电厂取水防沙问题的研究

韩根锁

（江苏省南京振高建设有限公司 江苏 南京 211300）

电厂水源只要取自地表，不论是在海洋取水，还是在地表江河取水，取水口泥沙运动特性及冲淤变化分析都是首要问题，该问题研究对电厂今后安全运行至关重要。泥沙淤积也是影响冷却水工程布局的主要问题。电厂取水泥沙问题主要包括：河势不稳定或河口海湾岸滩变化引起的取水口淤积或淤堵；小流量工况或停机检修时取排水涵管内泥沙淤积；电厂正常运行和检修时取水明渠或取水港池泥沙淤积；循环冷却水泵房前池流道水流和泥沙淤积；涵管冲沙；取水对航道水流及航道泥沙淤积的影响。

1 河势不稳定或河口海湾岸滩变化引起的取水口淤积或淤堵

砾石、粗沙、中沙、细沙分别沉积在河道上，成为构成河床的主要要素。不同流速水流的冲刷与不同粒径河沙的补给相互作用，河床保持相对平衡。受水利工程修建或者河沙开采以及自然条件下的洪枯水影响，水位、流量、沙量都将发生变化，改变了河床地貌和水流边界条件，造成水流流速和方向的变化，引起平面摆动，导致河势不稳定。如，河道因冲刷而下切，因淤积而抬高；河道因一岸冲刷另一岸淤积而在平面上摆动等。河势不稳定引起取水口淤积主要表现为：主河槽的不断淤积，窄滩变宽滩，嫩滩变老滩，低滩变高滩，从而造成设计的取水口门水深等深线外移，不仅使电站无法正常取水，严重时取水口工程脱流，造成取水口淤死现象。对于拟建在多弯河段流域的电厂，在厂址选择时必须充分考虑河段多弯分汊的特点。弯道水流往往比较复杂，随着洪枯年份及季节的不同，弯道凹岸顶冲点的上提或下挫，泥沙冲淤幅度的变化，岸坡的稳定等因素都会对取排水口的位置产生影响。分汊河道的分流、分沙比的改变，对分汊河道的冲淤乃至局部河势改变有较大影响，尤其在水流分汊点前后（洲头）和水流汇合点前后（洲尾）河段，泥沙冲淤要引起足够的重视。

河口海湾岸滩变化引起的取水口淤积或淤堵也主要是由于岸滩淤高引起取水口设计水深等深线的外移，影响取水和发生淤堵。以秦山核电三期工程为例，工程地处钱塘江河口，由于取水口所在海域潮强流急、含沙量大，又是杭州湾北岸深槽的末段，海床受上游钱塘江河口径流丰、平、枯的变化和围垦的影响而发生剧烈的冲淤变化，下游又受杭州湾北岸深槽冲淤变化的制约，因而取水口附近水域的水流、泥沙运动和海床冲淤变化尤为复杂。此外，为治理钱塘江河口，规划在邻近秦山水域的尖山河湾将围涂缩窄，由于过去钱塘江的治江围涂缩窄已对秦山水域产生了一定的淤积影响，下阶段的治江围涂越向下游发展，离秦山核电就越近，影响更直接。为保证核电厂循环冷却水的正常供水和安全运行，必须研究取水口附近的水流、泥沙运动和河床冲淤变化，以及对各种影响因素进行预测。

2 小流量工况或停机检修时取排水涵管内泥沙淤积

在波浪及水流动力的作用下，泥沙由取水口进入引水涵管。正常工况下，泵房机组满负荷运行时，管内水流流速一般大于涵管内泥沙起动流速，可确保泥沙不会在涵管内淤积。小流量工况时，由于泵房引水流量小，涵管内的水流流速较小，涵管内水流的挟沙能力随流速的减小而减小，当流速减小到一定程度时，部分泥沙就开始在涵管内淤积。在没有取水情况下，潮位涨落也可引起的涵管泥沙回淤，这类型的淤积取决于涵管内外水体交换量，亦即纳潮量，通常涨潮时段口门处含沙浓度是计算涵管内泥沙回淤量的重要参数。泥沙将要沉积而尚未沉积时的流速是临界不淤流速。涵管内不淤流速应该大于临界不淤流速。张英普等[1]通过泥沙运动力学理论，利用管道输水试验系统，对不同含沙量下的临界不淤流速进行系统试验研究，得出浑水管道临界不淤流速经验公式：

式中，Uc——临界不淤流速(m/s)；

g——重力加速度；

Sv——含沙量（体积比%）；

ρs——泥沙密度(g/cm3)；

d——管径(mm)；

w——泥沙自由沉降速度(m/s)；

ρ——水的密度(g/cm3)。

3 电厂正常运行和检修时取水明渠泥沙淤积及取水港池泥沙淤积

明渠内泥沙淤积的多少主要取决于口门处含沙量、明渠内各处水动力强度以及泥沙特性。潮汐条件下半封闭水道内泥沙淤积一般由以下三种原因引起：潮汐棱体引起的水道内外泥沙交换，平面回流，异重流。淤积形态一般是回流区淤积率较大且自口门处向内逐渐减少。但若泥沙较细，口门外含沙量较大，且潮流较小，异重流可能使水道内淤积量增大。

