韓春曉，楊艷靜，陳漢寶，沈文君，周志博，張亞敬

(1.中交天津航道局有限公司，天津 300461； 2.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222；3.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

一般而言，當(dāng)濱海電站采用海水直流冷卻供水系統(tǒng)時(shí)，其取、排水工程基本布置在濱海電站配套的港口水域。為了保證電廠取水口水面穩(wěn)定，受波浪影響小，電廠冷卻水取水工程一般布置在港池內(nèi)。當(dāng)取水口位置距離船舶航行路線或泊位較近并且電廠取水量較大時(shí)，因取水引起的港內(nèi)水流變化將直接影響船舶在港內(nèi)的航行和安全靠離泊操縱，尤其是進(jìn)港船舶在失去動(dòng)力的情況下，水流力對其安全影響不可忽視。已有研究多從特定電站港口離靠泊時(shí)船舶及拖輪操縱等角度討論[1-5]，尚未有針對電站取水影響下船舶失去動(dòng)力情況開展研究分析。本文以建設(shè)中的印度尼西亞芝拉扎燃煤電站三期1×1 000 MW機(jī)組及擴(kuò)建項(xiàng)目為例，對無動(dòng)力的運(yùn)煤駁船所受水流力進(jìn)行試驗(yàn)研究。該電站一期、二期工程均已建設(shè)完成，裝機(jī)容量分別為2×300 MW和1×660 MW，一、二期取水流量分別25 m3/s和34.5 m3/s，一期取水工程為明渠，明渠入口正對港池口門，二期取水口位于港池內(nèi)。擬建的三期及擴(kuò)建工程總裝機(jī)容量達(dá)到2×1 000 MW，取水口緊鄰一期工程取水口，取水量為98 m3/s，這樣一、二、三期及擴(kuò)建工程同時(shí)運(yùn)行時(shí)，總的取水量達(dá)到157.5 m3/s，取水水體均需流經(jīng)港區(qū)口門區(qū)域達(dá)到取水口，同時(shí)該電站運(yùn)煤的主力船舶為自身無動(dòng)力駁船，需由拖輪拖帶進(jìn)港。由于該工程為擴(kuò)建項(xiàng)目，可利用的水域有限，運(yùn)煤駁船在回轉(zhuǎn)水域轉(zhuǎn)彎過程中或拖輪失去動(dòng)力時(shí)，拖繩松弛將導(dǎo)致駁船不會(huì)受到拉力的作用，在電站取水水流作用下容易發(fā)生撞擊事故，影響電站安全運(yùn)行。為此，通過開展物理模型試驗(yàn)，分析無動(dòng)力船舶在港內(nèi)取水水流作用下所受水流力，評估存在的風(fēng)險(xiǎn)，為取水設(shè)計(jì)方案比選提供依據(jù)，也為同類濱海電站工程提供參考。

1 工程概況

針對該項(xiàng)目的取水口方案有兩種設(shè)計(jì)方案，分別如下：

方案1中取水明渠部分為南側(cè)進(jìn)水設(shè)計(jì)方案(圖1)。方案 1在一期取水明渠的基礎(chǔ)上進(jìn)行改建。原明渠東堤堤頭拆除，其余部分保留；改造原明渠西堤，將明渠西擴(kuò)；西側(cè)原堤頭保留，并向海域延伸。取水明渠設(shè)計(jì)底高程為-4.5 m。

方案2中取水明渠為東側(cè)進(jìn)水設(shè)計(jì)方案(圖2)。該方案在原取水東堤距岸約50 m處向海側(cè)開口，形成明渠入口，明渠底高程為-4.5 m，新明渠入口設(shè)計(jì)斷面高程-4.5 m、底寬100 m。

本文旨在研究不同方案對港內(nèi)流場的影響，重點(diǎn)研究不同取水方案時(shí)的流場變化。由于港內(nèi)受防波堤掩護(hù)效果較好，波浪較小，因此在模型中未考慮波浪的影響。

