李文丹，李孟國，龐啟秀，王晨陽

（1.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；2.長沙理工大學(xué)，長沙 410076）

臺山核電站位于珠江的崖門和虎跳門出?？邳S茅海河口灣口門西側(cè)——江門臺山市赤溪鎮(zhèn)腰鼓灣（圖1），距臺山市44.5 km。發(fā)電機組冷卻水和核島冷卻水采用海水直流方式，總用水流量600 m3/s，每期均為200 m3/s。依廠址條件，擬在大襟島西南側(cè)修筑取水構(gòu)筑物，通過隧洞引入廠區(qū)取水前池。冷卻核島和發(fā)電機組后，“熱水”在廠區(qū)近岸排放。

海域面臨黃茅海西灘淺水水域，海水泥沙含量較高，取水構(gòu)筑物內(nèi)落淤和可能發(fā)生的驟淤，直接影響取排水系統(tǒng)的安全運行。為了進一步了解和掌握該工程海域的水動力條件、泥沙環(huán)境和工程實施后的泥沙淤積狀況，為工程布置提供科學(xué)依據(jù)，本文采用TK-2D軟件［1-2］，從潮流泥沙角度對取排水的影響進行了研究。

1 基于TK-2D軟件的二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型

1.1 考慮波浪及其破碎作用的潮流數(shù)學(xué)模型

1.1.1 基本方程及定解條件

連續(xù)方程

動量方程

當(dāng)不考慮波浪作用時（H=0），式（1）、（2）、（3）即為二維潮流運動的控制方程。

基本方程的定解條件包括邊界條件和初始條件，對于邊界條件，開邊界取流速或潮位的實測或分析值，固邊界取流速的法向分量為零；對于初始條件，流速一律取零值，潮位取初始時刻的值。

1.1.2 數(shù)值計算方法

在矩形網(wǎng)格中，采用ADI法對波浪、潮流共存時的流場控制方程進行數(shù)值離散求解。使用交錯網(wǎng)格，將時間步長Δt分成二等分，在前半時間步長，對式（1）和式（2）采用隱式離散，求解出u和ζ，對式（3）采用顯式離散，求解出v；在后半時間步長，對式（1）和式（3）采用隱式離散，求解出v和ζ，對式（2）采用顯式離散，求解出u，從而完成一個時間步長的計算。

1.2 二維懸沙數(shù)學(xué)模型

1.2.1 基本方程

式中：S為鉛直方向積分的水體含沙濃度；Dx、Dy分別為x、y方向的泥沙擴散系數(shù)；Fs為泥沙源匯函數(shù)或床面沖淤函數(shù)，按下面方法確定

式中：S*為水體的挾沙力，一般根據(jù)現(xiàn)場資料的經(jīng)驗公式法或半理論方法確定；ω為泥沙沉降速度；α為泥沙沉降幾率。

1.2.2 數(shù)值方法

1.3 底床沖淤數(shù)學(xué)模型

1.3.1 懸沙造成的底床沖淤基本方程

式中：ηs為懸沙引起的海底床面沖淤厚度；γ0為懸沙干容重。

1.3.2 底沙造成的底床沖淤基本方程

式中：ηb為海底床面底沙引起的沖淤厚度；γb為床面底沙干容重；qx和qy分別為單位時間內(nèi)單寬底沙輸移量qb沿x和y方向的分量，qb采用竇國仁公式［3］。

2 二維潮流泥沙場數(shù)值模擬

2.1 計算域的確定及網(wǎng)格剖分

建立大小2個模型，其中大模型網(wǎng)格較粗，主要為小模型提供邊界條件。大模型計算域為112.36°E～113.29°E，21.50°N～22.21°N，東西向?qū)捈s 96 km，南北向為 78 km，包括黃茅海、廣海灣等水域以及大襟島、荷包島、高欄島、上下川島及其附近島嶼，采用正方形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺度x、y向均為120 m，網(wǎng)格數(shù)為800×650；小模型亦采用正方形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺度x、y向均為50 m，網(wǎng)格數(shù)為1 000×1 000，電廠取水口所在的大襟島近似處于小模型中間，以減小邊界影響。

2.2 有關(guān)重要系數(shù)和參數(shù)的確定

（1）n：曼寧糙率系數(shù)n一般取值在0.010～0.025。由于本文計算域較大，因此在整個計算域中n不能取同一數(shù)值，根據(jù)驗證情況進行局部調(diào)整。