徐啸[2]针对电厂取水明渠及口门外水流特点，提出适合电厂取水明渠悬沙回淤率计算公式：

式中，K——淤积系数；

γ0——与粒径有关的表层淤积物的干密度(kg/m3)；

T——淤积历时(s)；

w——絮团沉降，可取w=0.05cm/s；

S*——挟沙能力(kg/m3)；

S——沿水深平均含沙浓度(kg/m3)；

Pd——沉降概率，用下式计算：

式中，φ——概率函数；

σ——垂直脉动速度均方差；

γ——与泥沙粒径特性有关的系数。

取水港池泥沙淤积则主要是由于港池取水改变了港池中水流流速和流态，增大了水体交换量，相应地增加了进入港池泥沙总量。考虑电厂取水将带走部分泥沙，故电厂取水对港池回淤的影响取决于进港泥沙总量的增加、取水所挟带的泥沙量及蓄水池内的泥沙沉降概率。另一方面，港区本身阻挡了波浪，波浪动力减弱，一方面使水体挟沙力降低，泥沙容易沉降，另一方面波浪掀动滩面泥沙能力减弱，使已经沉降到床面的泥沙不容易起动被潮流带走。使得取水口附近海区水动力条件明显减弱成了一个泥沙淤积与促淤环境。夏云峰等[3]提出在计算取水口水体含沙量时，如考虑取水将带走一部分泥沙，港池年平均回淤强度可表示为：

式中，kp——与泥沙颗粒特性有关的淤积系数；

S0——口门附近水体含沙量(kg/m3)；A——港池面积(m2)；

γ0——泥沙湿容重(kg/m3)；

Vs——港池和外海交换的水体总量(m3)；

Q——取水流量(m3/s)；

Tc——来沙平均滞留时间（约等于半个潮周期，s）；

ap——泥沙沉降概率，用下式计算：

式中，w——泥沙颗粒沉速(m/s)；

H——港池平均水深(m)；

Uh——港池内流速(m/s)；

Uc——泥沙发生沉降时的临界流速(m/s)。

另外，Sm计算如下：

式中，S*——港池水体挟沙力(kg/m3)；

q——单宽流量(m2/s)；

x——取水口至港池进口距离(m)。

4 循环冷却水泵房前池流道水流和泥沙淤积

泵房前池是连接引水渠道（管道）和压力水管之间的一个水池。在电厂中，前池有以下几点作用：把引水渠道（管道）的来水引入压力水管，如果电厂有几台机组，而又分别由几条压力水管供水时，则将水量分配给各压力水管；用拦污栅防止落入引水渠道中的树根、杂草和泥沙进入压力管道和汽轮机，冬季防止压力水管入口冰冻；当压力水管或汽轮机发生事故或进行检修时，可拦断水流进入压力管道；沉积渠道（管道）中流进的泥沙。前池流道水流流态直接影响到水泵的运行效率和泥沙淤积。实际工程中，往往出现进水池中主流来不及充分地向整个取水前缘扩散的现象，水流在取水前缘之前发生水流转弯，在主流一侧或两侧出现旋涡区，水流斜向进入流道，特别是靠边的进水流道更为严重。水流从侧向进入流道一般会形成旋涡漏斗，使水泵吸水管入流不均匀甚至发生水泵吸水管吸入空气，导致水泵效率降低乃至引起水泵振动，影响水泵正常、高效、安全运行。另外，由于部分机组检修而造成水泵机组的不对称运行，也影响进出水池流态。这种不对称运行会使池内产生回流，引起泥沙淤积。泥沙还会磨损水泵，造成水泵出水量减少。因此，必须采取适当的工程措施引导水流均匀、平稳地向整个取水前缘扩散，如采用导流墩、坎，倒坡池底等。

5 涵管冲沙

涵管管底床面的床沙恰好达到起冲时，涵管内水流断面垂线平均流速定义为涵管床沙起冲流速。起冲流速是判别涵管内淤积泥沙冲刷的基准，即涵管流速达到某值时，床沙开始起动，它反映了涵管内的床沙在特定条件下的抗冲刷能力。起冲流速一般随中值粒径的增大而增大。另外，对于颗粒较细的粘性泥沙，当其含有大量的有机质，如长时期沉积于取排水涵管内，将会产生板结现象，板结后，需要更高的流速才能将泥沙冲动。为防止取排水涵管内产生严重的泥沙淤积，须采取必要的措施，如控制管内流速、定期冲洗以及为取排水涵管的清淤提供便利条件等。

6 取水对航道水流及泥沙淤积的影响

取水工程实施后，将引起航道中的涨、落潮流速、流向的变化。计算航道开挖及电厂取水后的航道淤强可采用罗肇森公式[4]：

式中，P——回淤厚度(m)；

α——泥沙沉降机率；

ωf——淤泥质泥沙的絮凝沉速(m/s)；

S——平均含沙量(kg/m3)；

t——淤积历时(s)；

γ0——泥沙的淤积干密度(kg/m3)；

V1、V2——航道开挖前、后的流速(m/s)；

d1、d2——航道开挖前、后的水深(m)；

θ——水流方向与航道轴向的夹角；

n——水流跨越航道的转向系数。为计算方便，可表征为：

7 小结

水源水位、取水口位置布设及含沙量等给电厂安全运行带来影响。取水口的布置及高程，应根据取水量和水质的要求，结合河床地形及地质、河床冲淤、水深及水位变幅、泥沙及漂浮物、冰情和航运等因素以及施工条件，保证安全可靠以及技术经济的要求，因势利导，以期寻找出最优秀的取排水方案，从而达到安全、经济的目的。陕西水利

[1]张英普,何武全,蔡明科等.关于浑水管道输水系统临界不淤流速的试验研究[J].灌溉排水学报,2006,23(06):35-37+41.

[2]徐啸.核电厂取水明渠泥沙回淤分析[J].海岸工程,1998,(04):5-12.

[3]夏云峰,蔡宁生,潘军宁.电厂从港池取水对进港航道及港池回淤的影响[J].水利水运工程学报,2001,4(04):16-21.

[4]罗肇森.波、流共同作用下的近底泥沙输移及航道骤淤预报 [J].泥沙研究,2004,(06).