2 模型設(shè)計(jì)與制作

本模型為取水條件綜合作用下的船舶受力物理模型，研究方法主要依據(jù)相關(guān)的規(guī)范[6-9]和以往的工程經(jīng)驗(yàn)[10-12]，遵照規(guī)范按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型，采用正態(tài)定床整體物理模型，在保證模型尺度與測量精度要求下，結(jié)合試驗(yàn)場地和設(shè)備性能，該模型幾何比尺取為50。模型地形制作采用樁點(diǎn)法，建筑物按照設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)斷面鋪設(shè)，平面尺寸及高程偏差均滿足規(guī)范要求。

船模按重力相似設(shè)計(jì)需要滿足以下條件：

(1)幾何相似：模型船與原型船保持幾何相似。

(2)靜力相似：采用配重方法，在適當(dāng)位置放置適當(dāng)?shù)闹匚?，使其符合不同載重時(shí)的重量及其分布要求，并保證重心的縱向和垂向位置相似。

(3)動(dòng)力相似：對船模的質(zhì)量慣性矩進(jìn)行校準(zhǔn)，保證其橫搖及縱搖周期符合相似條件。

本模型中，14 000 DWT駁船主要參數(shù)(包括實(shí)型和模型)如表1所示，制作好的船模如圖3所示。

表1 14 000 DWT駁船主要尺度與參數(shù)(比例尺1:50)Tab.1 The main parameters for 14 000 DWT barge (1:50)

本試驗(yàn)主要對電廠取水時(shí)，取水口附近、航道關(guān)鍵位置以及碼頭前沿處流速進(jìn)行觀測，測定船舶在航道不同關(guān)鍵位置處時(shí)G流作用產(chǎn)生的水流力。水流流速采用“小威龍”聲學(xué)多普勒三維點(diǎn)流速儀進(jìn)行測定，該儀器流速測量范圍為0～3 m/s，精度為測量值的±0.5%±1 mm/s，采樣頻率1～10 Hz。水流力的測定采用系纜力測量方法(圖4)。 纜力傳感器量程為 30 N，精度為滿量程的0.05%。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 取水對附近水域流場的影響

試驗(yàn)水位是平均水位 1.21 m(基面為MSL)，由于取水流量較大，為了評估本次取水工程對港池航道流場的影響，因此在研究該問題時(shí)未考慮波浪的影響。在工程現(xiàn)狀、方案 1和方案2中各布設(shè)了流速測點(diǎn)，位置見圖5～圖7，圖8為試驗(yàn)中的流態(tài)圖。各方案相應(yīng)測點(diǎn)的流速以及流向結(jié)果見表2。從表 2可以看出，港池內(nèi)的流速在各個(gè)取水方案時(shí)的差別不大，取水口附近水域流速最大。方案1取水口正對航道，在電廠取水過程中會(huì)產(chǎn)生較大的流速(CS7、CS8點(diǎn)的流速分別為0.21 m/s 和0.26 m/s)，影響船舶航行安全。方案2取水入口在港池內(nèi)，取水口附近水域流速為0.28 m/s，但該取水口位置距離船舶航行區(qū)域較遠(yuǎn)，影響到船舶回轉(zhuǎn)水域時(shí)的流速僅約為0.04 m/s。從試驗(yàn)的結(jié)果也可以看出，方案1和方案2與現(xiàn)狀比較，由于取水流量的增大，取水明渠入口處的流速會(huì)顯著增大。

表2 各方案測點(diǎn)流速Tab.2 The velocity for test points

圖8 港區(qū)及取水明渠流態(tài)圖Fig.8 Flow pattern of port area and open water intake channel

