǎn)生的摩阻力;tanφ為底摩擦系數(shù),φ為摩擦角,用休止角表示通常在30°~40°之間.

        圖1 水流作用下塊體受力Fig.1 Protection stones by the action of water flow

        式中:Cd為拖拽力阻力系數(shù);K1=f(Sp,Re),與石塊形狀及雷諾數(shù)有關(guān)的函數(shù);K2為石塊體積常數(shù);S為石塊的相對密度;γ為水的重度;d為石塊直徑;V為最大流速;g為重力加速度.將式(2),(3)代入式(1),可得拋石體上的石塊脫離平衡狀態(tài)而產(chǎn)生滑動的最小流速為:

        式中:yc,ym分別為滑動穩(wěn)定系數(shù)和滾動穩(wěn)定系數(shù).

        從拋石塊體的穩(wěn)定出發(fā),利用給定的流速條件及石塊穩(wěn)定條件式(4)或(5)估算單個石塊的大小及質(zhì)量:當流速分別為6,5,4,3,2 和1 m/s時,估算得石塊直徑分別為0.80,0.55,0.35,0.20,0.09 和0.02m,石塊質(zhì)量分別為690,230,60,11,1和0.01kg,即最小流速1 m/s時,直徑為0.02m 的石塊能保持穩(wěn)定狀態(tài),最大流速為6m/s時,直徑為0.80m的石塊才能保持穩(wěn)定狀態(tài).據(jù)此分別選擇10~20cm,20~40cm,40~60cm共3類不同粒徑組成的石塊依次進行排水穩(wěn)定試驗研究.

        2.3 試驗過程與條件

        電廠排水明渠底設(shè)計高程為-1.0m(黃海高程),試驗水位為平均潮位0.25m和低潮位-3.15m.試驗準備階段先進行模型底床局部浚深,浚深范圍為排水口隔堤前200m,寬100m,浚深范圍及模型布置見圖2.試驗前模型沙已經(jīng)過充分浸泡處理,然后按實測地形在動床范圍內(nèi)鋪設(shè).放水漫過模型沙并讓模型沙充分吸水密實.期間,對局部未密實區(qū)域進行補沙再浸泡密實.模型供水系統(tǒng)采用2臺管道泵進水,排水量用三角堰控制,水流經(jīng)尾門進入回水廊道,循環(huán)使用.試驗時,先緩慢放水到控制水位,然后按照2個排水口滿負荷排水流量(132和88 m3/s)進行沖刷試驗,試驗中觀察模型沙沖刷情況,直到?jīng)_刷形態(tài)基本穩(wěn)定為止.

        拋石穩(wěn)定試驗在局部動床范圍內(nèi)進行,把選擇的不同粒徑爍石分別放在排水口前動床沖刷范圍,控制水位,按現(xiàn)場排水流量132和88 m3/s進行石塊穩(wěn)定試驗.試驗中,不同粒徑組合石塊,從小到大,依次進行.

        圖2 模型布置Fig.2 Model layout

        3 排水口沖刷試驗

        3.1 試驗水位0.25m

        在電廠2個排水口滿負荷排水條件下,排水口動床區(qū)沖刷形狀見圖3,排水口區(qū)域沖刷試驗地形穩(wěn)定后沖刷等深線(黃海高程)見圖4,排水明渠隔離突堤堤頭外40m處海床斷面試驗前后地形變化見圖5.

        由圖3~5可知,當2個排水口均滿負荷排水時,排水口區(qū)域沿水流方向,流量為88 m3/s一側(cè)的沖刷范圍約90m,另一側(cè)約170m,其中后者的沖刷坑淺呈細條形.排水明渠外海域沖刷區(qū)最大寬度發(fā)生在兩明渠隔離突堤堤頭外40m附近,流量為132m3/s一側(cè)最大沖刷寬度約25m,沖刷區(qū)呈溝狀,另一側(cè)最大沖寬約40m,沖刷區(qū)呈坑狀.最大相對沖刷深度達8 m以上,主要發(fā)生在流量為88 m3/s一側(cè)明渠隔離突堤堤頭外50m左右.

        圖3 動床沖刷地形形態(tài)(水位:0.25m)Fig.3 mobile-bed scour(water level:0.25m)

        圖4 動床沖刷地形等值線 (水位:0.25m)Fig.4 Topographic contour of mobile-bed scour(water level:0.25m)

        圖5 排水明渠外40m處海床沖刷情況(水位:0.25m)Fig.5 Sea-bed scour conditions about 40m outside the outfall(water level:0.25m)

        3.2 試驗水位 -3.15m

        在低潮位條件下,排水口水位很低,水流流出排水明渠后對底床的沖刷作用更強.-3.15m水位滿負荷排水時電廠排水口動床區(qū)沖刷形狀見圖6,排水口區(qū)域沖刷試驗地形穩(wěn)定后沖刷等深線見圖7,排水明渠隔離突堤堤頭外40m處海床斷面試驗前后地形變化見圖8.

