电厂取、排水工程相关泥沙问题研究

黄卫东，姚仕明，沈之平，廖小永

(长江科学院河流研究所，武汉 430010)

1 研究背景

电厂(火电厂和核电厂)的冷却水一般取自天然河道，温水排入天然河道，取、排水口位置选择和设计型式合理，可以安全可靠地取水，能够保证电厂安全运行。取、排水工程的设计是电厂工程设计最重要的环节之一，直接关系到工程能否正常运行。

目前，国内外对电厂取、排水工程的泥沙问题研究多局限于单个工程，缺乏系统的归纳和总结，对取、排水工程相关泥沙问题的系统研究及归纳是十分必要的。近年来，长江科学院对多个长江沿岸电厂的取、排水工程进行了河工模型试验研究，如国电泰州电厂、华电芜湖电厂、南通天生港电厂、马鞍山发电厂、江苏华电句容发电厂等，通过总结这些电厂取、排水河段河工模型试验成果，提出几个普遍存在的泥沙问题，并对其进行分析研究，将对今后电厂取、排水工程的泥沙问题研究具有十分重要的借鉴意义。

2 取、排水工程对河势的要求

电厂取、排水口选址的合理与否，直接关系到工程能否正常运行，是设计及研究时所要关注的重要问题之一［1］。为此，需结合河道演变、原型观测资料以及模型试验成果等，在试验河段内进一步讨论取、排水口位置的优劣。

判断取、排水口位置的优劣，涉及面广(如工程、经济、地质、环境等方面)，不确定因素多(如工程布置形式、河道演变规律、水沙运动特点等)，其本身是一个十分复杂的问题。本文的讨论仅限于河流动力学范畴，由此才可能给出相应的问题评判标准。所谓优良取水地段，从河流动力学的角度来看，取水工程所在的河段至少应具备河势稳定、微冲不淤等基本条件。综合多个取、排水工程研究成果，基于取水工程对河势的要求，河段大致可分为以下2类。

(1)适合布置取水口的河段:①弯曲河段的凹岸，为保证工程本身的安全，弯道曲率不能过大，以微弯为宜;②顺直河段宜选择在河宽较窄、水深较大的卡口河段。

(2)不适合布置取水口的河段:①弯曲河段的凹岸或曲率过大的弯道凹岸;②顺直河段的边滩或靠近边滩的下游区域。

排水口位置的选择主要考虑其淤堵的可能性，并易采取工程措施防止排水口门淤积，且其排出的水流对排水口淤堵有一定的改善作用，因此其要求相对较低。

由上述分析可见，取水口应布置在弯曲河段的凹岸或顺直河段的卡口段，排水口的选择对河势及水流条件的要求比取水口要低，只要保证排水口在天然条件下或采取工程后无淤堵的可能性即可。

3 取、排水口高程的合理选择

合理的取、排水口高程是确保电站取水质量、安全运行的关键。河床在水沙条件作用下是冲淤变化的。不同的来水、来沙条件使得河床高程及相应水位不同。取水口高程布设偏低，在河床发生淤积时，可能出现取水口淤埋、引沙量加大或引不上水;取水口布设偏高，在河床发生冲刷时，相应水位降低，造成取水口脱离水面，引水不足或引不上水。因此应研究不同水沙条件下，取水工程头部河底高程变化，优化选择取水口高程或分层布置取水口。同时，排水口淤堵将造成工程排水不畅，影响其安全运行。

目前采取的主要研究手段为数学模型和物理模型试验研究。下面简要介绍了某电厂的动床模型方案试验成果。该电厂位于长江下游，补给水源为厂址北面的长江，拟采用河床式取水头取水。循环水排污水通过设在长江河床上的排水口淹没排放，排水口设在厂区东北侧，取水口下游约1 000 m处。各方案取、排水口布置见图1，其中高程单位为m，管径单位为mm。

图1 各方案取、排水口布置Fig.1 Layout of water intake and drainage

该工程的动床模型试验按淤积试验与冲刷试验分别进行。淤积试验选择大水丰沙年(2010年)+中水丰沙年(2000年)+小水丰沙年(1997年)的连续组合水文年。冲刷试验选择大水少沙年(1954年，未考虑三峡工程影响)+100 a一遇洪水典型年+300 a一遇洪水典型年的组合水文年。模型试验水文年系列组合水沙特征见表1。

