波流作用下电站排水口消能及铺面稳定性试验

李 焱,余建星,陈汉宝,马 隽

(1.天津大学 建筑工程学院，天津 300072；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456)

波流作用下电站排水口消能及铺面稳定性试验

李 焱1,2,余建星1,陈汉宝2,马 隽2

(1.天津大学 建筑工程学院，天津 300072；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术
国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456)

海滨电站排水口受到排水水流、潮流和波浪动力的综合影响，消力池内复杂的水动力条件对铺面块石或人工块体的稳定性产生不利的影响。基于印度尼西亚某电站的实际问题，采用物理模型进行了波流作用下排水口消力池的消能特性和铺面稳定性试验。研究结果表明: 该电站排水口采用扩散式消力池并结合消力墩和尾坎的消能方式可行，消力墩和圆弧型尾坎的消能和均流作用明显；波流作用下，扩散式消力池内波能有集中，排水水流虽然对波浪的传播产生阻碍，但波浪的影响仍延伸至排水口上端的明渠内，因此也应对一定范围内的明渠采取护面和护底措施。试验还优化了消力墩的型式和部分铺面块石的重量。

波流作用；排水口；消能；铺面；稳定性

海滨电厂以海水作为冷却水源，并通过排水口排入海中，由于排出的水流有较大的动能，持续排放，将对排水口附近的海床产生冲刷，从而影响排水口的稳定性，因此必须采取相应的消能防冲措施。消力池作为底流消能的一种有效方式，在电厂排水口消能中得到广泛应用，国内外对消力池的研究成果丰富，主要涉及消力池的型式、水流特性、消力池内辅助消能工的布置等，并形成了有关消力池尺度的计算方法[1-5]，但由于消力池内的水流较复杂，为保证消能效果，也需开展有关的模型试验对消力池及其消能工的设计进行优化[6]。另外，由于滨海电厂的排水口面对外海，其铺面块体和护底块石不仅受到排水水流的作用，还受到波浪作用的不利影响。波浪作用下的护面块体和护底块石的稳定性在防护工程中最为关注，在工程实践中，常采用2D或3D物理模型试验对设计方案进行验证和优化[7-9]。印度尼西亚某电厂工程采用海水直流冷却供水系统，电厂排水由明渠至排水口经消力池排入海中，为优化排水口消力池及消能工的布置，验证并确定排水口铺面块体和护底块石的稳定性，开展了水流和波浪作用下电厂排水口的消能及防冲物理模型试验。

图1 排水口平面布置图Fig.1 Plane layout of outfall

1 工程概况

印度尼西亚某电站拟建2×350MW机组，每台机组的冷却水量为16.16 m3s。电厂排水明渠总长约450 m，原设计方案明渠底宽B=1.5 m，边坡1：1，纵坡5.1‰，面板为200 mm厚的现浇混凝土板，糙率0.014。排水口为60°角喇叭型外扩式消力池，并结合消力墩、尾坎进行消能。消力池底高程-1.3 m，两侧翼墙顶高程+3.4 m，消力墩顶标高+1.0 m，距明渠端部10.57 m，尾坎顶宽4.0 m，顶高程+0.5 m，尾坎以外为海漫铺垫(块石200～300 kg)，高程-1.3 m，海漫以外接自然地面，消力池底及其两侧翼墙，尾坎及其边坡均采用2 t 四脚空心方块护面。明渠与排水口相接处的底高程-0.50 m，考虑波浪作用，明渠端部向上42 m范围内采用2 t四脚空心方块护面和300～400 kg块石护底，边坡由1：1变为1：1.5。详见图1～2。

