波流作用下電站排水口消能及鋪面穩(wěn)定性試驗

李 焱,余建星,陳漢寶,馬 雋

(1.天津大學 建筑工程學院，天津 300072；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津 300456)

波流作用下電站排水口消能及鋪面穩(wěn)定性試驗

李 焱1,2,余建星1,陳漢寶2,馬 雋2

(1.天津大學 建筑工程學院，天津 300072；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術
國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津 300456)

海濱電站排水口受到排水水流、潮流和波浪動力的綜合影響，消力池內(nèi)復雜的水動力條件對鋪面塊石或人工塊體的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響?；谟《饶嵛鱽喣畴娬镜膶嶋H問題，采用物理模型進行了波流作用下排水口消力池的消能特性和鋪面穩(wěn)定性試驗。研究結(jié)果表明: 該電站排水口采用擴散式消力池并結(jié)合消力墩和尾坎的消能方式可行，消力墩和圓弧型尾坎的消能和均流作用明顯；波流作用下，擴散式消力池內(nèi)波能有集中，排水水流雖然對波浪的傳播產(chǎn)生阻礙，但波浪的影響仍延伸至排水口上端的明渠內(nèi)，因此也應對一定范圍內(nèi)的明渠采取護面和護底措施。試驗還優(yōu)化了消力墩的型式和部分鋪面塊石的重量。

波流作用；排水口；消能；鋪面；穩(wěn)定性

海濱電廠以海水作為冷卻水源，并通過排水口排入海中，由于排出的水流有較大的動能，持續(xù)排放，將對排水口附近的海床產(chǎn)生沖刷，從而影響排水口的穩(wěn)定性，因此必須采取相應的消能防沖措施。消力池作為底流消能的一種有效方式，在電廠排水口消能中得到廣泛應用，國內(nèi)外對消力池的研究成果豐富，主要涉及消力池的型式、水流特性、消力池內(nèi)輔助消能工的布置等，并形成了有關消力池尺度的計算方法[1-5]，但由于消力池內(nèi)的水流較復雜，為保證消能效果，也需開展有關的模型試驗對消力池及其消能工的設計進行優(yōu)化[6]。另外，由于濱海電廠的排水口面對外海，其鋪面塊體和護底塊石不僅受到排水水流的作用，還受到波浪作用的不利影響。波浪作用下的護面塊體和護底塊石的穩(wěn)定性在防護工程中最為關注，在工程實踐中，常采用2D或3D物理模型試驗對設計方案進行驗證和優(yōu)化[7-9]。印度尼西亞某電廠工程采用海水直流冷卻供水系統(tǒng)，電廠排水由明渠至排水口經(jīng)消力池排入海中，為優(yōu)化排水口消力池及消能工的布置，驗證并確定排水口鋪面塊體和護底塊石的穩(wěn)定性，開展了水流和波浪作用下電廠排水口的消能及防沖物理模型試驗。

圖1 排水口平面布置圖Fig.1 Plane layout of outfall

1 工程概況

印度尼西亞某電站擬建2×350MW機組，每臺機組的冷卻水量為16.16 m3s。電廠排水明渠總長約450 m，原設計方案明渠底寬B=1.5 m，邊坡1：1，縱坡5.1‰，面板為200 mm厚的現(xiàn)澆混凝土板，糙率0.014。排水口為60°角喇叭型外擴式消力池，并結(jié)合消力墩、尾坎進行消能。消力池底高程-1.3 m，兩側(cè)翼墻頂高程+3.4 m，消力墩頂標高+1.0 m，距明渠端部10.57 m，尾坎頂寬4.0 m，頂高程+0.5 m，尾坎以外為海漫鋪墊(塊石200～300 kg)，高程-1.3 m，海漫以外接自然地面，消力池底及其兩側(cè)翼墻，尾坎及其邊坡均采用2 t 四腳空心方塊護面。明渠與排水口相接處的底高程-0.50 m，考慮波浪作用，明渠端部向上42 m范圍內(nèi)采用2 t四腳空心方塊護面和300～400 kg塊石護底，邊坡由1：1變?yōu)?：1.5。詳見圖1～2。