表1 模型试验水文年系列组合水沙特征Table 1 Runoff and sediment load in hydrological years in model experiment

试验过程中对每个典型年末及系列年末的地形进行了测量。

3.1 最不利淤积试验成果

在淤积组合水文年条件下，工程所在岸滩有所淤积，淤积幅度0.8～3.2 m，其中方案1附近的边滩淤积幅度甚小，越往下游淤积越趋明显。各取、排水口所在位置淤积情况见表2。

表2 最不利淤积试验取、排水口位置高程变化Table 2 Elevation variations of water intake and drainage locations in most unfavorable deposition conditions m

从取水口工程所在局部区域看，方案1淤积幅度较方案2和方案3的淤积幅度小，相对较为安全;从排水口工程所在局部区域看，由于3个方案排水口布置相对较为集中，淤积幅度较为接近，从测量数据来看，方案2排水口位置淤积幅度略小，且淤积试验后排水口方案1和方案2所在位置高程分别为3.10 m和2.60 m，均低于排水窗顶部高程，高于排水窗底部高程，能满足设计的淹没排放要求。

3.2 最不利冲刷试验成果

在最不利冲刷试验条件下，取水口位置呈现微冲，冲刷幅度为0.8～2.2 m，其中方案1取水口位置的冲刷幅度比其他方案的略大，而排水口仍以淤积为主，淤厚为1.2～2.5 m，最不利冲刷试验条件下取、排水口所在位置高程变化见表3。

3.3 取、排水口高程的选择和建议

合理的取水口高程是确保电站取水质量、安全运行的关键。模型试验成果表明，方案1的取水头进水窗底部高程(1.2 m)高于最大淤积床面线(0.1 m)，且还有1 m左右的富余高度;方案2和方案3的取水头进水窗底部(标高－1.3 m)均低于最大淤积床面线(方案 2为 －0.4 m，方案 3为0.2 m)，其中方案3最大淤积高程(0.2 m)大于取水头进水窗顶部(标高－0.1 m)。值得注意的是，在不利淤积条件下，采用方案2和方案3引水可能引起床面粗沙进入取水系统，以致可能影响取水质量，甚至危及工程安全。因此，建议采用取水口方案1;方案2作为备选方案，应将取水头进水窗底部高程抬高至 －0.4 m以上，以确保电站取水安全。工程经验和模型试验表明，集中圆形取水头具有较好的防淤性能，采用设计的钢制圆形取水头是基本可行的。

表3 最不利冲刷试验取、排水口位置高程变化Table 3 Elevation variations of water intake and drainage locations in most unfavorable scouring conditions m

试验条件下观测到排水口工程布置区有不同程度的淤积，排水口有淤堵的可能，试验资料表明，方案2淤积幅度相对较小。为安全起见，建议选择排水口方案2，但所在位置最大淤积高程为3.0 m，高于排水窗底部高程(2.3 m)，低于排水窗顶部高程(3.1 m)，对排水有一定不利影响，建议在条件允许的情况下尽可能抬高高程，但限于97%低水位(3.31 m)淹没排放要求，建议将排水窗顶部高程抬高至3.2 m左右。排水口的选择对河势及水流条件的要求比取水口要低，其排出水流对排水口淤堵有一定的改善作用，建议选择冲淤变幅相对较小的方案2。

4 取水含沙量及引水防沙措施

4.1 取水口含沙量的影响因素

取水含沙量对取水工程的安全运营至关重要。取水含沙量与上游河道来沙量有着密切的关系，一般来说，取水含沙量与上游来沙量成正比，且小水丰沙年取水含沙量比大水丰沙年的大，更易造成引水管道的淤堵。影响取水含沙量的因素众多，剔除次要因素，下面对取水含沙量最直接、最重要的因素进行分析。影响取水含沙量的因素大致可分为3类:①上游河道含沙量、流量;②河道地形、取水口附近的河床高程;③取水流量及取水泵前池泥沙沉积时间。第①类因素中，上游河道含沙量是最重要的影响因素;对于第②类因素，由于天然河道中悬移质含沙量具有上稀下浓的特性，取水附近的高程对取水含沙量影响很大;取水流量也是取水含沙量大小的一个影响因素，需要考虑。