图2 排水口断面图(断面Ⅰ-Ⅰ)Fig.2 Cross-section diagram of outfall

2 试验内容和条件

2.1试验内容

(1)优化并确定排水口消能工的布置型式及尺寸，使得尾坎后的流速控制在1.0 ms以下，不对自然床面造成冲刷。

(2)验证排水水流和波浪作用下，消力墩、消力池护底、翼墙和尾坎护面、明渠护面和护底段以及海漫铺垫的稳定性，并提出优化措施。

(3)试验分析波浪经排水口进入明渠后，波高衰减情况。

2.2试验条件

(1)试验流量：循环冷却水量32.32 m3s，再考虑0.2 m3s的雨水流量，合计32.52 m3s。

(2)试验水位(外海)：极端高水位：+1.89 m；重现期100 a一遇极值高水位：2.163 m；重现期50 a一遇极值低水位：-1.465 m。

(3)波浪条件：由于外海波浪传至排水口附近时已破碎，因此试验波高取破碎波高，其中百年一遇极值高水位的破碎波高为1.84 m，极端高水位的破碎波高为1.82 m，周期均为8.68 s；波向为正对排水口。

图3 模型平面布置图Fig.3 Plane layout of physical model

3 模型概况

采用正态物理模型，按重力相似准则设计，范围包括整个排水明渠、消力池、海漫和部分海域地形。根据试验场地，供水设备、有关试验规程要求[10-11]和实验室已有的块体，确定模型比尺为1：23.2，模型水流雷诺数大于1 000，满足紊流要求。模型总长约27 m，最大宽度8 m，布置在宽12 m，长40 m的宽水槽中，模型布置情况见图3。

排水明渠用塑料板制作，其糙率为0.0 079，相当于原型0.013 3，基本与原型明渠混凝土板糙率0.014相同。消力墩和四脚空心方块采用水泥加铁粉，按重力比尺制作，块石按重力比尺挑选，质量偏差和几何尺寸误差均满足试验规程的要求。由于模型试验采用的是淡水，而实际工程中为海水，受淡水与海水的密度差影响，试验中考虑ρ海水=1.025ρ淡水用来控制模型块体重量。

4 试验方法和量测设备

4.1试验方法

试验分两步，首先进行了排水水流作用下的排水口水流消能试验；然后进行了水流和波浪共同作用下的稳定性试验。

4.1.1 水流作用下的流速和水位测点布置

水流作用下的消能试验观测了明渠和排水口水流流速和水位沿程变化，排水口的消能情况、以及消力池护底和翼墙、尾坎及海漫的防冲稳定情况等。流速测量布置了9个断面(1#～9#)，其中1#～4#断面各布置了1个测点，5#～9#断面分别布置了5个测点；水位沿程布置了6个测点(A#～F#)(图3)。

4.1.2 波浪作用下波高测点布置

该试验包括明渠内有排水流量和无排水流量两种条件，观测了波高在排水口和明渠内的沿程分布情况，以及波浪和水流作用下消力池护底和翼墙、尾坎和海漫铺垫的稳定情况。波高测点布置见图3。

4.1.3 块体和块石冲刷稳定性判断

根据相关规程要求[10-11]，稳定性试验时间不少于2 h。四脚空心方块稳定性是观察其位移情况进行判断，试验中当位移变化在半倍块体边长以上、滑落或跳出，即判断为失稳；当水流和波浪累积作用下出现局部缝隙加大至半倍块体边长以上，也判断为失稳。护面和护底块石主要依据表面是否发生明显变形、是否失去防冲和护底功能判断其稳定性，对于少许块石发生移动分两种情况考虑：一种为不随时间累积继续发展的情况判定为临界稳定，另一种随时间累积冲刷范围继续扩大的则判定失稳。

4.1.4 波浪模拟和率定

图4 消力墩方案Fig.4 Schemes of baffle block

波浪采用不规则波。试验前在原始地形上进行原始波的率定，将最后得到的造波参数存储在计算机中。试验时，依据对应率定好的造波信号进行造波。每组试验至少重复3次。当3次试验现象差别较大时，增加重复次数。每次试验单元块体均重新摆放。

4.2量测设备

排水流量采用矩形量水堰量测，节门调节；水位用测针测量；高程用水准仪测量；流速采用光电式旋桨流速仪测量；波高采用SG2008型动态波高测试系统进行测量；波浪采用港池摇板式不规则波造波机造波，同时造波板的两侧放置消波装置来进行导波和消波，以减少边界反射对试验影响。

