海滨电厂桥墩式取水口局部冲淤变化的工程计算方法

1、第48卷第5期2011年10月总第202期港工技术Port Engineering TechnologyVol. 48No.5Oct.2011Total 202海滨电厂桥墩式取水口局部冲淤变化的工程计算方法白玉川1，应超1，高国瑜2，杨浩俊2（1. 天津大学河流海岸工程泥沙研究所，天津300072；2. 中船第九设计研究院工程有限公司，上海200072）摘要：针对大型电厂海域取排水工程中桥墩式取水口的局部冲淤问题，从势流理论和柱状坐标系下床面变形方程出发，推导单个取水口的冲淤强度理论计算公式，并利用有限差分法离散笛卡尔坐标系下的床面变形方程，提出便于求解的冲淤场数值模拟方法。以某工程的海水冷却

2、系统取水口为例，应用该理论公式和数学模型估算取水口附近的泥沙淤积情况取得较好效果，为规划取水口的设计高程和冲淤防护措施提供了有力支持。关键词：桥墩式取水口；局部冲淤；工程计算方法中图分类号：TV148.5；TV671文献标志码：A文章编号：1004-9592-（2011）05-0006-03Engineering Calculation Method for Local Sour -and -fill Change aroundPier -type Water Intakes of Coastal Power PlantBai Yuchuan 1，Ying Chao 1，Gao Guoyu 2

3、，Yang Haojun 2（1.Institute for Sedimentation on River and Coastal Engineering ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ；2. China Shipbuilding NDRI Engineering Co. ，Ltd. ，Shanghai 200063，China ）Abstract ：As for the local sour -and -fill problem around pier -type water intakes in the water supply and

4、 drainage project of large -scale coastal power plant ，the theoretical formula of sour -and -fill intensity is gained for a single water intake ，according to the potential theory and seabed change formula under cylindrical coordinate system. In addition ，finite difference method is used to disperse

5、seabed change formula under Cartesian coordinate system. The convenient sour -and -fill numerical simulation method is put forward too. The water intakes of sea water cooling system in some project are taken as an example. The theoretical formula and numerical model are applied to estimate the sedim

6、ent accumulation around water intakes and better effect is obtained ，which is a great assistance to layout the design elevation of water intakes and the sour -and -fill protective measures.Key words ：pier -type water intake ；local sour -and -fill ；engineering calculation method随着我国工业化和城市化进程的迅速发展，对电力

7、的需求旺盛，火电和核电项目的数量不断增多。目前，我国电厂的冷却水系统分为循环供水和直流供水2大类，绝大多数海滨电厂采用直流供水系统1。直流供水系统的取水口布置又分岸边型和离岸型2种型式，岸边型取水建筑物一般与水泵房合建，如塔式进水口；离岸型取水口与水泵房分开布置，如桥墩式取水口、烟斗式取水口等。桥墩式取水口完全淹没在水面以下，需要经过较长的引桥与岸边水泵房相收稿日期：2011-06-09修回日期：2011-09-21基金项目：国家自然科学基金资助项目（40776045）作者简介：白玉川（1967-），男，教授，博士生导师，主要从事海岸动力学及泥沙运动力学方面的研究。连，适用于取水量较大、水域面

8、积广阔、水体含沙量高、岸坡较为平缓的电厂厂址。保证直流供水系统的取水安全是工程设计的重点，既要保证取得低温水体，又要避免发生表面吸气旋涡和泥沙淤塞取水格栅的现象。针对桥墩式取水口局部冲淤变化问题提出理论求解公式和数值计算方法，仅供相关工程计算参考。1求解床面冲淤强度的理论公式为推导床面冲淤强度的理论解，将桥墩式取水口附近的流场概化为无环量圆柱恒定绕流问题，即均匀流和偶极子2个基本流动的叠加2。以圆柱中心为原点建立柱面坐标系，由流体力学理论可以求得流速第5期白玉川，等：海滨电厂桥墩式取水口局部冲淤变化的工程计算方法法计算冲淤场6。其基本方程为：·7·势函数=v （r+a2/r

9、 ）··cos ；流函数=v （r -a 2/r ）sin 。由此可得流速分布u r =坠/坠r =v （1-a 2/r 2）·cos ；u =（坠/坠）·r -1=-v （1+a 2/r 2）·sin ，式中a 为圆柱半径；1）水流连续方程：坠U i =0；i2）Reynolds 时均N -S 方程：坠U i +U j 坠U i =i-坠P +坠（2S ji -j i ）；i j3）k 方程：坠k +U j 坠k =ij 坠U i -+坠（+i /j j jk ）坠k ；j4）方程：坠+U j 坠=C1ij 坠U -C 2+2u r 、u 分

10、别为r 、方向的流速；v 为来流速度。计算其合速度u 2=u r 2+u 2=v 2-2v 2a 2/r 2cos （2）+v 2a 4/r 4。在柱坐标系下的床面变形方程为坠z =h （u 坠c +u 坠c ），rm （1）式中z 为床面高程：t 为时间变量；h 为水深；r m 为泥沙的质量密度；水体含沙量c=ku 3/（gh ）m ，经验系数k 、m 由潮流挟沙的实测资料经回归分析得出3，4。根据水体含沙量的定义，则有坠c 3u 2km 33（u ）m-1坠u ；坠c =3u 2km （u ）m-1坠u 。将其代入式（1）中可得坠z =3v km （u 2）m -1u m （1-a 2）u