对于特定的电厂取、排水工程，取水口高程和取水量已基本确定，取水含沙量S取水基本与上游模型进口处含沙量 S上游成正比关系，即假定 S取水=f(S上游)=KS上游，其中K值需要大量的实测资料来确定。模型试验过程中通过取多组取水口内的水样进行含沙量分析，得到 K的取值范围为0.46～0.75。由于影响因素多及模拟技术的局限性，取水含沙量的量值确定还依赖于大量原型观测资料。

4.2 引水防沙措施探讨

分析表明，取水口淤积极易造成引水管淤堵的泥沙主要是以推移运动的床沙，因此，取水设施引水防沙措施主要是防止推移质和悬移质中的床沙质。目前，比较常见的引水防沙措施主要有拦沙坎、沉沙池、潜堰、潜堰+丁坝、圆弧形挡墙、排沙槽、筑岛、进水口设置格栅等，由于取水头已突入码头前沿线，靠近航道部门的边界线，不宜设置新的阻水建筑物影响通航安全。动床试验资料表明，采用方案1取水口，原有设计采用的防护方式为筑岛方式防护，筑岛采用水泥搅拌桩联合外围模袋砂缓冲体，取水头下部钢筋混凝土结构高程为0.30 m，模袋砂缓冲体边坡采用1∶1，试验过程中未见混凝土平台有明显泥沙淤积，基本能满足取水口引水的要求。方案2和方案3混凝土平台均有少量的泥沙淤积，究其原因，方案1取水口靠近深槽，且所在岸坡相对较陡，取水头顶部高程相对较高，由于悬移质含沙量沿水深分布总是上稀下浓，泥沙粒径沿水深分布特点往往又是上细下粗，加之自流引水管的长度相对较短，因此，方案1取水口明显优于方案2和方案3。如采用方案1，确定合适的进水窗标高，并对取水口前部的河床进行疏浚，就能达到较好的引水防沙效果。另外，进水口需要设置间距适当的防污栅，防止大的杂物进入。

4.3 运行方式的优化

取水口的运行会经历洪、中、枯流量及丰沙年、中沙年、少沙年等不同水文条件，优化运行方式不仅可以节约成本，还可以延长工程的寿命。

优化运行方式初步考虑如下:遇含沙量较大的小流量时，在保证工程用水的前提下，尽可能减小引水量，以减小自流引水管内的泥沙淤积;在连续经历几个丰沙年后，遇含沙量较小的大流量时，在保证防污集污设施正常工作的情况下，短时间开启泵管、泵房所有的取水泵，让整个系统内的水流保持高速运转，以清理取水头及引水管内淤积的泥沙，还应及时对取水头取水窗进行杂物清除、清淤等。另外，在洪、中、枯不同流量条件下，通过调整取水泵开启个数和对取水泵配置变频装置，使取水泵能够根据用水量随时调整供水量，也可以在一定程度上达到节能减排的目标。

5 泥沙运动特征值分析

取水头、自流引水管泥沙淤积流速和起动流速等特征值问题相对复杂，由于模拟手段和观测设备的局限性，通过模型试验直接得到相对较困难。本文根据理论认识和以往模型试验成果，对这些特征值进行了探讨。

5.1 临界不淤流速

在管道输水系统中，为了防止输水过程中因管床出现泥沙沉积而造成管道淤堵，提出了临界不淤流速的概念［2］。临界不淤流速即管底不出现沉积物的最小平均流速。由于引水管道系统中含沙量一般较低，管道淤堵是一个逐渐积累过程，试验中压力梯度－流速(Jm－U)关系曲线凹点不明显。

根据流区划分，临界不淤流速应该是由推移运动区过渡到泥沙开始出现沉淀的临界流速。在管道输水系统中，通过试验发现，从推移运动区到管底开始出现沉积物时的流区区间很窄，考虑到运行安全的要求，一般不希望有大量的推移质出现。因此，其临界不淤流速可近似看作由不均匀悬浮区到推移运动区临界点的流速。该流速小于该临界流速时，泥沙以推移形式运动;大于临界流速时，悬移运动开始出现。

基于临界不淤流速的概念、物理含义及水沙运动规律的研究基础，其判断方法较多，这里利用Jm－U关系曲线判断临界不淤流速。判定方法如下:

根据浑水阻力损失试验资料，以单位距离的水头损失，即压力梯度Jm(清水水柱)为纵坐标，以断面平均流速U为横坐标，绘制浑水Jm－U关系曲线，见图2。以往的研究认为，Jm－U关系曲线的最低点也就是相当于管底开始出现沉积物的临界情况，此点的流速即为临界不淤流速［3］。

