海岸防渗加固高强骗织(半环抱式底流槽海岸取水技术研究及应用)

Posted 2023-06-01

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海岸防渗加固高强骗织(半环抱式底流槽海岸取水技术研究及应用)

摘要：

为了合理利用海水，针对海岸取水在海域环境及海域用地等面临的严峻问题，结合工程自然条件，在已有海岸取水设计的经验基础上，采用数值模拟计算、物理模型试验等方法，在取水方式、取水构筑物型式等方面开展了细致的研究，提出了半环抱式底流槽取水技术，首次提出半环抱式入水口的设计思路，将底流槽引入海岸取水工程中，阻沙堤、隔热导流堤与防浪墙合建，具有阻沙防淤、隔热降温、防浪导流的综合功能。同等取水规模下，采用半环抱式底流槽取水技术可以大幅节约岸线资源，节约用海用地；工程投资省，施工风险低，系统运行高效；同时对海洋生态环境影响小，促进海洋环保友好、可持续发展。研究成果已在工程实践得以验证，以其显著的经济效益、社会效益和环境效益，可广泛应用于各海岸取水工程。

关键词：

海岸取水;底流槽;隔热导流堤;挡沙堤;

作者简介：

汪芬(1982—),女，高级工程师，硕士，主要从事电厂循环水、给排水及消防设计研究。E-mail:wangfen@gedi.com.cn;

基金：

国家自然科学基金项目(51978202,51808102);

引用：

汪芬，龙国庆，李波，等．半环抱式底流槽海岸取水技术研究及应用［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021，52( 3) : 70-75.

WANG Fen，LONG Guoqing，LI Bo，et al．Ｒesearch and Application for Coastal Water Intake of Half Encircling Bottom Flow Groove［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2021，52( 3) : 70-75

0 引言

海洋环境直接影响人类生存，取水工程是海洋利用工程的重要组成部分，其取水水量巨大、取水构筑物规模庞大、使用年限长、海域使用论证等级高，且受到地形地貌、水温水质、水面波动(天文潮、风暴潮等)、近岸流、波浪、岸滩演变、工程地质和地震等多重海洋环境因素影响。根据国家相关规范要求,项目大规模用海必须重点论证水动力和冲淤变化影响分析、平面布置合理性分析、用海面积合理性分析、资源环境影响、生态影响等分析论证工作，对取水工程设计、施工的要求日趋严格。因此需要贯彻因地制宜方针，选择安全可靠、经济合理的设计方案，在复杂的海洋环境中为资源利用工程提供安全、优质、充足、环保以及成本合理的水源:一方面减少取水构筑物受到海洋生物、潮流、泥沙、波浪等因素影响，电厂、石化厂、LNG接收站等尚需考虑排水影响；另一方面，海工工程投资巨大，施工周期长，如核电厂取排水工程达20～30亿元，其施工进度也成为核电厂建设中的关键路径，降低工程投资、节约用海用地、节省施工周期是取水工程设计需要攻克的难题。

电厂供水系统取水水量较大，以其为例，受内河水环境的影响，滨河、滨湖新建火电厂/核电厂均采用带冷却塔的循环冷却供水系统。然而，在水环境条件允许下，滨海火电厂/核电厂一般采用直流冷却供水系统,即以海水作为冷却介质，经换热设备完成一次性冷却后直接排放。海水直流供水系统具有取水温度低、冷却效果好、系统运行简单、节能降耗效果明显等优点，但其取水水量较大，直流供水系统取、排水口的位置和型式应考虑水源特点，技术方案必须利于节省工程投资、节约用海用地、降低施工难度、缩短施工周期、减缓泥沙冲淤等。此外，为全面落实“节约、清洁、安全”的能源战略方针，推行更严格能效环保标准，技术方案必须同时考虑利于吸取低温水、降低温排水对取水温升的影响和温排水对环境的影响，循环水温每降低1 ℃,供电煤耗降低约1 g/kWh, 机组发电效率提高，运行成本降低。

传统的海岸取水有两种形式：明渠取水和自流管(沟)取水。明渠取水是在水域中设置两个堤，堤之间形成引水明渠，大亚湾核电站、台山发电厂、华能海门电厂等众多项目的取水工程均采用了引水明渠，但这种取水方式占领的海域及陆域面积大,工程量较大且初期投资较大。自流管(沟)取水是用管(沟)从取水头部引水，广西钦州电厂、广东阳西电厂等项目的取水工程采用了自流管(沟)取水，这种取水方式为控制入水口流速，头部规格大，需海域水深条件好,自流管(沟)路径长，头部的预制及海上吊装施工难度大，运行及维护困难，工程投资大，运行费用高。

