某接收站工程泥沙淤积特性物理模型试验研究

禹胜颖 吕会娇 袁淮中 李桂青

1 工程概况

某接收站取水口工程，是与某接收站气化天然气相配套的开架式气化器提供加热介质——海水的取水工程，同时为整个站区系统消防海水。海水取水口工程，布置在接收站西南侧，取水方式为暗管取水，取水口一次建成，但设备需考虑分期安装。取水暗管长约250 m，宽×高为1.6 m×1.6 m，取水头部底高程为-4.5 m，采用窗帘式取水，取水口取水规划流量为9.45 m3/s。

2 模型的设计

2.1 模型相似准则

对取水口工程海域动力泥沙环境和岸滩稳定性的分析表明，正常天气条件下取水口附近海域水体含沙量很小，而波浪作用下近岸波浪掀沙现象明显，沿岸泥沙运动主要受波浪影响，工程建成后取水口附近的岸滩变化主要由南向波浪作用下的局部沿岸输沙引起，因此，本项研究在进行物理模型设计时需要满足水流运动相似、波浪运动相似和泥沙运动相似。

2.2 模型比尺及范围

已有研究成果表明，在变态模型中，取波高比尺与波长比尺相同且均等于水深比尺（垂向比尺）时，对于坡度较缓的海岸和河口，可以达到波浪质点速度、传质速度、波速、波速群、波浪折射、波浪破碎的位置、类型和沿岸流等的相似。根据已有资料选定模型平面比尺αL为60，垂向比尺αH为40。

只有采取完全正态的模型才能同时满足波浪传播、折射、绕射、反射和破碎相似。本模型主要考虑满足波浪传播、折射和破碎相似，在几何小变态的情况下采用了波浪正态模型，波要素比尺为：

模型设计按重力相似、阻力相似、波浪相似、泥沙相似等准则设计模型。

依据研究内容和技术要求，确定模型模拟取水口工程原型范围为1.0 km×1.2 km，水面面积约为1.2 km2。模型平面布置如图1所示。

图1 模型平面布置图

2.3 模型沙的选择

取水口工程附近海域床沙平均中值粒径为0.352 mm，波浪是底沙掀动和运动的主要动力，同时局部水域较强的涨、落潮流的最大流速也可以起动底沙。因此，在选择模型沙时需要根据波浪作用下的泥沙起动相似来确定模型沙。经综合分析，本次试验选用聚氯乙烯粉作为模型沙，其中值粒径为0.12 mm，容重γs=13.5 kN/m3，稳定干容重γ′=5.5 kN/m3。这种模型沙物理化学性能稳定，不板结，可模拟海域底沙运动。

2.4 模型造波、量测系统

模型中的波浪模拟采用造波机，通过计算机控制可产生规则波。波浪要素的测量采用电容式波

高仪，分辨率为0.1 mm，并连接计算机采集系

统，可随时测定试验过程中的波高和周期。

2.5 模型验证

对潮汐水流、波浪要素及地形的冲淤进行了验证试验，各要素均满足试验要求。模型在潮流、波浪动力场相似的基础上能够复演取水口附近海域的泥沙运动和岸滩演变，为进一步的方案试验打下了良好的基础。

3 试验成果

3.1 局部流场影响

由于防波堤工程实施后的影响，在取水口附近的水域形成顺时针回流，回流区的流速不大，约为0.01～0.02 m/s。试验观察到，在波浪作用下回流区与取水口附近水体存在着水体交换，取水口在不同潮位、波浪条件下均能顺利取到水，取水口头部流速为0.5～0.8 m/s。取水口附近流场如图2所示。

图2 取水口附近流场图

3.2 泥沙冲淤分析

3.2.1 设计高潮位+年平均波浪

在设计高潮位+年平均波浪作用下，取水口附近海域泥沙冲淤变化主要在沿岸滩浅水区即-4 m等深线范围内变化剧烈，岸边浅滩呈现冲刷状态，海域泥沙在波浪和回流作用下起动悬扬，形成沿岸输沙，造成沿防波堤附近西侧深海区域略有淤积，取水口附近地形附近冲淤变化如图3所示。

