波浪对蘑菇头式取水口作用的试验研究

刘赞强，段亚飞，张强，纪平

（中国水利水电科学研究院，北京 100038）

波浪对蘑菇头式取水口作用的试验研究

刘赞强，段亚飞，张强，纪平

（中国水利水电科学研究院，北京 100038）

滨海火/核电厂以海水作为冷却水源，取水口所处水域水动力条件十分复杂，其中波浪是取水口结构受到的主要动力荷载。文章以浙能镇海电厂燃煤机组搬迁改造项目循环取水口为例，采用物理模型试验方法研究了波浪作用下蘑菇头式取水口的结构受力情况。试验结果表明，在波浪作用下，取水头受到的总力基本不受相邻取水头的影响，垂向和水平向总力随水位变化，其最大总力发生在不同水位。

波浪；取水口；受力

0 引言

滨海火/核电厂以海水作为冷却水源，电厂循环水的取水方式通常包括：取水头+引水涵管（隧道）、明渠取水、港池取水等，其中取水头+引水涵管（隧道）是电厂常采用的取水方式，取水口的形式包括垂直顶升蘑菇头、戽斗等。此类型的取水口与海水直接接触，遭受海水的侵袭，其中波浪是取水口结构受到的主要动力荷载，取水口的稳定关乎电厂的顺利生产和安全运行，因此研究学者对此开展了波浪作用下取水口结构受力及稳定性方面的研究工作。廖泽球等[1]通过波浪物理模型试验研究了波浪作用下大尺寸混凝土取水口拼装及整体结构的稳定性。岳永魁等[2]采用波浪物理模型试验的方法研究了取水口戽头在不同取水量和不同水位条件下的波浪压力。Sundaravadivelu R等[3]采用1∶25的模型比尺研究了海水取水井在规则波作用下受到的波浪压力和力矩，并与线性绕射理论计算结果进行了对比。Neelamani S等[4]在实验室研究了取水沉箱在规则和不规则波浪作用下受到的波浪力随沉箱开孔率、波高、周期等的变化情况，根据试验结果给出了一个计算公式。Vendhan K M等[5]对取水沉箱受到的波浪压力进行了原型观测，并与Goda公式的计算结果进行了对比，发现当波浪为非破碎波时，Goda公式计算结果偏大，当波浪破碎时计算结果则小于实测值。

尽管该方面的研究成果较多，但取水口形式多样，对于此类形状复杂的淹没式建筑物在波浪作用下的结构受力尚无相应规范给出明确的计算方法。因此，电厂海工设计一般需通过物理模型试验方法研究波浪作用下取水构筑物的受力、稳定性等，为海工设计提供参考依据。

本文以浙能镇海电厂燃煤机组搬迁改造项目循环取水口波浪物理模型试验为背景，对垂直顶升蘑菇头式取水口在波浪作用下的结构受力进行了研究。

1 研究背景

镇海电厂地处杭州湾南岸，规划装机容量2×660 MW，机组采用扩大单元制直流供水系统，循环冷却水取自灰鳖洋海水，采用取水口+引水涵管（隧道）的取水方式，取水口由16个4.0 m×4.0 m盾构垂直顶升蘑菇头组成的多点取水方式，取水口离岸约2 km，滩面标高约-5.1 m（85国家高程基面，以下同），见图1及图2所示。

图1 电厂取排水平面布置图Fig.1 Layout plan of intake and outlet of power plant

图2 多点取水口形式图Fig.2 Sketch map of multi-point water intake shape

2 试验内容

本工程具有取水隧道较长（总长约2 500 m），取水量大，取水口水位变化幅度大、设计低潮位时有效水深低、取水口受波浪影响大等特点，波浪对取水头部有较大的冲击力，水力条件十分复杂，为达到电厂取水安全、可靠、经济的目的，采用物理模型试验的方法研究取水头在不同设计潮位和波浪等组合作用下受到的波浪浮托力和侧向波浪力。

3 工程水域风和波浪情况

工程水域西部、南部、东部受自然岸线和岛屿掩护，北侧为杭州湾水域，因此工程水域波浪为小风区波浪。

根据厂址附近气象站多年年极值风速，采用皮尔逊Ⅲ型曲线拟合求得不同方向、不同重现期的设计风速，得到强风向为NNW；同时取水头附近地形较为平缓，波浪折射不明显，因此，可认为强浪向同强风向。

数值计算结果表明，在极端高水位及其以下水位情况下，取水口附近NNW方向50 a一遇波浪H1%均已破碎[6]，依照JTS 145—2015《港口与航道水文规范》[7]，当地形坡度i≤1/500时，破碎参数（破碎波高与破碎水深比值）取0.6。