基于此，本文研究开发具有新型取水构筑物的海岸取水工程技术——半环抱式底流槽取水技术，是在已有海岸取水设计的成功经验和技术储备基础上，采用三维仿真计算和物理模型试验研究等方法，并通过工程实践得以验证的新型海岸取水工程技术，以满足大型海岸取水工程需要。

1 半环抱式底流槽海岸取水技术方案

1.1 技术路线

半环抱式底流槽取水技术方案由底流槽、隔热导流堤和挡沙堤组成。

底流槽是沿陆域堤岸处海岸向水域方向开挖形成，其底壁和侧壁设有护面块石，底流槽结构稳固，伸入水域的前端部为入水端。

隔热导流堤设置在底流槽风浪较强一侧，一端与陆域堤岸连接，另一端伸入水域中，伸入水域的距离超过底流槽的入水端，超过入水端的堤段向底流槽所在一侧弯曲。一方面隔热导流堤超过入水端的堤段与底流槽的入水端共同形成半环抱式入水口，入水口尺寸大，入水流速易于控制，水头损失较小；另一方面该超出堤段能够阻拦深水区在风浪、潮流等作用下的海底掀沙，在阻沙的同时能够较大程度起到消浪作用，进而对入水口起到掩护作用，使入水口避开迎风浪面。

挡沙堤设置在底流槽远离隔热导流堤的一侧，仅在近岸布置，其一端与陆域堤岸连接，另一端伸入水域中，能够阻拦近岸泥沙进入底流槽中。

隔热导流堤和挡沙堤的堤心均采用开山石堆填，堤外侧设有护面块石或人工块体。此外，隔热导流堤的堤心设有防渗连续墙，可以有效防止堤外侧的温排水渗入底流槽内，堤顶设有防浪墙，与防渗连续墙连接，可完全阻止堤外温排水的渗透，同时在其堤顶设有双向通行道路，便于运行时的检修维护。排水系统(若有)位于底流槽设有隔热导流堤的一侧。

1.2 技术优势

半环抱式底流槽取水技术的主要优势是在优化取水工程的同时，极大降低对海洋环境的影响；创新性地提出将阻沙堤、隔热导流堤与防浪墙合建的技术路线，不仅有效防止海床底沙流入取水系统，降低温排水对取水温升的影响，而且有效控制越浪对系统的影响，兼顾运行维护通行条件；同时研究了满足取水要求的隔热导流堤结构设计，及在不同厂址自然条件、不同厂区总平面布置，隔热导流堤与底流槽的设置要求。

与传统技术比较，采用半环抱式底流槽取水技术，系统不仅安全可靠，提升机组运行效率，同时解决了海岸取水工程实施、运行过程中的诸多困难。

与明渠取水相比，半环抱式底流槽取水技术方案：(1)占领的海域及陆域面积大幅度减少；(2)极大降低工程量，节省项目初期投资；(3)减小施工难度，缩短施工工期；(4)远离温排水热量随潮流的扩散区，有效降低取水温升，降低供电煤耗，提升机组发电效率。

与自流管(沟)取水相比，半环抱式底流槽取水技术方案：(1)取水处水深要求不高，取水点距离海岸较近，节约用海用地；(2)无需海上吊装、管(沟)间连接等施工，施工难度降低，施工工期缩短；(3)工程量大幅减少，特别是海工工程量大幅降低，节省初期投资费用；(4)对降低系统阻力损失成效显著，降低了设备投资及后期运行费用。

2 工程实践

某滨海电厂建设2×670 MW超临界燃煤发电机组，机组冷却水采用海水直流供水系统，冷却水量为59.6 m3/s, 取排水温差为6.8 ℃,设计取水温度为29.2 ℃。厂址北朝大海，其余三面环山。工程海域的潮型为半日潮为主的混合潮型，潮位较低，潮差小，潮水位变化平缓，97%设计低潮位为-1.36 m。海域垂线平均流速为0.2～0.3 m/s, 最大流速接近0.8 m/s。工程海域的强浪向为W向和N向，100 a一遇的N向和W向H13%波高为别为2.76 m和2.78 m, 次强浪向为E向，100 a一遇的H13%波高为别为2.42 m。工程海域泥沙主要来源于岸滩等在波、流动力作用下挟带、搬运的物质，海区沿岸多以礁岩、砾石为主，砂源较少，近岸泥沙补充有限，岸线曲折，沿岸无明显的泥沙输运与堆积痕迹。

