沈雨生，劉 堃，周益人

(1.南京水利科學(xué)研究院 河流海岸研究所，南京 210024；2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣州 510230)

海岸直接取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波浪傳播及消浪措施研究

沈雨生1，劉 堃2，周益人1

(1.南京水利科學(xué)研究院 河流海岸研究所，南京 210024；2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院
有限公司，廣州 510230)

對于沿海液化天然氣(LNG)和核電等項目，取水口是重要的配套工程，其主要受波浪的作用，取水結(jié)構(gòu)內(nèi)的波況直接關(guān)系到取水口的正常運(yùn)行。針對某一具體工程實例，對海岸直接取水結(jié)構(gòu)進(jìn)行了波浪物理模型試驗研究，分析不同水位、波向及方案下取水結(jié)構(gòu)內(nèi)的波況。研究結(jié)果表明，隨著水位的降低，雖然入射波高減小，但是取水結(jié)構(gòu)內(nèi)比波高均增大，低水位時取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波況相對不利。波向?qū)θ∷Y(jié)構(gòu)內(nèi)波況影響較大，與正向和74°向波浪相比，52°向波浪作用下取水結(jié)構(gòu)內(nèi)比波高均較小。與原方案相比，優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二均有效減小了引水流道內(nèi)的波高，但是進(jìn)水前池和吸水池內(nèi)波高減小得較少。

直接取水結(jié)構(gòu)；波浪傳播；消浪；模型試驗

對于沿海液化天然氣(LNG)和核電等項目，取水口是重要的配套工程，且其主要受波浪的作用。針對海岸工程中的波浪問題，一般采用理論分析、實驗研究、現(xiàn)場觀測以及數(shù)學(xué)模型等研究方法[1]。在波浪較大的海域，由于波浪對取水結(jié)構(gòu)作用的復(fù)雜性，波浪作用下取水口工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)受力、沖刷及防護(hù)等問題一般通過物理模型試驗進(jìn)行研究[2-4]。此外，取水結(jié)構(gòu)內(nèi)的波況直接關(guān)系到取水口的正常運(yùn)行，當(dāng)泵房內(nèi)波高較大時，將會導(dǎo)致水泵運(yùn)行不正常[5]。為滿足取水泵的正常使用要求，海水泵處的水面波高應(yīng)不超過一定的限值[6]。對于取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波況的研究相對較少，史力生和潘軍寧[7]通過模型試驗分析了取水渠內(nèi)長周期波動產(chǎn)生的條件及影響因素，據(jù)此提出了消減長周期波動的各種工程措施。對于海岸取水口工程，一般通過管道將取水口設(shè)置在近海海底或者設(shè)置直接取水結(jié)構(gòu)。對于海岸直接取水結(jié)構(gòu)，由于波浪、水流在引水流道及進(jìn)水前池內(nèi)傳播的復(fù)雜性，需要通過波浪局部整體物理模型試驗專門研究取水結(jié)構(gòu)內(nèi)的波浪傳播情況[8]。本文針對某一具體工程實例，對直接取水結(jié)構(gòu)進(jìn)行了波浪局部整體物理模型試驗研究，分析不同水位、波向以及方案下取水結(jié)構(gòu)內(nèi)的波況，可為類似工程的設(shè)計提供參考。

1 試驗概況

1.1工程布置及取水結(jié)構(gòu)

某LNG項目工程規(guī)劃建設(shè)于某海域，對于工程區(qū)海域，NW—SW向波浪為小風(fēng)區(qū)波浪(波高、周期較小)，SSE—SSW向波浪為外海來浪(波高、周期較大)。工程區(qū)海域常浪向為S向，次常浪向為SSW向，其中外海S向波浪傳播至工程水域附近時，波向約偏轉(zhuǎn)至SSW向，其余方向的波浪傳播至工程水域附近時波向基本不變。工程需設(shè)置取水口1座，取水結(jié)構(gòu)設(shè)計采用直接取水型式，包括引水流道、進(jìn)水前池及吸水池三部分，取水口工程平面布置見圖1。取水結(jié)構(gòu)見圖2，原方案引水流道有4條，寬3.2 m，長21.0 m，進(jìn)水口位于水面以下，頂高程-3.32 m，底高程-5.82 m；中部進(jìn)水前池為喇叭型，長14 m，單側(cè)擴(kuò)角20°；后部為吸水池，長17 m，設(shè)7條取水流道(二期預(yù)留1條)，寬3.2 m。取水口主要受外海WSW、SW和SSW向波浪作用。