5 水流作用下排水口消能及稳定性试验

5.1消力墩对排水口消能及稳定性的影响

进行了有、无消力墩及两种消力墩方案的对比试验，其中消力墩方案一由一个中墩和两个边墩组成，方案二则由5个墩组成(图4)，结果见表1～表3，试验表明。

表1 明渠及排水口的沿程水位Tab.1 Water level along the open channel and outfall m

表2 明渠的流速Tab.2 Flow velocity along the open channel ms

表2 明渠的流速Tab.2 Flow velocity along the open channel ms

断面位置+2.163m消力墩方案一表面底部消力墩方案二表面底部-1.465m消力墩方案一表面底部消力墩方案二表面底部明渠1#5.304.155.434.265.304.285.544.32明渠2#5.124.025.324.185.254.085.394.28明渠3#5.013.905.314.025.254.065.364.10明渠4#3.722.173.832.254.263.884.814.03明渠断面平均流速4.074.194.204.30

表3 排水口的流速Tab.3 Flow velocity along the outfall ms

表3 排水口的流速Tab.3 Flow velocity along the outfall ms

水位消力墩断面位置1#(右)表面底部2#(右)表面底部3#(中部)表面底部左4#(左)表面底部左5#(左)表面底部+2.163方案一方案二消力墩前5#0.390.370.80.133.420.821.220.230.290.18消力池6#0.350.181.580.261.220.240.470.260.340.14消力池7#0.300.160.790.180.840.420.730.180.320.11尾坎8#0.130.110.870.80.900.710.770.640.140.11海漫9#0.140.050.390.340.600.160.50.180.150.09消力墩前5#0.260.241.60.293.520.851.380.310.240.16消力池6#0.120.011.170.241.490.761.110.240.180.11消力池7#0.350.100.590.231.070.480.50.320.230.18尾坎8#0.140.110.880.790.960.771.070.90.230.11海漫9#0.120.100.480.290.680.430.610.430.130.10-1.465方案一方案二消力墩前5#0.240.201.010.723.710.830.470.290.530.5消力池6#1.090.500.980.541.180.890.870.460.630.53消力池7#0.720.370.690.130.780.390.510.330.70.35尾坎8#∕∕∕∕∕∕∕∕∕∕海漫9#0.48∕0.56∕0.58∕0.54∕0.48∕消力墩前5#0.270.112.411.033.821.670.960.270.30.21消力池6#0.350.260.430.641.851.720.300.210.430.13消力池7#0.610.280.690.351.331.220.680.340.880.3尾坎8#∕∕∕∕∕∕∕∕∕∕海漫9#0.48∕0.58∕0.58∕0.54∕0.49∕

注：“”表示水深很浅，无法测量。

(1)对于扩散式消力池，为使水流能较均匀地扩散，扩散角一般以7°～12°为宜[12]。本工程中扩散角偏大，水流扩散不均，当消力池内不设置消力墩时，明渠水流进入消力池后直冲尾坎，流速很大，呈明显的主流带，而两侧翼墙前则出现两个回流区，消能效果差，主流带处的尾坎承受较大的水流力；

(2)两种消力墩方案对明渠和排水口沿程的水位影响有限，方案二明渠内的水位比方案一略低1～6 cm，消力池和海漫处的水位则基本相同(表1)，100 a一遇极值高水位条件下(+2.163 m)，明渠的平均水深为2.18 m，50 a一遇极值低水位时(-1.465 m)，明渠内平均水深为2.13 m；

(3)消力墩方案一的中墩较宽，其阻流消能要好于方案二，使得明渠和消力池内断面流速变小，但中墩后形成局部回流(表2和表3)。方案一明渠内的断面平均流速为4.07～4.20 ms，方案二明渠内的断面平均流速为4.19～4.30 ms，两种方案的明渠A#～C#点水流弗汝德数为1.07～1.24，均大于1，故为急流，至排水口后，产生波状水跃。消力墩方案一消力池中最大表面流速为1.22 ms，最大底部流速为0.89 ms，消力墩方案二消力池中回流范围要小，但流速增大，最大表面流速为1.85 ms，最大底部流速为1.72 ms；