圖2 排水口斷面圖(斷面Ⅰ-Ⅰ)Fig.2 Cross-section diagram of outfall

2 試驗內(nèi)容和條件

2.1試驗內(nèi)容

(1)優(yōu)化并確定排水口消能工的布置型式及尺寸，使得尾坎后的流速控制在1.0 ms以下，不對自然床面造成沖刷。

(2)驗證排水水流和波浪作用下，消力墩、消力池護底、翼墻和尾坎護面、明渠護面和護底段以及海漫鋪墊的穩(wěn)定性，并提出優(yōu)化措施。

(3)試驗分析波浪經(jīng)排水口進入明渠后，波高衰減情況。

2.2試驗條件

(1)試驗流量：循環(huán)冷卻水量32.32 m3s，再考慮0.2 m3s的雨水流量，合計32.52 m3s。

(2)試驗水位(外海)：極端高水位：+1.89 m；重現(xiàn)期100 a一遇極值高水位：2.163 m；重現(xiàn)期50 a一遇極值低水位：-1.465 m。

(3)波浪條件：由于外海波浪傳至排水口附近時已破碎，因此試驗波高取破碎波高，其中百年一遇極值高水位的破碎波高為1.84 m，極端高水位的破碎波高為1.82 m，周期均為8.68 s；波向為正對排水口。

圖3 模型平面布置圖Fig.3 Plane layout of physical model

3 模型概況

采用正態(tài)物理模型，按重力相似準則設計，范圍包括整個排水明渠、消力池、海漫和部分海域地形。根據(jù)試驗場地，供水設備、有關試驗規(guī)程要求[10-11]和實驗室已有的塊體，確定模型比尺為1：23.2，模型水流雷諾數(shù)大于1 000，滿足紊流要求。模型總長約27 m，最大寬度8 m，布置在寬12 m，長40 m的寬水槽中，模型布置情況見圖3。

排水明渠用塑料板制作，其糙率為0.0 079，相當于原型0.013 3，基本與原型明渠混凝土板糙率0.014相同。消力墩和四腳空心方塊采用水泥加鐵粉，按重力比尺制作，塊石按重力比尺挑選，質(zhì)量偏差和幾何尺寸誤差均滿足試驗規(guī)程的要求。由于模型試驗采用的是淡水，而實際工程中為海水，受淡水與海水的密度差影響，試驗中考慮ρ海水=1.025ρ淡水用來控制模型塊體重量。

4 試驗方法和量測設備

4.1試驗方法

試驗分兩步，首先進行了排水水流作用下的排水口水流消能試驗；然后進行了水流和波浪共同作用下的穩(wěn)定性試驗。

4.1.1 水流作用下的流速和水位測點布置

水流作用下的消能試驗觀測了明渠和排水口水流流速和水位沿程變化，排水口的消能情況、以及消力池護底和翼墻、尾坎及海漫的防沖穩(wěn)定情況等。流速測量布置了9個斷面(1#～9#)，其中1#～4#斷面各布置了1個測點，5#～9#斷面分別布置了5個測點；水位沿程布置了6個測點(A#～F#)(圖3)。

4.1.2 波浪作用下波高測點布置

該試驗包括明渠內(nèi)有排水流量和無排水流量兩種條件，觀測了波高在排水口和明渠內(nèi)的沿程分布情況，以及波浪和水流作用下消力池護底和翼墻、尾坎和海漫鋪墊的穩(wěn)定情況。波高測點布置見圖3。

4.1.3 塊體和塊石沖刷穩(wěn)定性判斷

根據(jù)相關規(guī)程要求[10-11]，穩(wěn)定性試驗時間不少于2 h。四腳空心方塊穩(wěn)定性是觀察其位移情況進行判斷，試驗中當位移變化在半倍塊體邊長以上、滑落或跳出，即判斷為失穩(wěn)；當水流和波浪累積作用下出現(xiàn)局部縫隙加大至半倍塊體邊長以上，也判斷為失穩(wěn)。護面和護底塊石主要依據(jù)表面是否發(fā)生明顯變形、是否失去防沖和護底功能判斷其穩(wěn)定性，對于少許塊石發(fā)生移動分兩種情況考慮：一種為不隨時間累積繼續(xù)發(fā)展的情況判定為臨界穩(wěn)定，另一種隨時間累積沖刷范圍繼續(xù)擴大的則判定失穩(wěn)。

4.1.4 波浪模擬和率定

圖4 消力墩方案Fig.4 Schemes of baffle block

波浪采用不規(guī)則波。試驗前在原始地形上進行原始波的率定，將最后得到的造波參數(shù)存儲在計算機中。試驗時，依據(jù)對應率定好的造波信號進行造波。每組試驗至少重復3次。當3次試驗現(xiàn)象差別較大時，增加重復次數(shù)。每次試驗單元塊體均重新擺放。