吸水池一期共設(shè)置6臺海水泵和3臺消防泵，二期預(yù)留1臺海水泵。其中一期海水泵5用1備，單臺泵的流量為Q=8 300 m3h，揚(yáng)程H=40 m。本工程海水泵的運(yùn)行工況為單臺吸水量8 300 m3h，年不間斷運(yùn)行8 760 h；消防泵流量為3 600 m3h，海水取水總量為53 400 m3h。取水口兩側(cè)為護(hù)岸工程，護(hù)岸結(jié)構(gòu)為斜坡堤，斜坡坡度1：1.5，采用8T扭王塊體護(hù)面，上部設(shè)擋浪墻，頂高程10.7 m。

圖1 某LNG項目取水口工程平面布置 圖2 取水結(jié)構(gòu)圖(原方案)

Fig.1 Plane layout of water intake of one LNG project Fig.2 Structural drawing of the water intake (original plan)

1.2試驗條件

試驗波浪重現(xiàn)期為100 a一遇。試驗水位及相應(yīng)的波浪要素見表1，試驗波浪方向包括WSW、SW和SSW向，其中試驗中WSW向按正向考慮。

表1 試驗波浪要素Tab.1 Test wave parameters

1.3模型設(shè)計

試驗遵照《波浪模型試驗規(guī)程》[9](JTJT234-2001)的相關(guān)規(guī)定，采用正態(tài)模型，按Froude數(shù)相似律設(shè)計模型。根據(jù)結(jié)構(gòu)物尺度、水深、波浪條件以及場地、設(shè)備條件，模型比尺取為1∶30。主要相關(guān)物理量的比尺為：幾何長度比尺λL= 30；時間比尺λt=λL=5.5；重量比尺λW=λL3=27 000；流量比尺λQ=λL=4 929.5。

1.4試驗方法和內(nèi)容

圖3 取水結(jié)構(gòu)模型Fig.3Physicalmodelofthetestedwaterintake圖4 取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波高測點布置Fig.4Arrangementofwaveheightmeasuringpointsinthewaterintake

波浪試驗在南京水利科學(xué)研究院河流海岸研究所波浪港池中進(jìn)行，港池長50 m、寬17.5 m、高1.2 m。港池的一端設(shè)置消浪緩坡，另一端配有美國MTS公司生產(chǎn)的不規(guī)則波造波機(jī)，由計算機(jī)控制，產(chǎn)生試驗所要求的波浪要素。

由于取水口附近的護(hù)岸會影響波浪對取水口的作用，因此，本次試驗在取水口周圍布置一定范圍的護(hù)岸結(jié)構(gòu)，進(jìn)行波浪局部整體物理模型試驗。模型中取水口各部分采用有機(jī)玻璃制作，與原型保持幾何相似，模型誤差不超過1 mm。取水口模型見圖3。為模擬海水泵運(yùn)行情況，出水管配有閥門、水泵和流量計，通過調(diào)節(jié)水泵流量和閥門控制試驗需要的流量。

在引水流道(1-1#～1-4#)、進(jìn)水前池(2-1#～2-3#)和吸水池(3-1#～3-6#)分別布置多根波高儀，波高測點布置見圖4，測量各種組合水位、波浪及運(yùn)行方案下取水結(jié)構(gòu)內(nèi)各測點波高情況，取各測點的H13%波高作為特征波高進(jìn)行分析。引水流道(記為1#)內(nèi)波高采用1-1#～1-4#測點H13%波高的平均值、進(jìn)水前池(記為2#)內(nèi)波高采用2-1#～2-3#測點的平均值、吸水池(記為3#)內(nèi)波高采用3-1#～3-6#測點的平均值。試驗采用不規(guī)則波進(jìn)行，波譜為Jonswap譜。試驗波浪方向為WSW向(試驗中按正向考慮)、SW向(與取水口所在岸線交角74°)及SSW向(與取水口所在岸線交角52°)。試驗中取水結(jié)構(gòu)包括原方案及其優(yōu)化方案。