4 模型设计

4.1 试验方案

NNW向波浪既为强浪向也是常浪向，直接作用于取水口，因此宜选取强浪向进行试验。取水口周围水域水下地形较为平坦，当NNW方向波浪作用时，浪向近似垂直于取水头连线方向，并且取水口附近波高基本一致。因此宜截取部分取水头作为研究对象，试验可在波浪水槽中进行，模型布置示意图如图3所示。

图3 模型布置示意图Fig.3 The sketch map of experiment plan

此类形状复杂的淹没式建筑物在不同水位和波浪组合条件下受到的作用力可能会有所不同。此外，由于取水头呈列布置，还需考虑相邻取水头对其受力的影响。依照JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》[8]，应考虑4倍模型宽度在波峰线上投影范围内相邻取水头的影响，因此按照16个取水头中所处不同位置分别考虑以下试验方案（见图2所示）。

方案1：以单个取水头A作为基础研究对象，研究不同水位下取水头的结构受力特征，确定不利水位；

方案2：取A、B、C 3个取水头，在不利水位条件下测量取水头B、C存在时取水头A受到的波浪力，即考虑B、C两个取水头对A取水头的影响；

方案3：取A、B、C、D 4个取水头，在不利水位条件下测量取水头A和C、D存在时取水头B受到的波浪力；

方案4：取A、B、C、D、E 5个取水头，在不利水位条件下测量取水头A、B和D、E存在时取水头C受到的波浪力。

4.2 试验设备及仪器

利用中国水利水电科学研究院的波浪水槽（长80 m，宽2 m，高1.5 m）进行试验，波浪水槽首端安装有伺服式不规则波造波系统。

造波系统硬件部分主要由推波板、机械框架、交流伺服电机及其控制器、直线滚动导轨、造波机伺服控制器、数据采集系统、波高仪、计算机及外设组成；软件部分包括各种规则波和多种波谱的不规则波生波程序，造波机控制程序及数据采集分析处理程序等。

造波系统可产生周期变化范围为0.5～5 s、波高变化范围2～50 cm的各种规则波和不规则波，水槽最大试验水深1.2 m。总力测量采用由DJ800型48通道水工数据采集仪和三分力（x、 y、 z）传感器组成波浪力测量系统，用于测量取水头在水平（侧向）和垂向（浮托）上受到的波浪总力。

4.3 模型相似与试验方法

根据试验内容的要求，综合考虑试验条件和取水口结构尺度、波浪等动力因素和试验仪器测量精度，选取滩面以上取水头为研究对象，同时根据《波浪模型试验规程》[8]，模型选用正态模型，按照拂汝德数重力相似律设计，模型的几何比尺λ=20，则时间比尺λt=λ1/2，压强比尺λp=λ，力比尺 λF= λ3。

试验采用不规则波，不规则波的波谱采用JONSWAP谱，谱峰升高因子取为3.3，H1%取水深的0.6倍，T=6.6 s（原型值），根据《波浪模型试验规程》[8]中规定的允许偏差来控制每组模拟的波浪参数。

4.4 试验测试方法

为研究不同水位下取水头的结构受力，试验选取了-2.39 m（保证率99%低潮位）、-2.25 m（保证率97%低潮位）、-2.1 m、-1.9 m、……、-0.5 m、-0.3 m等共12个水位。

将滩面以上取水头部完全按照几何比尺采用有机玻璃制作模型。水平总力及垂向总力采用悬臂测力方式进行测定，取水头模型与总力仪采用刚性连接。

试验步骤：不同水位波浪率定→方案1工况单个取水头模型及总力仪安放→工况试验→确定不利水位→方案2、3、4工况试验→数据分析。

试验中波浪及总力数据采集时间间隔均为0.02 s，待波浪平稳后，连续采集的波浪个数不少于120个。每组试验重复3次，取3次试验结果的平均值为最终结果，当3次重复试验的结果差别较大时，则增加重复次数。

总力仪的三分力方向定义采用右手直角坐标系，在空间直角坐标系中，让右手拇指指向z轴的正方向，食指指向x轴的正方向，中指指向y轴的正方向，如图4所示。

图4 三分力x、y、z方向定义（m）Fig.4 Definition of coordinate system（m）

5 试验结果

5.1 单个取水头受到的波浪总力

对取水头的结构设计而言，受力主要关注其垂直向上的轴向拉力和水平方向的剪切力。图5给出了不同水位条件下单个取水头受到的波浪总力F1%的变化情况。由图5可看出，z向和xy水平向合力的F1%最大值发生在不同水位，z向F1%最大值对应水位为-1.9 m，xy方向合力F1%最大值对应水位为-0.9 m。