4.2量測設備

排水流量采用矩形量水堰量測，節(jié)門調(diào)節(jié)；水位用測針測量；高程用水準儀測量；流速采用光電式旋槳流速儀測量；波高采用SG2008型動態(tài)波高測試系統(tǒng)進行測量；波浪采用港池搖板式不規(guī)則波造波機造波，同時造波板的兩側(cè)放置消波裝置來進行導波和消波，以減少邊界反射對試驗影響。

5 水流作用下排水口消能及穩(wěn)定性試驗

5.1消力墩對排水口消能及穩(wěn)定性的影響

進行了有、無消力墩及兩種消力墩方案的對比試驗，其中消力墩方案一由一個中墩和兩個邊墩組成，方案二則由5個墩組成(圖4)，結(jié)果見表1～表3，試驗表明。

表1 明渠及排水口的沿程水位Tab.1 Water level along the open channel and outfall m

表2 明渠的流速Tab.2 Flow velocity along the open channel ms

表2 明渠的流速Tab.2 Flow velocity along the open channel ms

斷面位置+2.163m消力墩方案一表面底部消力墩方案二表面底部-1.465m消力墩方案一表面底部消力墩方案二表面底部明渠1#5.304.155.434.265.304.285.544.32明渠2#5.124.025.324.185.254.085.394.28明渠3#5.013.905.314.025.254.065.364.10明渠4#3.722.173.832.254.263.884.814.03明渠斷面平均流速4.074.194.204.30

表3 排水口的流速Tab.3 Flow velocity along the outfall ms

表3 排水口的流速Tab.3 Flow velocity along the outfall ms

水位消力墩斷面位置1#(右)表面底部2#(右)表面底部3#(中部)表面底部左4#(左)表面底部左5#(左)表面底部+2.163方案一方案二消力墩前5#0.390.370.80.133.420.821.220.230.290.18消力池6#0.350.181.580.261.220.240.470.260.340.14消力池7#0.300.160.790.180.840.420.730.180.320.11尾坎8#0.130.110.870.80.900.710.770.640.140.11海漫9#0.140.050.390.340.600.160.50.180.150.09消力墩前5#0.260.241.60.293.520.851.380.310.240.16消力池6#0.120.011.170.241.490.761.110.240.180.11消力池7#0.350.100.590.231.070.480.50.320.230.18尾坎8#0.140.110.880.790.960.771.070.90.230.11海漫9#0.120.100.480.290.680.430.610.430.130.10-1.465方案一方案二消力墩前5#0.240.201.010.723.710.830.470.290.530.5消力池6#1.090.500.980.541.180.890.870.460.630.53消力池7#0.720.370.690.130.780.390.510.330.70.35尾坎8#∕∕∕∕∕∕∕∕∕∕海漫9#0.48∕0.56∕0.58∕0.54∕0.48∕消力墩前5#0.270.112.411.033.821.670.960.270.30.21消力池6#0.350.260.430.641.851.720.300.210.430.13消力池7#0.610.280.690.351.331.220.680.340.880.3尾坎8#∕∕∕∕∕∕∕∕∕∕海漫9#0.48∕0.58∕0.58∕0.54∕0.49∕

注：“”表示水深很淺，無法測量。

(1)對于擴散式消力池，為使水流能較均勻地擴散，擴散角一般以7°～12°為宜[12]。本工程中擴散角偏大，水流擴散不均，當消力池內(nèi)不設置消力墩時，明渠水流進入消力池后直沖尾坎，流速很大，呈明顯的主流帶，而兩側(cè)翼墻前則出現(xiàn)兩個回流區(qū)，消能效果差，主流帶處的尾坎承受較大的水流力；

(2)兩種消力墩方案對明渠和排水口沿程的水位影響有限，方案二明渠內(nèi)的水位比方案一略低1～6 cm，消力池和海漫處的水位則基本相同(表1)，100 a一遇極值高水位條件下(+2.163 m)，明渠的平均水深為2.18 m，50 a一遇極值低水位時(-1.465 m)，明渠內(nèi)平均水深為2.13 m；

(3)消力墩方案一的中墩較寬，其阻流消能要好于方案二，使得明渠和消力池內(nèi)斷面流速變小，但中墩后形成局部回流(表2和表3)。方案一明渠內(nèi)的斷面平均流速為4.07～4.20 ms，方案二明渠內(nèi)的斷面平均流速為4.19～4.30 ms，兩種方案的明渠A#～C#點水流弗汝德數(shù)為1.07～1.24，均大于1，故為急流，至排水口后，產(chǎn)生波狀水躍。消力墩方案一消力池中最大表面流速為1.22 ms，最大底部流速為0.89 ms，消力墩方案二消力池中回流范圍要小，但流速增大，最大表面流速為1.85 ms，最大底部流速為1.72 ms；