（2）γ0：根據(jù)文獻［4］，懸沙干容重 γ0可近似表達為

式中：d50為懸浮泥沙中值粒徑，mm。本海區(qū)懸沙平均中值粒徑為0.006 mm，因此γ0約為686 kg/m3。

（3）ω：根據(jù)本海區(qū)的懸沙粒徑，懸沙將以絮凝團的形式沉降，因此其沉速近似取0.05 cm/s。

（4）Nx和 Ny：參照文獻［5］中的規(guī)定選取。

（5）Dx和 Dy：參照文獻［5］中的規(guī)定選取。

（6）S*：S*在泥沙數(shù)學(xué)模型中是一個非常重要的量，本文采用竇國仁公式

式中：ρs為泥沙顆粒容重（ρs=2 650 kg/m3）；ρ0為水的容重（ρ0=1 000 kg/m3）；Hw、T 分別為平均波高和平均周期；c為 Chezy系數(shù)；c=H1/6/n，n 為曼寧系數(shù)；α0、β0為系數(shù)，α0=0.023，β0=0.000 4。

2.3 模型驗證

對本文的潮流泥沙模型進行了冬季和夏季大、中、小3個潮的流速、流向、含沙量和潮位過程驗證［6］，采用2007年4月和2007年7月臺山電廠煤港航道的泥沙淤積資料進行了地形沖淤驗證。泥沙地形沖淤計算考慮了波浪潮流的共同作用，計算所用波浪場由波浪場數(shù)學(xué)模型［6］提供，波浪場考慮了各個方向的向岸波浪，各個方向以等效波要素代表該方向的波浪能量。

通過驗證，模型中無論是計算的位相、量值還是過程線，均與原型吻合良好，符合交通部《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》［5］的要求。

3 臺山核電站取排水工程措施泥沙輸移的影響

3.1 取排水措施方案介紹

臺山核電站取水口設(shè)計方案共有2種：方案1需穿鑿鳳尾咀，可分為方案1-a和方案1-b；方案2在鳳尾咀外側(cè)取水，又分為方案2-a和方案2-b。排水口有2個方案，即長明渠排水和隧道排水。

方案1-a：采用長4 050 m的取水隧洞連接核島和大襟島獅子頭，進口設(shè)置閘門，并與取水明渠相連，該取水明渠由大襟島西側(cè)岸線與修建的防波堤圈圍、開挖而成。明渠口門布置在大襟島的西南端鳳尾咀東側(cè)，明渠頭部布置東、西防波堤，形成1個取水港池。方案1-b：隧洞及明渠基本同于方案1-a，只是將取水明渠口門直接布置在鳳尾咀岬角上，而沒有布置東、西防波堤。方案2-a：取水明渠口門方向與方案1-b相近，但方案2-a的明渠口門布設(shè)在鳳尾咀岬角外側(cè)。方案2-b：在方案2-a的基礎(chǔ)上,將明渠縮短至鳳尾咀岬角西側(cè)，明渠頭部略短于岬角頭部，口門方向近似為南向，另外，與其他方案300 m口門寬度不同，方案2-b口門寬度采用150 m。

3.2 臺山核電站取排水工程對潮流場的影響

電廠運行期間抽取的冷卻水、排放出的溫水以及修建的取、排水明渠工程，會對周圍海域的水動力條件產(chǎn)生影響。由數(shù)學(xué)模型研究可知，工程實施后,電廠運行時，局部流場發(fā)生一定的變化，特別是取水明渠及排水口附近流場變化較為顯著，但這種變化的范圍有限，僅限于工程所在的水域。

從口門流態(tài)、取水水源含沙量高低、工程量及岸線占用情況等角度考慮，方案2-b相對較好。電廠排水采用近岸排放，分長明渠排水和隧道排水2種方案。在方案2-b取水工況下，對比分析2種排水方式。從工程前后的流場圖可知，排出的水流對排水口附近水域產(chǎn)生一定影響，漲潮時，長明渠方案排出的水流方向與漲潮流方向基本一致，水流平順，而隧道排水方案排出的水流近似垂直于漲潮流，局部水域流態(tài)紊亂；落潮時，兩方案排出的水流均與落潮流成較大夾角。