2 取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波浪傳播

圖5為取水口正常運(yùn)行時，波浪作用下取水結(jié)構(gòu)內(nèi)(引水流道、進(jìn)水前池和吸水池處)波面變化過程。由圖5可見，由于本工程取水結(jié)構(gòu)內(nèi)流道相對較短，取水結(jié)構(gòu)內(nèi)長周期波現(xiàn)象不明顯；波浪傳入取水口后，引水流道、進(jìn)水前池和吸水池內(nèi)波高依次減小，引水流道內(nèi)波高較大，進(jìn)水前池和吸水池內(nèi)波高較小，且進(jìn)水前池和吸水池內(nèi)波高差別較小。

5-a 引水流道(1#) 5-b 進(jìn)水前池(2#) 5-c 吸水池(3#)圖5 正向波浪作用下取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波面變化過程Fig.5 Time series of the waves in the water intake under the forward wave action

2.1不同水位時取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波況

取水口在運(yùn)行時存在潮位變化，為分析不同水位時取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波況，表2給出了100 a一遇SW向波浪作用下，不同水位時取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波高和比波高(取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波高和入射波高的比值)結(jié)果。

表2 不同水位時取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波高和比波高結(jié)果Tab.2 Results of wave heights and wave height ratios in the water intake under different water levels

由表2可見，SW向波浪作用下，不同水位時原方案引水流道內(nèi)比波高在0.576～0.663范圍內(nèi)，進(jìn)水前池內(nèi)比波高在0.132～0.190范圍內(nèi)，吸水池內(nèi)比波高在0.124～0.178范圍內(nèi)。隨著水位的降低，雖然入射波高減小，但是引水流道內(nèi)波高差別較小，進(jìn)水前池和吸水池內(nèi)波高增大，取水結(jié)構(gòu)內(nèi)各處的比波高均增大，且進(jìn)水前池和吸水池內(nèi)增大相對較為明顯。與100 a一遇高水位(+3.52 m)時相比，50 a一遇低水位( -0.52 m)時進(jìn)水前池和吸水池內(nèi)波高分別增大0.12 m(24.7%)和0.11 m(23.9%)，比波高分別增大0.058(44.1%)和0.054(43.3%)。這是由于隨著水位的降低，雖然入射波高減小，但是靜水面與進(jìn)水口位置的深度減小，波浪相對更易于傳入取水結(jié)構(gòu)內(nèi)，取水結(jié)構(gòu)內(nèi)比波高增大。究其原因，波浪能量從水面至水底沿著水深逐漸減小，隨著水位的降低，進(jìn)水口間的波浪能量相對變大，所以低水位時波浪更易于傳入取水結(jié)構(gòu)內(nèi)。由此可見，水位對取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波況影響較大，低水位時取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波況相對不利，為改善取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波況，進(jìn)水口位置需要有足夠的入水深度。

2.2不同波向時取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波況

取水口主要受外海WSW向(試驗中按正向考慮)、SW向(與取水口所在岸線交角74°)及SSW向(與取水口所在岸線交角52°)波浪作用，為分析不同波向時取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波況，表3給出了設(shè)計高水位和100 a一遇波浪作用下，不同波向時取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波高和比波高結(jié)果。

表3 不同波向時取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波高和比波高結(jié)果Tab.3 Results of wave heights and wave height ratios in the water intake under different wave directions

由表3可見，由于52°向(SSW)波浪是主浪向，與正向(WSW)和74°向(SW)向波浪相比波高和波浪周期均較大，52°向(SSW)波浪作用下取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波高大于正向(WSW)向波浪作用時的情況，與74°向(SW)波浪作用時差別很小。雖然與正向(WSW)和74°向(SW)波浪相比，52°向(SSW)波浪周期較長，但是52°向(SSW)波浪作用下取水結(jié)構(gòu)內(nèi)比波高均較小，與正向(WSW)波浪作用時相比引水流道、進(jìn)水前池和吸水池內(nèi)比波高分別減小0.119(20.6%)、0.036(26.9%)和0.032(25.2%)，與74°向(SW)波浪作用時相比引水流道、進(jìn)水前池和吸水池內(nèi)比波高分別減小0.143(23.8%)、0.044(30.5%)和0.042(30.3%)，可見斜向波浪不易傳入取水結(jié)構(gòu)內(nèi)。這是由于與正向浪相比，在斜向浪作用下，從進(jìn)水口進(jìn)入的波浪能量變小，同時波浪不能同步進(jìn)入取水結(jié)構(gòu)內(nèi)，而且取水結(jié)構(gòu)兩側(cè)的護(hù)岸頭部對取水結(jié)構(gòu)也起到一定的掩護(hù)作用，所以斜向波浪不易傳入取水結(jié)構(gòu)內(nèi)。由此可見，波向?qū)θ∷Y(jié)構(gòu)內(nèi)波況影響較大，斜向波浪不易傳入取水結(jié)構(gòu)內(nèi)，為改善取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波況，布置取水口時應(yīng)使取水口避開主浪向，取水口軸線應(yīng)布置與主浪向有一定的夾角。