(5)圆弧型尾坎对均匀水流作用较好，由于尾坎的可渗性，海漫处的流速较小，消力墩方案一海漫上最大流速为0.6 ms，消力墩方案一为0.68 ms，均小于1.0 ms， 海漫块石200～300 kg稳定；

(6)明渠与排水口连接部分的护底为300～400 kg块石，此处的底部流速在重现期50 a一遇极值低水位时为3.5～4.0 ms，在该水流作用下，有块石滚动，随后在水流持续作用下基本稳定，因此该块石重量为临界重量，建议适当提高块石重量；该处边坡护面采用2 t四脚空心方块，块体稳定；

(7)水流作用下，尾坎2 t四脚空心方块护面稳定，消力池2 t四脚空心方块护底稳定，可以采用块石护底，以节约工程投资；

(8)消力池两侧翼墙采用2 t四脚空心方块护面稳定。两种方案的消力墩在水流作用下没有位移，结构稳定。

5.2优化试验

为节省工程投资，并根据上述试验结果，对整个排水系统进行了如下优化：(1)将明渠200 mm厚的混凝土面板改为浆砌块石，增大其糙率n=0.025，以减小明渠内流速；(2)将尾坎和海漫护坦向上游移10 m；(3)将消力池护底、明渠与排水口连接部分的边坡护面和护底、尾坎护面均改为块石。

水流作用下块石稳定重量可按按伊兹巴斯公式初步计算

式中：D为截流块石折算为球体的直径，m；V为作用于块石的流速，ms；γm为块石的容重，取γm=2.7 tm3；γw为水的容重；g为重力加速度；K为综合稳定系数，块石K=0.9。

通过初步计算，明渠与排水口连接部分的边坡护面和护底采用600 kg块石；消力池护底块石考虑与其一致，也采用600 kg块石。另外，尾坎护面需考虑波浪作用，采用800～1 000 kg的块石护面，其稳定性还需经过波浪试验验证。

模型按上述变化条件修改，其中排水明渠边坡采用水泥沙浆抹面拉毛，其糙率n=0.014～0.017，相当于原型n=0.023～0.028，基本与浆砌块石糙率n=0.025相同。消力墩采用方案一的型式。试验表明：

(1)明渠边坡增大糙率，明渠内水位有所增加，重现期50 a一遇极值低水位条件下，A#～C#水位测点水位平均增加了约0.10 m，同时明渠内最大流速有所减少，最大表面流速由5.3 ms减小到5.09 ms；最大底部流速由4.28 ms减小到3.88 ms，明渠断面平均流速减小为3.91 ms。明渠A#～C#点水流弗汝德数为0.93～1.12，水流为临界流；

(2)尾坎上移10 m后，除消力池翼墙边上的流速略有增大外，其他位置的流速变化不大；由于海漫的过水面积变窄，其过流流速有增加，重现期50 a一遇极值低水位条件下，海漫的最大流速为0.78 ms，海漫块石200～300 kg稳定；

(3)水流作用下，明渠与排水口连接部分的边坡护面和护底采用600 kg块石稳定；消力池护底600 kg块石稳定，尾坎采用800～1 000 kg的块石护面稳定；

(4)消力池两侧翼墙采用2 t四脚空心方块护面稳定；消力墩在水流作用下没有位移，结构稳定；

因此，明渠边坡增大糙率，对明渠内水流条件有改善，尾坎前移10 m，消力池面积减小，消能效果略差些，同时尾坎出流的横断面减小，海漫上的流速有增大，最大为0.78 ms，但小于1.0 ms的要求，因此尾坎上移10 m也是可行的，但不宜再上移。

6 波流作用下排水口的稳定性试验

进行了百年一遇极值高水位和极端高水位，明渠中有、无流量情况下，排水口各部分块体和块石的稳定性试验，试验表明：

(1)波浪从排水口传入后，随喇叭口束窄，波能有集中，消力池两侧翼墙对波浪有反射作用，尾坎对消力池内波高有消浪作用，消力墩对其上游水域也有一定消浪作用；

(2)当明渠有流量时，波浪向明渠以上传播受到水流的阻碍较为明显，明渠受波浪影响较大的范围在25 m左右，明渠内无流时，距排水口约67 m的测点的波高为0.77 m，因此，设计方案中，与排水口相接处约42 m长度范围内护坡和护底，其长度较为合理；

