某接收站工程泥沙淤積特性物理模型試驗(yàn)研究

禹勝穎 呂會(huì)嬌 袁淮中 李桂青

1 工程概況

某接收站取水口工程，是與某接收站氣化天然氣相配套的開(kāi)架式氣化器提供加熱介質(zhì)——海水的取水工程，同時(shí)為整個(gè)站區(qū)系統(tǒng)消防海水。海水取水口工程，布置在接收站西南側(cè)，取水方式為暗管取水，取水口一次建成，但設(shè)備需考慮分期安裝。取水暗管長(zhǎng)約250 m，寬×高為1.6 m×1.6 m，取水頭部底高程為-4.5 m，采用窗簾式取水，取水口取水規(guī)劃流量為9.45 m3/s。

2 模型的設(shè)計(jì)

2.1 模型相似準(zhǔn)則

對(duì)取水口工程海域動(dòng)力泥沙環(huán)境和岸灘穩(wěn)定性的分析表明，正常天氣條件下取水口附近海域水體含沙量很小，而波浪作用下近岸波浪掀沙現(xiàn)象明顯，沿岸泥沙運(yùn)動(dòng)主要受波浪影響，工程建成后取水口附近的岸灘變化主要由南向波浪作用下的局部沿岸輸沙引起，因此，本項(xiàng)研究在進(jìn)行物理模型設(shè)計(jì)時(shí)需要滿(mǎn)足水流運(yùn)動(dòng)相似、波浪運(yùn)動(dòng)相似和泥沙運(yùn)動(dòng)相似。

2.2 模型比尺及范圍

已有研究成果表明，在變態(tài)模型中，取波高比尺與波長(zhǎng)比尺相同且均等于水深比尺（垂向比尺）時(shí)，對(duì)于坡度較緩的海岸和河口，可以達(dá)到波浪質(zhì)點(diǎn)速度、傳質(zhì)速度、波速、波速群、波浪折射、波浪破碎的位置、類(lèi)型和沿岸流等的相似。根據(jù)已有資料選定模型平面比尺αL為60，垂向比尺αH為40。

只有采取完全正態(tài)的模型才能同時(shí)滿(mǎn)足波浪傳播、折射、繞射、反射和破碎相似。本模型主要考慮滿(mǎn)足波浪傳播、折射和破碎相似，在幾何小變態(tài)的情況下采用了波浪正態(tài)模型，波要素比尺為：

模型設(shè)計(jì)按重力相似、阻力相似、波浪相似、泥沙相似等準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型。

依據(jù)研究?jī)?nèi)容和技術(shù)要求，確定模型模擬取水口工程原型范圍為1.0 km×1.2 km，水面面積約為1.2 km2。模型平面布置如圖1所示。

圖1 模型平面布置圖

2.3 模型沙的選擇

取水口工程附近海域床沙平均中值粒徑為0.352 mm，波浪是底沙掀動(dòng)和運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?，同時(shí)局部水域較強(qiáng)的漲、落潮流的最大流速也可以起動(dòng)底沙。因此，在選擇模型沙時(shí)需要根據(jù)波浪作用下的泥沙起動(dòng)相似來(lái)確定模型沙。經(jīng)綜合分析，本次試驗(yàn)選用聚氯乙烯粉作為模型沙，其中值粒徑為0.12 mm，容重γs=13.5 kN/m3，穩(wěn)定干容重γ′=5.5 kN/m3。這種模型沙物理化學(xué)性能穩(wěn)定，不板結(jié)，可模擬海域底沙運(yùn)動(dòng)。

2.4 模型造波、量測(cè)系統(tǒng)

模型中的波浪模擬采用造波機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制可產(chǎn)生規(guī)則波。波浪要素的測(cè)量采用電容式波

高儀，分辨率為0.1 mm，并連接計(jì)算機(jī)采集系

統(tǒng)，可隨時(shí)測(cè)定試驗(yàn)過(guò)程中的波高和周期。

2.5 模型驗(yàn)證

對(duì)潮汐水流、波浪要素及地形的沖淤進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，各要素均滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。模型在潮流、波浪動(dòng)力場(chǎng)相似的基礎(chǔ)上能夠復(fù)演取水口附近海域的泥沙運(yùn)動(dòng)和岸灘演變，為進(jìn)一步的方案試驗(yàn)打下了良好的基礎(chǔ)。

3 試驗(yàn)成果

3.1 局部流場(chǎng)影響

由于防波堤工程實(shí)施后的影響，在取水口附近的水域形成順時(shí)針回流，回流區(qū)的流速不大，約為0.01～0.02 m/s。試驗(yàn)觀(guān)察到，在波浪作用下回流區(qū)與取水口附近水體存在著水體交換，取水口在不同潮位、波浪條件下均能順利取到水，取水口頭部流速為0.5～0.8 m/s。取水口附近流場(chǎng)如圖2所示。

圖2 取水口附近流場(chǎng)圖

3.2 泥沙沖淤分析

3.2.1 設(shè)計(jì)高潮位+年平均波浪

在設(shè)計(jì)高潮位+年平均波浪作用下，取水口附近海域泥沙沖淤變化主要在沿岸灘淺水區(qū)即-4 m等深線(xiàn)范圍內(nèi)變化劇烈，岸邊淺灘呈現(xiàn)沖刷狀態(tài)，海域泥沙在波浪和回流作用下起動(dòng)懸揚(yáng)，形成沿岸輸沙，造成沿防波堤附近西側(cè)深海區(qū)域略有淤積，取水口附近地形附近沖淤變化如圖3所示。