(5)圓弧型尾坎對均勻水流作用較好，由于尾坎的可滲性，海漫處的流速較小，消力墩方案一海漫上最大流速為0.6 ms，消力墩方案一為0.68 ms，均小于1.0 ms， 海漫塊石200～300 kg穩(wěn)定；

(6)明渠與排水口連接部分的護底為300～400 kg塊石，此處的底部流速在重現(xiàn)期50 a一遇極值低水位時為3.5～4.0 ms，在該水流作用下，有塊石滾動，隨后在水流持續(xù)作用下基本穩(wěn)定，因此該塊石重量為臨界重量，建議適當提高塊石重量；該處邊坡護面采用2 t四腳空心方塊，塊體穩(wěn)定；

(7)水流作用下，尾坎2 t四腳空心方塊護面穩(wěn)定，消力池2 t四腳空心方塊護底穩(wěn)定，可以采用塊石護底，以節(jié)約工程投資；

(8)消力池兩側(cè)翼墻采用2 t四腳空心方塊護面穩(wěn)定。兩種方案的消力墩在水流作用下沒有位移，結(jié)構穩(wěn)定。

5.2優(yōu)化試驗

為節(jié)省工程投資，并根據(jù)上述試驗結(jié)果，對整個排水系統(tǒng)進行了如下優(yōu)化：(1)將明渠200 mm厚的混凝土面板改為漿砌塊石，增大其糙率n=0.025，以減小明渠內(nèi)流速；(2)將尾坎和海漫護坦向上游移10 m；(3)將消力池護底、明渠與排水口連接部分的邊坡護面和護底、尾坎護面均改為塊石。

水流作用下塊石穩(wěn)定重量可按按伊茲巴斯公式初步計算

式中：D為截流塊石折算為球體的直徑，m；V為作用于塊石的流速，ms；γm為塊石的容重，取γm=2.7 tm3；γw為水的容重；g為重力加速度；K為綜合穩(wěn)定系數(shù)，塊石K=0.9。

通過初步計算，明渠與排水口連接部分的邊坡護面和護底采用600 kg塊石；消力池護底塊石考慮與其一致，也采用600 kg塊石。另外，尾坎護面需考慮波浪作用，采用800～1 000 kg的塊石護面，其穩(wěn)定性還需經(jīng)過波浪試驗驗證。

模型按上述變化條件修改，其中排水明渠邊坡采用水泥沙漿抹面拉毛，其糙率n=0.014～0.017，相當于原型n=0.023～0.028，基本與漿砌塊石糙率n=0.025相同。消力墩采用方案一的型式。試驗表明：

(1)明渠邊坡增大糙率，明渠內(nèi)水位有所增加，重現(xiàn)期50 a一遇極值低水位條件下，A#～C#水位測點水位平均增加了約0.10 m，同時明渠內(nèi)最大流速有所減少，最大表面流速由5.3 ms減小到5.09 ms；最大底部流速由4.28 ms減小到3.88 ms，明渠斷面平均流速減小為3.91 ms。明渠A#～C#點水流弗汝德數(shù)為0.93～1.12，水流為臨界流；

(2)尾坎上移10 m后，除消力池翼墻邊上的流速略有增大外，其他位置的流速變化不大；由于海漫的過水面積變窄，其過流流速有增加，重現(xiàn)期50 a一遇極值低水位條件下，海漫的最大流速為0.78 ms，海漫塊石200～300 kg穩(wěn)定；

(3)水流作用下，明渠與排水口連接部分的邊坡護面和護底采用600 kg塊石穩(wěn)定；消力池護底600 kg塊石穩(wěn)定，尾坎采用800～1 000 kg的塊石護面穩(wěn)定；

(4)消力池兩側(cè)翼墻采用2 t四腳空心方塊護面穩(wěn)定；消力墩在水流作用下沒有位移，結(jié)構穩(wěn)定；

因此，明渠邊坡增大糙率，對明渠內(nèi)水流條件有改善，尾坎前移10 m，消力池面積減小，消能效果略差些，同時尾坎出流的橫斷面減小，海漫上的流速有增大，最大為0.78 ms，但小于1.0 ms的要求，因此尾坎上移10 m也是可行的，但不宜再上移。

6 波流作用下排水口的穩(wěn)定性試驗

進行了百年一遇極值高水位和極端高水位，明渠中有、無流量情況下，排水口各部分塊體和塊石的穩(wěn)定性試驗，試驗表明：

(1)波浪從排水口傳入后，隨喇叭口束窄，波能有集中，消力池兩側(cè)翼墻對波浪有反射作用，尾坎對消力池內(nèi)波高有消浪作用，消力墩對其上游水域也有一定消浪作用；