2.1 方案设计

根据厂址条件、附近水域的水文条件及工程机组设计参数，取排水工程按2×670 MW机组容量一次建成，取排水采用东取西排,排水利用厂址西北角的山体岬角建设明渠排水，现对取水技术进行方案设计。

方案一(半环抱式底流槽取水技术方案):取水口处底高程疏浚至-5.00 m, 底流槽底宽6 m, 槽底面高程-4.50 m, 西侧设置隔热导流堤，从槽底以1∶1.5边坡系数至堤顶3.60 m, 沿着底流槽入水端向西弯曲，形成半环抱式入水口；东侧以1:10边坡系数至自然海床面。同时在东侧近岸设置挡沙提，从槽底以边坡系数1∶1.5至-2.5 m马道处，以边坡系数1∶1.5至堤顶3.60 m处，马道宽2 m。

方案二(明渠取水技术方案):取水口处底高程疏浚至-5.00 m, 明渠渠底标高-4.50 m, 底部平坡，底宽6 m, 两侧以边坡系数1∶1.5至-2.5 m马道处，以边坡系数1∶1.5至堤顶3.60 m处，明渠深8.1 m, 马道宽2 m。为控制取水口流速，降低对海域生物环境的影响，在取水明渠起端设置喇叭取水口，长约65 m, 入水口宽约70 m。

方案三(箱涵取水技术方案):并列设置4孔取水箱涵，单孔箱涵宽3 m, 高3 m, 孔内底标高-4.50 m, 取水口处底高程疏浚至-5.00 m, 取水头部为14孔暗涵进水，单孔箱涵宽4 m, 高4 m。

2.2 方案验证

为了论证取排水工程的可行性及优劣性，对上述三个方案进行温排水及泥沙稳定性数值计算、物理模型验证。

2.2.1 温排水试验

先后应用MIKE21和MIKE3软件建立工程区域的温排水二维数学模型和三维数学模型，分析温排水随潮流运动的规律，不同布置方案温度场的温度分布及变化特性，计算温排水最大温升包络线面积及取水口温升，为初选方案提供科学依据。

经过模拟计算，各方案最大温升包络线面积相差不大，3 ℃温升包络线面积约0.11～0.12 km2,对海洋环境的影响小，均满足当地环评要求。三个方案的最大取水温升依次为0.93 ℃、1.23 ℃和1.14 ℃,都不会产生冷却水取水温度短流，机组均可安全运行。方案一的取水口较方案二、方案三更加远离温排水热量随潮流的扩散区，避开了温水流路，取水口温升最低，而方案三采用淹没式箱涵取水头部，取得深层低温水，因而取水温升次低。如图1和图2,分别为经过数值模拟计算方案一的取水口温升过程线和最大温升包络线示意图。

图 1 数值计算取水口温升过程线( 方案一)

图 2 数值计算最大温升包络线示意( 方案一)

图 3 物模试验取水口温升过程线( 方案一)

图 4 物模试验最大温升包络线示意( 方案一) 图 4 物模试验最大温升包络线示意( 方案一)

为了确保达到工程预期目标，在数值模拟基础上对方案一建立冷却水潮流整体物理模型，通过温排水的扩散和回归试验，验证温排水最大温升包络线面积及取水口温升，为方案设计提供有力支撑。试验数据显示，3 ℃温升包络线面积约0.124 km2,与数值计算结果相当；最大取水温升依次为0.73 ℃,低于数值计算值。

2.2.2 泥沙稳定性试验

基于温排水已建的潮流场，对三个方案采用MIKE21建立泥沙场数值模型，分析不同布置方案沿岸海床冲淤变化范围、强度及变化趋势，预测取排水口受泥沙运行的影响，为泥沙物理模型提供边界条件。

图5为工程海域含沙量场示意图，经数值计算，50年一遇波浪作用下取排水口附近24 h骤淤厚度均小于5 cm,说明本工程没有骤淤问题。方案二和方案三取水口附近年均总淤积强度为0.129 m/a,方案一由于入水口处一侧未受掩护，受常年累计的沿岸输沙影响，取水口附近年均总淤积强度较大，约为0.154 m/a,但由于取水口所在沙质海岸长度较短，且近岸沙源有限，因此取水口附近的淤积受输沙影响十分有限。