3.2 取水對船舶受力的影響

電廠取水會(huì)在航道內(nèi)產(chǎn)生橫向流速，而橫流會(huì)對船舶產(chǎn)生橫向的水流力。橫向水流力是評價(jià)取水對船舶影響的最重要參數(shù)。為評估三期取水工程對船舶失去動(dòng)力后受力的影響，模擬了駁船進(jìn)港靠泊過程的軌跡線。根據(jù)軌跡線以及港池航道流速測量結(jié)果，在工程現(xiàn)狀、方案 1和方案 2中選取有代表性的位置布置水流力測點(diǎn)，測力位置見圖9。與現(xiàn)狀相比，在方案1和方案 2中，增加了取水口附近的船舶水流力測試，旨在模擬駁船失去外部協(xié)助作用后的情況，即最不利工況。各方案相應(yīng)測點(diǎn)的水流力以及各向分力結(jié)果見表3。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，現(xiàn)狀方案由于取水量較小，同時(shí)取水入口距離一期口門航道較遠(yuǎn)，港池及航道駁船所受水流力較小，分別為3.19 kN和8.82 kN，該水流力對船舶的航行影響很小。對于方案1和方案2而言，由于取水流量的增大，使得取水入口處水流流速增大，相應(yīng)的駁船在取水入口位置所受的水流力也增大。尤其是方案1，取水入口針對一期口門航道，航道處水流力橫向力可達(dá)87.33 kN，取水入口處水流力橫向力可達(dá)121.97 kN，此時(shí)若拖輪失去動(dòng)力或者拖輪拉繩松弛，駁船將會(huì)受水流力的作用偏離航道向取水入口方向移動(dòng)，可能堵塞取水入口，甚至撞擊取水明渠導(dǎo)流堤。對于方案2，取水入口處的水流橫向力也較大，可達(dá)115.21 kN，根據(jù)該結(jié)果結(jié)合以往工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，建議在取水入口處設(shè)置防撞樁，避免駁船失去動(dòng)力情況下撞擊取水入口處導(dǎo)堤和堵塞取水入口，引起電廠取水安全。方案2與方案1比較，方案2取水入口正對港池，港池相對航道而言船舶運(yùn)動(dòng)水域較大，港池中船舶所受水流力也較小，綜合比較，方案2可作為取水工程布置的推薦方案。

表3 各方案測點(diǎn)水流力Tab.3 Force results kN

4 結(jié)語

本文中的工程港區(qū)運(yùn)營船舶是無動(dòng)力的駁船，該船型在國內(nèi)港區(qū)不常見，但在東南亞等國外濱海電廠工程中主要是該類型船舶運(yùn)輸煤炭和灰渣。從文中工程實(shí)例研究結(jié)果來分析，當(dāng)濱海電廠取水流量較大，且取水入口靠近駁船航行和靠泊路線時(shí)，取水引起的船舶水流力是船舶航行及系靠泊安全需要考慮的因素之一，特別是駁船在失去動(dòng)力后，水流力對船舶安全會(huì)產(chǎn)生較大的風(fēng)險(xiǎn)，這也是取水工程平面布置設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一個(gè)重要因素。

因此本文通過物理模型試驗(yàn)?zāi)M了三期取水后的流量，測試了航道與港池的流速分布以及船舶航行不同位置時(shí)所受的水流力大小，通過分析不同方案的流速分布以及受力大小，給出了推薦的方案。結(jié)論如下：

(1)各取水方案對港池的影響都很小，采取不同方案時(shí)，港池內(nèi)的流速均未超過0.08 m/s。

(2)不同取水方案對航道口門處的影響明顯，其中方案1的取水口位置正對航道，產(chǎn)生的橫向水流力較強(qiáng)，會(huì)對失去動(dòng)力的船舶造成較大的危險(xiǎn)。從安全條件角度考慮，推薦采用取水口布置方案2。

(3)通過分析不同取水方案時(shí)的船舶受力可知，一期口門處航道方案1橫向受力最大，方案2次之，現(xiàn)狀最??；在港池內(nèi)3個(gè)方案船舶受力差別不大。