(2)當明渠有流量時，波浪向明渠以上傳播受到水流的阻礙較為明顯，明渠受波浪影響較大的范圍在25 m左右，明渠內(nèi)無流時，距排水口約67 m的測點的波高為0.77 m，因此，設計方案中，與排水口相接處約42 m長度范圍內(nèi)護坡和護底，其長度較為合理；

(3)排水口外波高1.84 m時，尾坎前的波高為2.36 m；前池翼墻兩側(cè)的最大波高為1.86 m；消力池中間的最大波高為1.55 m；

(4)波浪和水流作用下，尾坎800～1 000 kg護面塊石穩(wěn)定，消力池兩側(cè)翼墻2 t四腳空心方塊護面穩(wěn)定，消力池中600 kg護底塊石穩(wěn)定；海漫塊石200～300 kg穩(wěn)定；

(5)波浪和水流作用下，與排水口相接處600 kg護底塊石穩(wěn)定，600 kg邊坡護面塊石有滾落，塊石護面表面形狀局部變形，采用四腳空心方塊則穩(wěn)定；

(6)各工況下，消力墩在波浪和水流作用下沒有位移，結(jié)構穩(wěn)定；

(7)由于排水口采用了消能和護底措施，波浪和水流作用下沒有局部沖刷現(xiàn)象產(chǎn)生，對排水構筑物安全及穩(wěn)定性影響很小。

7 主要結(jié)論

(1)本工程排水口為60°角喇叭型外擴，擴散角偏大，結(jié)合消力墩、消力池、尾坎和海漫的消能方式是可行的，各結(jié)構物設計標高合理；消力墩方案一的阻流消能要好于方案二，建議采用；圓弧型尾坎對均勻水流作用較明顯，海漫上的流速較小；尾坎上移10 m可行，但不宜再上移。

(2)波浪作用下，隨著排水口喇叭口束窄，波能有集中，消力池兩側(cè)翼墻對波浪有反射作用，尾坎和消力墩有消浪作用；當明渠有流量時，水流對波浪向明渠內(nèi)傳播有明顯的阻礙作用，此時明渠受波浪影響較大的范圍在25 m左右，當明渠內(nèi)無流時，距排水口約67 m 處的波高為0.77 m，因此，對明渠與排水口相接處約42 m長度范圍內(nèi)進行護坡和護底是合理的，護坡采用2 t四腳空心方塊穩(wěn)定，護底塊石重量為600 kg時穩(wěn)定。

(3)波浪和水流作用下，消力池600 kg護底塊石、尾坎800～1 000 kg護面塊石、海漫200～300 kg護底塊石以及消力池兩側(cè)翼墻2 t四腳空心方塊護面穩(wěn)定，消力墩結(jié)構穩(wěn)定。

(4)本排水系統(tǒng)明渠內(nèi)的流速偏大，建議進一步采取如降低縱坡、增大底寬等措施以降低流速。

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Test of energy dissipation and pavements stability in outfall of power plant under the action of wave and current

LIYan1,2,YUJian-xing1,CHENHan-bao2,MAJun2

(1.SchoolofCivilEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China; 2.TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering，NationalEngineeringLaboratoryforPortHydraulicConstructionTechnology,KeyLaboratoryofEngineeringSediment,MinistryofTransport,Tianjin300456,China)

Outfall of seashore power plants is influenced by combined action of drainage water, tide current and wave. The complex hydrodynamic conditions in stilling basin would be adverse to stability of pavements stones or artificial blocks. Based on actual problems of a power station in Indonesia, energy dissipation characteristics and pavement stability in stilling basin of outfall under the action of wave and current were tested by physical model. The experimental results show that the energy dissipation mode of the power plant outfall by adopting diffusion stilling basin with baffle block and end sill is feasible, the effects of baffle block and arc type end sill dissipating energy and equalizing flow are obvious. Wave energy is concentrated in the diffusion stilling basin under the combined action of wave and drainage water flow, and the wave impact is still extend to open channel which in the upper of outfall despite wave propagation hindering by drainage water flow, so protection measures for a certain range of the channel surface and bottom should be adopted. In the test, type of baffle block and weight of part pavement stones were also optimized.

action of wave and current；outfall; energy dissipation; pavement; stability

2016-10-24；

2017-02-07

李焱(1972-)，男，江西省萍鄉(xiāng)人，副研究員，主要從事港口與航道工程研究。

Biography: LI Yan(1972-), male, associate professor.

TV 143;U 65

A

1005-8443(2017)05-0447-06