图5 单个取水头受到的波浪总力F1%随水位变化曲线Fig.5 The total wave force F1%of a single intake head changes with different water depth

5.2 不同取水头相对位置受力影响试验

依前述试验结果，在确定取水头不利水位的基础上，按照取水头所处不同相对位置分别进行方案2、方案3和方案4的受力试验，试验结果详见表1。

表1 水位-1.9 m和-0.9 m时不同方案下取水头受到的波浪总力F1%Table 1 The total wave force F1%of a intake head under water depth of-1.9 m and-0.9 m

由表1可以看出，不同方案下取水头受到的z向或xy向波浪力差别较小，与方案1（单个取水头）的试验结果相比，最大相对误差不超过3%，可认为取水头受到的波浪力基本不受相邻取水头的影响。

6 结语

本文以浙能镇海电厂燃煤机组搬迁改造项目循环取水口波浪物理模型试验为依托，对蘑菇头式取水口在波浪作用下的结构受力情况进行了研究，试验考虑了不同淹没深度以及相邻取水头对结构受力的影响。研究结果表明，取水头受到的波浪总力随水位变化，垂向和水平向最大总力发生在不同水位，在不利水位和波浪组合作用下，取水头受到的总力基本不受相邻取水头的影响。

[1] 廖泽球，张晓云.大型海上取水口结构设计[J].中国港湾建设，2014（4）：34-37.LIAO Ze-qiu,ZHANG Xiao-yun.Structural design of the large water intake in sea[J].China Harbour Engineering,2014(4):34-37.

[2] 岳永魁，潘军宁，王登婷.LNG项目取水结构波压力物理模型试验[J].水利水运工程学报，2012（3）：87-91.YUE Yong-kui,PAN Jun-ning,WANG Deng-ting.Model tests of wave pressures on water intake structure of LNG project[J].Hydro-Science and Engineering,2012(3):87-91.

[3]SUNDARAVADIVELU R,SUNDAR V,RAO T S.Wave forces and moments on an intake well[J].Ocean Engineering,1998,26(26):363-380.

[4] NEELAMANI S,BHASKAR N U,VIJAYALAKSHMI K.Wave forces on a seawater intake caisson[J].Ocean Engineering,2002,29(10):1 247-1 263.

[5]VENDHAN K M,MURTHY M V R,SUNDAR V.On estimation of wave forces on seawater intake caisson in high energy environment using field investigations[J].Procedia Engineering,2015,116(1):300-309.

[6] 邵杰.浙能镇海电厂产能置换搬迁改造2×660 MW超超临界燃煤发电机组工程自然条件及海洋水文专题报告[R].杭州：浙江省水利河口研究院，浙江省海洋规划设计研究院.2016.SHAO Jie.Report on the natural conditions and marine hydrology of 2×660 MW supercritical coal-fired generating units of Zheneng Zhenhai coal power station capacity replacement and relocation transformationproject[R].Hangzhou:ZhejiangInstituteof Hydraulics&Estuary,Zhejiang Institute of Marine Planning and Design,2016.

[7] JTS 145—2015，港口与航道水文规范[S].JTS 145—2015,Code of hydrology for harbour and waterway[S].

[8] JTJ/T 234—2001，波浪模型试验规程[S].JTJ/T 234—2001,Wave model test regulation[S].

Model tests of wave action on mushroom shape intake structure

LIU Zan-qiang,DUAN Ya-fei,ZHANG Qiang,JI Ping
（China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Thermal or nuclear power plant in coastal area takes sea water as cooling water source,and the hydrodynamic conditions of water intake are very complex,in which wave is the main dynamic load of water intake structure.By taking the circulating water intake system of Zheneng Zhenhai coal power station relocation project as an example,we investigated wave loads on mushroom shape intake structure using physical model studies.It is found that the total wave force on intake structure is not affected by neighbours.Vertical and horizontal forces vary with water level,the maximum total force occurs at different water level.

wave;intake structure;wave force

TV139.2；TV671

A

2095-7874（2017）10-0053-04

10.7640/zggwjs201710011

2017-01-22

2017-04-12

刘赞强（1981— ），男，河南安阳人，博士，工程师，主要从事随机波浪的模拟及其与结构物作用的研究。

E-mail：liuzanqiang@163.com