(3)排水口外波高1.84 m时，尾坎前的波高为2.36 m；前池翼墙两侧的最大波高为1.86 m；消力池中间的最大波高为1.55 m；

(4)波浪和水流作用下，尾坎800～1 000 kg护面块石稳定，消力池两侧翼墙2 t四脚空心方块护面稳定，消力池中600 kg护底块石稳定；海漫块石200～300 kg稳定；

(5)波浪和水流作用下，与排水口相接处600 kg护底块石稳定，600 kg边坡护面块石有滚落，块石护面表面形状局部变形，采用四脚空心方块则稳定；

(6)各工况下，消力墩在波浪和水流作用下没有位移，结构稳定；

(7)由于排水口采用了消能和护底措施，波浪和水流作用下没有局部冲刷现象产生，对排水构筑物安全及稳定性影响很小。

7 主要结论

(1)本工程排水口为60°角喇叭型外扩，扩散角偏大，结合消力墩、消力池、尾坎和海漫的消能方式是可行的，各结构物设计标高合理；消力墩方案一的阻流消能要好于方案二，建议采用；圆弧型尾坎对均匀水流作用较明显，海漫上的流速较小；尾坎上移10 m可行，但不宜再上移。

(2)波浪作用下，随着排水口喇叭口束窄，波能有集中，消力池两侧翼墙对波浪有反射作用，尾坎和消力墩有消浪作用；当明渠有流量时，水流对波浪向明渠内传播有明显的阻碍作用，此时明渠受波浪影响较大的范围在25 m左右，当明渠内无流时，距排水口约67 m 处的波高为0.77 m，因此，对明渠与排水口相接处约42 m长度范围内进行护坡和护底是合理的，护坡采用2 t四脚空心方块稳定，护底块石重量为600 kg时稳定。

(3)波浪和水流作用下，消力池600 kg护底块石、尾坎800～1 000 kg护面块石、海漫200～300 kg护底块石以及消力池两侧翼墙2 t四脚空心方块护面稳定，消力墩结构稳定。

(4)本排水系统明渠内的流速偏大，建议进一步采取如降低纵坡、增大底宽等措施以降低流速。

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Test of energy dissipation and pavements stability in outfall of power plant under the action of wave and current

LIYan1,2,YUJian-xing1,CHENHan-bao2,MAJun2

(1.SchoolofCivilEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China; 2.TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering，NationalEngineeringLaboratoryforPortHydraulicConstructionTechnology,KeyLaboratoryofEngineeringSediment,MinistryofTransport,Tianjin300456,China)

Outfall of seashore power plants is influenced by combined action of drainage water, tide current and wave. The complex hydrodynamic conditions in stilling basin would be adverse to stability of pavements stones or artificial blocks. Based on actual problems of a power station in Indonesia, energy dissipation characteristics and pavement stability in stilling basin of outfall under the action of wave and current were tested by physical model. The experimental results show that the energy dissipation mode of the power plant outfall by adopting diffusion stilling basin with baffle block and end sill is feasible, the effects of baffle block and arc type end sill dissipating energy and equalizing flow are obvious. Wave energy is concentrated in the diffusion stilling basin under the combined action of wave and drainage water flow, and the wave impact is still extend to open channel which in the upper of outfall despite wave propagation hindering by drainage water flow, so protection measures for a certain range of the channel surface and bottom should be adopted. In the test, type of baffle block and weight of part pavement stones were also optimized.

action of wave and current；outfall; energy dissipation; pavement; stability

2016-10-24；

2017-02-07

李焱(1972-)，男，江西省萍乡人，副研究员，主要从事港口与航道工程研究。

Biography: LI Yan(1972-), male, associate professor.

TV 143;U 65

A

1005-8443(2017)05-0447-06