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,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。
1.1.1 基本方程及定解條件
連續(xù)方程
動量方程
當不考慮波浪作用時(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。
1.2.1 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
1.3.1 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]。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
取水明渠建設(shè)后,明渠內(nèi)的挖深、取水會導致泥沙淤積。數(shù)學模型計算的方案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。
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,并在臺風期間產(chǎn)生驟淤,應當引起本工程注意。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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