图2 临界不淤流速Fig.2 Non-silting critical flow velocities

从图2可以看出，Jm－U关系曲线的最低点对应的流速值接近于1.0 m/s，为安全起见，取本工程取水头及自流引水管内的泥沙临界不淤流速为1.0 m/s。大量实测资料和经验公式计算(如苏联克诺罗兹公式)得到同类管道的临界不淤流速均在0.9～1.0 m/s范围内，因此本工程临界不淤流速采用1.0 m/s是安全可行的。

5.2 泥沙起动流速

管道内的泥沙起动流速同样是较为复杂的。管道内的泥沙和天然河道内的泥沙类似，以2种方式向前移动:流速较小时，以推移形式运动;流速继续增大时，泥沙则以悬移形式运动。考虑到引水管安全运行的需要，不希望管内有大量的推移质出现，这里研究的起动流速实际上是指由推移运动区到不均匀悬浮区临界点的流速［4］。

由《泥沙手册》［5］和相关文献知，泥沙开始出现悬浮的临界条件为:当(式中k为卡门常数，取0.4;U为摩阻流速;ω为某粒径组泥沙动水沉速)时，泥沙基本上以推移的形式运动，反之则开始出现悬移运动。问题即求对应的流速，当管内平均流速大于该流速时，泥沙以悬移质形式运动。

查《泥沙手册》［5］可得，各粒径组动水沉速如表4。

表4 各粒径组动水沉速Table 4 Hydrodynamic settling velocity for each particle size group

由2009年4月实测的工程河段悬移质颗粒级配可知，悬移质粒径大部分位于0.002～0.250 mm范围内，悬移质最大中值粒径一般为0.02～0.03 mm，沉速ω取区间内的流速较大值0.088 m/s(见表4)。由，算得 U*=0.044 m/s。下文将推求摩阻流速U*与垂线平均流速的关系。由 U*和的定义知［1］:

由式(1)、式(2)得

6 结语

电厂冷却水一般取自和排入天然河流，天然河道是冲淤变化的，取、排水口的设计是否合理直接关系到电厂能否安全运行。电厂取、排水工程应重点考虑的主要泥沙问题包括:取、排水河段的河势、取水工程头部河底高程变化、取水口含沙量、临界不淤流速、泥沙起动流速等。

本文以长江下游某电厂取、排水工程为例，采用河道演变分析、物理模型试验和理论推导等方法，充分论证了取、排水设施的安全可靠性，优化电厂取、排水口的位置、标高，优选电厂取、排水口的型式，提出相应防淤、防冲措施，以保证电厂安全、可靠、经济运行，且对今后类似工程有一定的参考和借鉴意义。

［1］张瑞瑾.河流泥沙动力学(第2版)［M］.北京:中国水利水电出版社，1998.(ZHANG Rui-jin.River Sediment Dynamics(2nd Edition)［M］.Beijing:China Water Power Press，1998.(in Chinese))

［2］侯佩瑾，赵克梅.高压输水管道泥沙淤积的试验研究［J］.山西水利科技，2002，8(3):35－38.(HOU Pei-jin，ZHAO Ke-mei.An Experimental Study on Sediment Deposit in High Pressure Water Conveyance Pipe［J］.Shanxi Hydrotechnics，2002，8(3):35 －38.(in Chinese))

［3］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，2004，23(6):34 － 36.(ZHANG Ying-pu，HE Wu-quan，CAI Ming-ke，et al.Experimental Study on Non-depositing Critical Velocity of Muddy Water Delivery in Pipe line System［J］.Journal of Irrigation and Drainage，2004，23(6):34 －36.(in Chinese))

［4］段志科，李慧梅.火电厂取水工程中泥沙问题及试验研究［J］.水利水电技术，1997，28(7):29－32.(DUAN Zhi-ke，LI Hui-mei.Experimenta1 Research on Sediment Problems in Intake Work in Thermal Power Plant［J］.Science and Technology of Water Resources，1997，28(7):29 －32.(in Chinese))

［5］中国水利学会泥沙专业委员会.泥沙手册［M］.北京:中国环境科学出版社，1992.(Sediment Professional Committee of Chinese Hydraulic Engineering Society.Handbook of Sedimentation Engineering［M］.Beijing:China Environmental Science Press，1992.(in Chinese))