圖6 取水結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案一Fig.6 Structural drawing of the water intake (optimization plan 1)

3 消浪措施研究

鑒于原方案情況下吸水池內(nèi)波高較大，為了減小吸水池內(nèi)波高、改善海水泵的運(yùn)行條件，提出了兩種消浪措施方案，并對其消浪效果進(jìn)行了試驗研究。

3.1優(yōu)化方案一

優(yōu)化方案一(圖6)提出在進(jìn)水口前設(shè)置一道擋浪結(jié)構(gòu)，寬度和高度均為2 m，底高程-5.30 m。

表4 優(yōu)化方案一與原方案取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波高和比波高比較結(jié)果Tab.4 Comparison results of wave heights and wave height ratios in the water intake of the original plan and the optimization plan 1

表4給出了優(yōu)化方案一與原方案取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波高和比波高的比較結(jié)果。

由表4可見，與原方案相比，高水位時優(yōu)化方案一引水流道、進(jìn)水前池和吸水池內(nèi)分別減小0.53 m(24.7%)、0.06 m(12.0%)和0.05 m(10.4%)，低水位時分別減小0.50 m(23.9%)、0.07 m(13.5%)和0.08 m(15.6%)?？梢?，由于優(yōu)化方案一進(jìn)水口前的擋浪結(jié)構(gòu)對進(jìn)水口起到了一定的掩護(hù)作用，同時該擋浪結(jié)構(gòu)破壞了波浪水質(zhì)點的運(yùn)動，與原方案相比，取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波高均減小，引水流道內(nèi)波高減小較多，但是進(jìn)水前池和吸水池內(nèi)波高減小得較少。這是由于進(jìn)水前池和吸水池內(nèi)波高較小，即使波高相對減小10%～20%，波高絕對值也只能降低0.05～0.10 m。

3.2優(yōu)化方案二

與原方案相比，優(yōu)化方案二(圖7)主要變化在引水流道，進(jìn)水前池和吸水池改變較小。引水流道長度延長為27.0 m(原方案21.0 m)，進(jìn)水口前移，頂高程由-3.32 m降低至-4.70 m，進(jìn)水口高度不變，旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)改設(shè)在側(cè)面，形成側(cè)向進(jìn)水。

7-a 平面圖 7-b 斷面圖圖7 取水結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案二Fig.7 Structural drawing of the water intake (optimization plan 2)

水位位置測點100a一遇SW向波浪原方案優(yōu)化方案二波高H13%(m)比波高波高H13%(m)比波高設(shè)計高水位+2.28m引水流道1#2.150.6141.660.473進(jìn)水前池2#0.500.1430.430.123吸水池3#0.480.1380.430.123設(shè)計低水位+0.35m引水流道1#2.090.6331.630.492進(jìn)水前池2#0.520.1580.460.139吸水池3#0.510.1550.440.133

表5給出了優(yōu)化方案二與原方案取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波高和比波高的比較結(jié)果。