在数值计算结果的基础上，对方案一建立泥沙物理模型试验，进一步研究电厂水域在波浪、潮流等作用下的水流泥沙的运动规律、泥沙冲淤发展趋势。从图6中可以看出，在两侧堤根处的最大淤积强度在0.2～0.25 m/a,东侧淤积体面积略大于西侧。挡沙堤主要是阻挡由东向西输移的泥沙进入底流槽，从试验结果可以看出，该堤的设置起到了很好的拦沙作用。在大风浪作用下底流槽内也没有出现明显的淤积骤增的现象，因此电厂的取水是安全的。

图 5 工程海域含沙量场示意图 5 工程海域含沙量场示意

图 6 物模试验取水口附近泥沙冲淤分布( 方案一) 图 6 物模试验取水口附近泥沙冲淤分布( 方案一)

2.3 经济技术比较

从工程初期投资、运行费用等方面对三个方案进行技术经济比较，如表1所列。

从上述分析可以得出，初期投资方案一较方案二、方案三分别节省1 460万元、4 700万元；年运行费用(循环水泵耗功费用与煤耗费用之和)方案一较方案二、方案三分别节省288万元、259万元；年总费用方案一较方案二、方案三分别节省466万元、832万元。因此方案一的经济性最优。

2.4 小结

根据上述分析，可以得出：

(1)方案一的工程量最小，特别是海工工程量大幅度减少，初期投资费用较方案二、方案三分别减少约1 460万元、4 700万元，同比约占引水工程总投资的31%～65%。

(2)方案一的底流槽内水流流速低，水头损失小，降低了系统运行费用。按年运行7 000 h计，方案一的供水系统功率较方案二、方案三分别降低约250 kW、600 kW,可节省运行电费约35万元/a、84万元/a, 节能效果显著。

(3)由于半环抱式隔热导流堤的保护作用，方案一的取水口远离温排水热量随潮流的扩散区，可有效降低取水水温，较方案二、方案三取水水温分别降低0.3 ℃、0.21 ℃,进一步降低供电煤耗，燃料费用较方案二、方案三分别节省约253万元/a、175万元/a。

(4)方案一由于入水口处一侧未受掩护，年均总淤积强度较方案二、方案三增加了0.025 m/a, 但未出现明显的淤积骤增的现象，电厂的取水是安全的，工程实施后，应定期测量、清淤。

(5)海域占地面积方案一最小，方案三次之，方案二最大。

(6)方案一阻沙隔热导流堤及挡沙堤的堤心采用开山石堆填，堤内外侧设有护面块石，陆域抛填。施工方案简单，施工周期短，方案二施工方案同方案一，但工程量是方案一的两倍，施工周期较长，方案三取水头部结构复杂，头部及箱涵采用海上吊装，施工难度大，取水头部及箱涵均需预制，施工周期长。

基于上述比较结果，方案一的经济性最优，且用海面积小，施工方案简单，施工周期短。该项目的取水方案确定采用方案一，即半环抱式底流槽取水技术方案。

3 应用与推广

随着社会经济的发展，环保、节能理念深入人心，国家对海洋工程环境影响评价的要求越来越高，建设工程量省、环境影响小的取排水工程是用户的必然选择。

本文提出的半环抱式底流槽海岸取水技术方法创新、技术领先，已获得国家发明专利和实用新型专利。相较于传统的明渠取水和自流引水管(沟)取水，该技术具有显著的经济效益和社会效益，可广泛推广应用于大型火力发电工程、核能发电工程的冷却水取排水系统，还可应用于大型石化厂、大型LNG接收站循环冷却水取水及大型海水淡化厂等海岸取水工程，具有宽广的应用范围与前景。然而作为一项全新的技术，该取水技术的普适性仍有待进一步的讨论，需要在日后工程中应用中不断总结、提升。

水利水电技术

水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。

海岸防渗加固高强骗织(半环抱式底流槽海岸取水技术研究及应用)

海岸防渗加固高强骗织(半环抱式底流槽海岸取水技术研究及应用)

0 引 言

1 半环抱式底流槽海岸取水技术方案

2 工程实践

3 应用与推广

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