11、 坠u cos -（1+a 2）·m （2）u sin 。坠2由合速度计算公式可得u 坠u 2v 2a cos （2）-422v 2a ；u 坠u 2v 2a sin （2）。在考虑波浪作用时，合流速u 取为u =|u 潮|+|u 浪|，其中u 浪为常浪轨道流速5，代入式（2）并化简可得床面冲淤强度的理论公式坠z =3v 3km u 3m -22a 2cos （3）-4a 4cos +4a 6cos 。m （3）i j 坠（+/）坠。i kj j式中各项参数取值参见文献7。笛卡尔坐标系下床面变形方程坠z =1·m坠（u x ch ）+坠（u y ch ），式中u x 、u

12、y 分别为x 、y 方向的流速。对上式进行向前差分整理得（）t ，（）t ，+1tZ t+=Z +i ，j i ，jx r m（）t （）t 。y（4）33.1工程应用实例工程概况以福建省某电厂海水冷却系统工程为例，离岸式取水设施采用桥墩式布置，距岸线约393m ，取水口附近水域宽阔，平均水深8.7m ，水体含沙量较高，其中大潮全潮垂线平均含沙量0.0316kg/m3，共布置2个取水口，总取水流量55m 3/s。单个取水口直径22m ，两取水口圆心间距37m 。电厂取排水口位置示意，见图1。式（3）的推导过程基于单个取水口的情况，不考虑海床底沙的起动和悬浮，且假定取水口附近流向固定，合流速可由

13、计算确定。在实际工程应用中，由于取水口处的潮流流向往往呈周期性变化，可针对不同的流向，分时段计算床面的冲淤量，即在同一时段内取平均流速与平均流向进行计算。由于上述公式是基于势流理论推导而得，其计算结果可以叠加，若遇多个取水口的情况，可以采用“分别计算、总量叠加”的方法计算整个取水口范围内的床面冲淤量。2床面冲淤强度的数值模拟方法一般情况下，对机理清楚、规律明确的物理现象往往可以进行较准确的数值模拟。在推导床面冲淤强度时，一般会作某种程度的近似处理，如上节推导中就将流场概化为无环量圆柱绕流，并近似认为取水口附近初始水深为定值。采用数值模拟方法可以考虑取水口附近的实际水深情况，并可求得更为精确的流

14、场。求解流场的计算采用k -模型，并采用有限差分图1电厂取排水口位置示意选取典型大潮期间实测数据，分别采用数值模拟法和理论计算法计算取水口附近床面的局部冲淤强度。根据对实测资料的回归分析可得到上节公式中的系数k=0.044，m =0.043， 在后续计算中水体泥沙·8·港工技术第48卷的质量密度均取r m =1.15t/m3。取水口附近大潮垂线平均流速和流向分布，见图2。大潮平均流速/（m ·s -1）大潮流向方位角/（°）分布，见图4。图3图2取水口附近大潮垂线平均流速和流向分布大潮期间814h 时段（第2组） 的数值模拟结果3.2床面冲淤强度的数值模

15、拟为计算方便，选取两取水口圆心连线的中点为原点建立平面直角坐标系。每个典型大潮历时约27h ，考虑到潮流的流速和流向会随时间变化，根据流向的变化将其分为4组，分别计算每组的流场和冲淤场，然后叠加得到大潮期间的冲淤总量。计算大潮冲淤强度的潮流分组情况，见表1。分组图4 整个大潮期间泥沙冲淤强度分布理论公式计算中采用与表1相同的潮流分组，分别计算2个取水口对床面冲淤强度的影响，再将结果叠加。如在计算2个取水口圆心连线中点处大潮期间的冲淤强度时，先计算左下角取水口单独存在的情况，再计算右上角取水口单独存在的情况，最后进行叠加。取水口对床面冲淤变化影响的理论计算数据，见表2。根据表2中的数据，将受2个

16、取水口影响的冲z /m-0.2170.150-0.1780.1680.226-0.1560.186-0.175合计冲淤强度/m1234计算大潮冲淤强度的潮流分组情况起止时间/h计算流速/（m 计算流向方位角/（°）·s -1）170.172150.284781415200.1821521270.2447表1大潮期间814h 时段（第2组）的数值模拟结果，见图3；叠加所得的整个大潮期间泥沙冲淤强度取水口位置左下角取水口分组·v /（m s ）0.170.280.180.240.170.280.180.24-1表2a /m11右上角取水口1234123411取水口对床

17、面冲淤变化影响的理论计算数据·/（°）r /mu /（m s -1）t /s1860.012524252003540.0339752520018.51860.014041216003540.0249612520060.012524252001740.0339752520018.560.014041216001740.02496125200-0.0770.081淤强度叠加即得到取水口圆心连线中点位置在大潮期间的淤积强度为0.004m ，而该点处数值模拟计算的淤积强度为0.0018m ，通过上述2种方法计算的结果属同一量级，理论公式法计算的淤积强度略大，但基本属于误差允许的范围。择比较适合的计算方法。参考文献1金岚，李平衡，等. 水域热影响概论M.北京：高等教育出版社，1993.2潘文全. 流体力学M.北京：机械工业出版社，1980. 3王尚毅. 河口工程泥沙数学模型M.天津：天津大学出版社，1990.4结论本研究针对实际工程中桥墩式取水口的局部冲淤变化提出理论公式解法与数值模拟解法，理论公式解法在求解某一确定点的冲淤变化时较为方便，且能达到一定的精度；数值模拟解法更适合求解取水口附近一定范围的冲淤场变化，模拟计算时可以考虑更多的影响因素，在应用时