        圖6 動床沖刷地形形態(tài)(水位:-3.15m)Fig.6 Mobile-bed scour(water level:-3.15m)

        圖7 動床沖刷地形等值線 (水位:-3.15m)Fig.7 Topographic contour of mobile-bed scour(water level:-3.15m)

        圖8 排水明渠外40m處海床沖刷情況(水位:-3.15m)Fig.8 Sea-bed scour conditions about 40m outside the outfall(water level:-3.15m)

        由圖6~8可知,排水口區(qū)域沿水流方向,流量為88 m3/s一側(cè)沖刷范圍約90m,另一側(cè)約180m,與0.25m試驗水位時的沖刷范圍略有區(qū)別,區(qū)別在于流量為132m3/s一側(cè)隔離突堤堤頭外40m附近沖刷溝也加大為沖刷坑,最大沖刷寬度達到40m,流量為88 m3/s一側(cè)最大沖寬約45m;兩側(cè)最大相對沖刷深度均達9 m以上,在沖刷幅度和范圍上均比平均水位0.25m大,對底床沖刷破壞更強.

        2種水位條件下局部動床沖刷試驗表明,在2個排水口都滿負荷排水情況下,由于流量大,流速較大,將導(dǎo)致排水口海床發(fā)生沖刷并形成沖坑、沖溝.排水明渠隔離堤堤頭外約50m范圍海床為嚴重沖刷區(qū),最大相對沖深可達9.0m,沖刷程度離排水口越遠越輕,流量為132m3/s一側(cè)最遠在180m左右.這么大的沖坑和沖刷區(qū)域?qū)ε潘诨A(chǔ)的淘刷是不可避免的[2].因此,須對排水口沖刷區(qū)域進行工程防護.

        4 排水口區(qū)拋石塊體穩(wěn)定性試驗

        排水口沖刷試驗表明,在滿負荷排水條件下,試驗水位為-3.15m時的沖刷強度和沖刷范圍比水位為0.25m時大,因此排水口區(qū)拋石塊體穩(wěn)定性試驗選取沖刷最不利水位-3.15m時進行.

        圖9為滿負荷排水條件下,試驗水位為-3.15m時的流速分布.由圖9可見:隔離堤堤頭外約60m范圍2個排水口區(qū)域流速比較大,基本上在4.0m/s以上,最大約達6.0m/s,其他水域流速除個別地方外基本小于4.0m/s.

        拋石試驗表明:滿負荷排水流量條件下,石塊的直徑和質(zhì)量不同,在水體中的穩(wěn)定性也不同.排水口區(qū)域小粒徑組合(粒徑為10~20cm),質(zhì)量為1.4~11.0kg的石塊,很快就被水流帶走,在離排水明渠隔離堤前100m左右的地方才停下來;對于直徑在20~40cm,質(zhì)量為11~87kg的塊石,床面上有個別塊石在水流作用下沿流速方向漂移,不是很穩(wěn)定;對于直徑40~60cm,質(zhì)量為87~294kg的塊石,均能保持穩(wěn)定狀態(tài).這也說明直徑40~60cm,質(zhì)量為87~294kg的塊石組合能夠在4.0~6.0m/s流速條件下保持穩(wěn)定.

        根據(jù)上述試驗結(jié)果,在排水明渠口外50m范圍內(nèi)采用直徑40cm左右的塊石進行拋填防護,50~100m范圍內(nèi)采用直徑20cm左右的塊石進行拋填防護的方案是切實可行的.

        圖9 流速分布Fig.9 Velocity distribution

        5 結(jié)語

        (1)在滿負荷排水作用下,排水口海域會發(fā)生底床沖刷現(xiàn)象,最終形成沖刷坑和沖刷溝.排水明渠隔離堤堤頭外約50m范圍海床為沖刷嚴重區(qū),低水位條件下局部相對沖深可達9.0m以上.

        (2)拋石穩(wěn)定試驗表明直徑40~60cm,質(zhì)量為87~294kg的塊石在滿負荷排水條件下均能保持穩(wěn)定狀態(tài),直徑在20~40cm,質(zhì)量為11~87kg的塊石不是很穩(wěn)定.

        (3)由滿負荷排水條件下沖刷試驗和拋石穩(wěn)定試驗得出優(yōu)化方案為:在排水明渠口外50m范圍內(nèi)采用直徑40cm左右的塊石防護,50~100m范圍內(nèi)采用直徑20cm左右的塊石進行防護.

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