試驗(yàn)觀(guān)察到，在波浪作用下的泥沙起動(dòng)懸浮后，在沿岸流作用下遷移沉降，在淺灘附近往復(fù)運(yùn)動(dòng)，隨著時(shí)間的推移，造成泥沙沖淤演變。取水口頭部在波浪作用下略有淤積，淤積速度緩慢，年平均淤厚為0.042 m。

取水過(guò)程中，進(jìn)入取水暗管的泥沙量極少，主要是由于懸浮的泥沙很快就在附近沉降，在沿岸流作用下往復(fù)遷移，泥沙進(jìn)入引水暗管幾率較低。同時(shí)，取水口前部的礁石區(qū)域?qū)δ嗌车臎_淤變化起著重要的阻擋作用，也利于取水口的取水效果。

圖3 取水口附近地形沖淤變化圖（設(shè)計(jì)高潮位+年平均波）

3.2.2 設(shè)計(jì)低潮位+年平均波浪

與設(shè)計(jì)高潮位情況相似，設(shè)計(jì)低潮位+年平均波浪作用下，取水口附近海域泥沙沖淤變化主要在岸灘淺水區(qū)即-4 m等深線(xiàn)范圍內(nèi)變化明顯，岸邊淺灘呈現(xiàn)局部沖刷狀態(tài)，海域泥沙在波浪和回流作用下起動(dòng)懸揚(yáng)，形成沿岸輸沙，造成沿防波堤附近右側(cè)深海區(qū)域略有淤積，取水口附近地形附近沖淤變化如圖4所示。

圖4 取水口附近地形沖淤變化圖（設(shè)計(jì)低潮位+年平均波浪）

試驗(yàn)觀(guān)察到，在波浪作用下的泥沙起動(dòng)懸浮后，在沿岸流作用下遷移沉降，在淺灘附近往復(fù)運(yùn)動(dòng)，隨著時(shí)間的推移，造成泥沙沖淤演變。取水口東側(cè)在波浪作用下略有沖刷，取水口頭部略有淤積，淤積速度緩慢，年平均淤厚為0.065 m。

3.2.3 設(shè)計(jì)低潮位+50年一遇波浪

設(shè)計(jì)低潮位在50年一遇波浪下，床面上有大量泥沙被懸揚(yáng)，海水變得異?；鞚?；當(dāng)波浪動(dòng)力停止后，泥沙又迅速落淤到床面上，海水恢復(fù)清澈，說(shuō)明在大風(fēng)天部分底沙來(lái)自波浪掀揚(yáng)，在波浪破碎帶區(qū)域懸揚(yáng)起動(dòng)，在沿岸潮流帶動(dòng)下，在取水口附近海域沖淤演變。

試驗(yàn)結(jié)果表明，大風(fēng)浪條件下淺灘泥沙演變劇烈，取水口頭部區(qū)域有泥沙淤積，平均淤厚為0.232 m。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)工程海域自然條件分析，取水口海域具有水深大、潮流動(dòng)力弱，含沙量低、來(lái)沙量少的特點(diǎn)，因此，潮流動(dòng)力和懸沙對(duì)取水口附近海域的造床貢獻(xiàn)很小。防波堤工程實(shí)施后，取水口頭部處于弱回流區(qū)，回流流速極小，潮流動(dòng)力不是海床泥沙沖淤演變的主要?jiǎng)恿Α?/p>

（2）取水口工程附近海岸的發(fā)育演變主要受波浪動(dòng)力的作用。鄰近岸段實(shí)測(cè)波浪資料及該岸段海岸動(dòng)力地貌特征反映，工程附近近海的常波向和強(qiáng)波向應(yīng)為SE向。但西海灣未來(lái)港口水域很大程度上會(huì)受SW向浪的影響，原因是冬季近岸的SE向浪繞過(guò)“尖端巖島”后發(fā)生繞射、折射變形，轉(zhuǎn)變成SW向浪。防波堤工程實(shí)施后，S、SSW向波浪可以直接作用到取水口頭部，是造成取水口工程附近海岸地形演變的主要?jiǎng)恿Α?/p>

（3）試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，防波堤工程實(shí)施后，不同潮流、波浪條件下，取水口工程均能順利取到水，取水口布置基本合理。

（4）波浪動(dòng)床試驗(yàn)結(jié)果表明，防波堤工程實(shí)施后，取水口附近的地形變化規(guī)律與天然狀態(tài)下的變化規(guī)律基本一致，沿岸淺灘依然呈現(xiàn)為沖刷的狀態(tài)，沖刷強(qiáng)度是呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)的。由于防波堤工程實(shí)施后，波浪動(dòng)力條件將明顯減弱，取水口工程附近岸灘發(fā)育演變將進(jìn)一步減緩，有利于岸灘的穩(wěn)定。

（5）在年平均波浪動(dòng)力作用下，取水口頭部略有淤積，淤積速度緩慢，年平均淤厚為0.042～0.065 m。在50年一遇大風(fēng)浪作用下，平均淤厚為0.232 m。

（6）試驗(yàn)結(jié)果表明，取水口附近海域大片的礁石區(qū)域，對(duì)取水口頭部泥沙的淤積起著明顯的阻擋作用，有利于取水口安全運(yùn)行。

（7）由于海岸動(dòng)力條件的復(fù)雜性、不確定性以及泥沙問(wèn)題的復(fù)雜性，建議在工程實(shí)施、取水口運(yùn)行初期和正常運(yùn)營(yíng)期加強(qiáng)對(duì)取水口頭部及附近岸灘上地形沖淤的檢測(cè)，以便及時(shí)清淤并采取必要的防淤減淤優(yōu)化工程措施。