由表5可見，與原方案相比，高水位時優(yōu)化方案二引水流道、進(jìn)水前池和吸水池內(nèi)分別減小0.49 m(22.8%)、0.07 m(14.0%)和0.05 m(10.4%)，低水位時分別減小0.46 m(22.0%)、0.06 m(11.5%)和0.07 m(13.7%)。可見，由于優(yōu)化方案二，一方面降低了進(jìn)水口的頂高程，進(jìn)水口間的波浪能量變小(波浪能量從水面至水底沿著水深逐漸減小)，另一方面，延長引水流道長度和旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)改設(shè)在側(cè)面、形成側(cè)向進(jìn)水等措施增大了波浪能量在取水口內(nèi)的損耗，與原方案相比，取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波高均減小，引水流道內(nèi)波高減小較多，但是與優(yōu)化方案一類似，進(jìn)水前池和吸水池內(nèi)波高絕對值仍減小得較少。

4 結(jié)論

本文針對某LNG項目取水口工程的直接取水結(jié)構(gòu)，通過波浪局部整體物理模型試驗對取水結(jié)構(gòu)內(nèi)的波況進(jìn)行了分析，并對消浪措施進(jìn)行了研究，主要得到以下結(jié)論：

(1) 由于本項目取水口流道相對較短，取水結(jié)構(gòu)內(nèi)長周期波現(xiàn)象不明顯；波浪傳入取水口后，引水流道、進(jìn)水前池和吸水池內(nèi)波高依次減小。隨著水位的降低，雖然入射波高減小，但是取水結(jié)構(gòu)內(nèi)比波高均增大。由此可見，低水位時取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波況相對不利，為改善取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波況，進(jìn)水口位置需要有足夠的入水深度。

(2) 與正向(WSW)和74°向(SW)波浪相比，52°向(SSW)波浪作用下取水結(jié)構(gòu)內(nèi)比波高均較小。由此可見，波向?qū)θ∷Y(jié)構(gòu)內(nèi)波況影響較大，斜向波浪不易于傳入取水結(jié)構(gòu)內(nèi)，為改善取水結(jié)構(gòu)內(nèi)波況，布置取水口時應(yīng)使取水口軸線與主浪向有一定的夾角。

(3) 優(yōu)化方案一在取水口前設(shè)置了擋浪結(jié)構(gòu)，與原方案相比，有效減小了引水流道內(nèi)的波高，但是由于進(jìn)水前池和吸水池內(nèi)波高較小，即使波高相對減小10%～20%，波高絕對值也只能降低0.05～0.10 m。優(yōu)化方案二延長了引水流道長度、降低了進(jìn)水口頂高程并形成了側(cè)向進(jìn)水，這些措施起到了消浪作用，原方案相比，也有效減小了引水流道內(nèi)的波高，但是進(jìn)水前池和吸水池內(nèi)波高絕對值仍減小得較少。對于優(yōu)化方案，其消浪措施主要是針對進(jìn)水口和引水流道，如需進(jìn)一步減小進(jìn)水流道和吸水池內(nèi)的波高，可考慮在進(jìn)水流道和吸水池內(nèi)直接采取某些消浪措施。

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Wave propagation in the direct water intake structure at the coast and wave dissipation measures

SHENYu-sheng1,LIUKun2,ZHOUYi-ren1

(1.RiverandHarborEngineeringDepartment,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210024,China; 2.CCCC-FHDIEngineeringCo.,Ltd.,Guangzhou510230,China)

For Liquefied Natural Gas (LNG) and nuclear power projects established along the coast, the water intake is one important project, which is mainly under wave action, and wave condition in the wave intake has direct effect on the normal operation of the wave intake. Based on one specific engineering example, wave physical model test was carried out to study one direct wave intake, and the wave conditions under different water levels, wave directions and plans were analyzed. The results show that though wave heights of low water level are smaller, wave height ratios in the water intake increase with the decrease of the water level, the wave condition in the water intake is relatively bad under relatively low water level. The wave direction has relatively large influence on the wave condition in the wave intake. Compared to the forward (90 degree) and 74 degree wave, wave height ratios are all relatively small under the 52 degree wave action. Compared to the original plan, the first optimizing plan and the second optimizing plan all effectively decrease the wave heights in the inflow channel with wave heights decreasing relatively small in the inflow forebay and the suction bay.

direct water intake; wave propagation; wave dissipation; model test

2017-01-05；

2017-02-16

沈雨生(1990-)，男，江蘇鹽城人，助理工程師，主要從事波浪與建筑物相互作用研究。

Biography：SHEN Yu-sheng(1990-)，male，assistant engineer.

TV 139.2

A

1005-8443(2017)05-0464-06