3.3 臺山核電站取排水工程對懸沙場的影響

取排水工程推薦方案的排水方案有2個，一個是長明渠方案，一個是隧道方案。對方案2-b進行了一、二、三期的取、排水流量分別為200 m3/s、400 m3/s、600 m3/s的計算。

從工程方案不同取排水量時的漲、落潮平均含沙量分布可以看出，工程方案實施后，工程海區(qū)的懸沙場只在工程方案附近發(fā)生變化。

3.4 工程方案造成的附近海區(qū)沖淤變化

取排水工程方案實施后，工程附近的流場和懸沙場發(fā)生了變化，因此，地形也會相應(yīng)發(fā)生變化。工程海區(qū)方案2-b（取排水流量為600 m3/s）沖淤達到平衡時（5 a）的沖淤分布分別見圖5和圖6。

由數(shù)模計算可知：

（1）工程方案實施后，泥沙沖淤只發(fā)生在取、排水明渠及其（或者）口門附近，不會發(fā)生工程海區(qū)大面積的灘面沖淤變化。

（2）取水明渠及其口門附近的灘面沖淤變化與排水方案無關(guān)，取、排水明渠及其（或者）口門附近的沖淤變化只與明渠防波堤的建設(shè)和取、排水量有關(guān)。

（3）方案2-b取水明渠口門附近發(fā)生淤積，淤積厚度為0.1～0.2 m。

（4）排水方案排水明渠口門附近有沖有淤，正對排水明渠口門發(fā)生沖刷，周圍淤積，排水量為200 m3/s，沖淤幅度為-1.2～0.2 m，排水量 400 m3/s，沖淤幅度為-1.8～0.3 m，排水量 600 m3/s，沖淤幅度為-2.4～0.4 m。

（5）隧道排水方案造成的排水口附近沖淤變化范圍小于長明渠方案。

3.5 取水明渠淤積計算

取水明渠建設(shè)后，明渠內(nèi)的挖深、取水會導(dǎo)致泥沙淤積。數(shù)學(xué)模型計算的方案2-b取水流量600 m3/s方案的取水明渠年淤積分布見圖7。

根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果，方案2-b取水量為200 m3/s、400 m3/s、600 m3/s時，取水明渠年平均淤強分別為0.66 m、0.96 m和1.20 m。在取水明渠內(nèi)，由于沉沙池開挖較深，又處于落潮外退與取水內(nèi)進的“拉鋸”區(qū)，流速相對較小，水流挾沙力最小，因此淤積最多。

4 結(jié)論及建議

通過建立的二維潮流數(shù)模以及泥沙數(shù)模，對臺山核電站取、排水工程海域的水動力條件、泥沙環(huán)境和工程實施后的泥沙淤積狀況進行了分析計算，并對各種設(shè)計方案進行了分析、比選，論證取排水工程布置方案的合理性，并推薦優(yōu)化方案。主要得出以下結(jié)論：

（1）從口門流態(tài)、取水水源含沙量高低、工程量及岸線占用情況等考慮，方案2-b相對較好。

（2）取、排水工程方案實施后，工程海區(qū)的懸沙場和地形沖淤只在工程附近發(fā)生變化，不會造成工程海區(qū)大面積的灘面沖淤變化。

（3）方案2-b取水明渠口門附近發(fā)生淤積，達到平衡時淤積厚度僅為0.1～0.2 m。各排水方案排水明渠口門附近有沖有淤，正對排水明渠口門發(fā)生沖刷，周圍淤積，排水量為200 m3/s時，沖淤幅度為-1.2～0.2 m，排水量400 m3/s時，沖淤幅度為-1.8～0.3 m，排水量600 m3/s時，沖淤幅度為-2.4～0.4 m。隧道排水方案造成的排水口附近沖淤變化范圍小于長明渠方案。

（4）方案2-b取水量200 m3/s、400 m3/s、600 m3/s時，取水明渠年平均淤強分別為0.66 m、0.96 m和1.20 m，淤積部位在進入口門附近的沉沙池附近段，取水明渠年淤積量分別為28.4萬m3、41.4萬m3和51.7萬m3。

考慮到臨近的國華臺山火力發(fā)電廠港池航道存在大量浮泥，并在臺風(fēng)期間產(chǎn)生驟淤，應(yīng)當(dāng)引起本工程注意。但根據(jù)目前國內(nèi)外研究水平，尚難以進行浮泥的淤積計算，建議以后加強觀測和進一步研究。

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