试验观察到，在波浪作用下的泥沙起动悬浮后，在沿岸流作用下迁移沉降，在浅滩附近往复运动，随着时间的推移，造成泥沙冲淤演变。取水口头部在波浪作用下略有淤积，淤积速度缓慢，年平均淤厚为0.042 m。

取水过程中，进入取水暗管的泥沙量极少，主要是由于悬浮的泥沙很快就在附近沉降，在沿岸流作用下往复迁移，泥沙进入引水暗管几率较低。同时，取水口前部的礁石区域对泥沙的冲淤变化起着重要的阻挡作用，也利于取水口的取水效果。

图3 取水口附近地形冲淤变化图（设计高潮位+年平均波）

3.2.2 设计低潮位+年平均波浪

与设计高潮位情况相似，设计低潮位+年平均波浪作用下，取水口附近海域泥沙冲淤变化主要在岸滩浅水区即-4 m等深线范围内变化明显，岸边浅滩呈现局部冲刷状态，海域泥沙在波浪和回流作用下起动悬扬，形成沿岸输沙，造成沿防波堤附近右侧深海区域略有淤积，取水口附近地形附近冲淤变化如图4所示。

图4 取水口附近地形冲淤变化图（设计低潮位+年平均波浪）

试验观察到，在波浪作用下的泥沙起动悬浮后，在沿岸流作用下迁移沉降，在浅滩附近往复运动，随着时间的推移，造成泥沙冲淤演变。取水口东侧在波浪作用下略有冲刷，取水口头部略有淤积，淤积速度缓慢，年平均淤厚为0.065 m。

3.2.3 设计低潮位+50年一遇波浪

设计低潮位在50年一遇波浪下，床面上有大量泥沙被悬扬，海水变得异常混浊；当波浪动力停止后，泥沙又迅速落淤到床面上，海水恢复清澈，说明在大风天部分底沙来自波浪掀扬，在波浪破碎带区域悬扬起动，在沿岸潮流带动下，在取水口附近海域冲淤演变。

试验结果表明，大风浪条件下浅滩泥沙演变剧烈，取水口头部区域有泥沙淤积，平均淤厚为0.232 m。

4 结语

（1）根据工程海域自然条件分析，取水口海域具有水深大、潮流动力弱，含沙量低、来沙量少的特点，因此，潮流动力和悬沙对取水口附近海域的造床贡献很小。防波堤工程实施后，取水口头部处于弱回流区，回流流速极小，潮流动力不是海床泥沙冲淤演变的主要动力。

（2）取水口工程附近海岸的发育演变主要受波浪动力的作用。邻近岸段实测波浪资料及该岸段海岸动力地貌特征反映，工程附近近海的常波向和强波向应为SE向。但西海湾未来港口水域很大程度上会受SW向浪的影响，原因是冬季近岸的SE向浪绕过“尖端岩岛”后发生绕射、折射变形，转变成SW向浪。防波堤工程实施后，S、SSW向波浪可以直接作用到取水口头部，是造成取水口工程附近海岸地形演变的主要动力。

（3）试验结果说明，防波堤工程实施后，不同潮流、波浪条件下，取水口工程均能顺利取到水，取水口布置基本合理。

（4）波浪动床试验结果表明，防波堤工程实施后，取水口附近的地形变化规律与天然状态下的变化规律基本一致，沿岸浅滩依然呈现为冲刷的状态，冲刷强度是呈现减弱趋势的。由于防波堤工程实施后，波浪动力条件将明显减弱，取水口工程附近岸滩发育演变将进一步减缓，有利于岸滩的稳定。

（5）在年平均波浪动力作用下，取水口头部略有淤积，淤积速度缓慢，年平均淤厚为0.042～0.065 m。在50年一遇大风浪作用下，平均淤厚为0.232 m。

（6）试验结果表明，取水口附近海域大片的礁石区域，对取水口头部泥沙的淤积起着明显的阻挡作用，有利于取水口安全运行。

（7）由于海岸动力条件的复杂性、不确定性以及泥沙问题的复杂性，建议在工程实施、取水口运行初期和正常运营期加强对取水口头部及附近岸滩上地形冲淤的检测，以便及时清淤并采取必要的防淤减淤优化工程措施。