印尼爪哇电厂排水明渠水沙特征分析及防护研究

周鑫强，曾 昊，解鸣晓，杨 华，赵会民，刘国亭

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

引 言

爪哇7号燃煤发电工程位于印尼爪哇岛西北角的万丹湾内、雅加达西北约100 km，西距芝勒贡市约6 km，东南距西冷市约15 km，东北距默拉克港约13 km。为电厂的建设期与运营期服务，建设内容还包含2个14 000 DWT卸煤驳船泊位、引桥、电厂取、排水导流堤、1个3 000 DWT重件码头、电厂场区护岸等配套工程。

2016年4月～10月，对本项目开展了水文观测、动力地貌分析、特征水位推算、数学模型试验、整体物理模型试验等一系列研究专题工作[1-4]，研究成果已成功应用于工程实际，取得了良好效果。然而，目前在电厂排水明渠东侧临近处建设MNA大型围填海工程，工程面积较大，形成的陆域与现有电厂引堤的堤头平齐，极大程度改变了整个河口及电厂取排水海域的水沙环境，将对Terate河进出的渔船通航造成影响，同时引起电厂引堤冲刷风险，原有排水方案的设计参数必须加以修订。鉴于以上原因，需重新针对新的边界条件重新开展分析论证，为电厂排水口及引堤防护方案的设计参数修正提供准确、科学的依据。

本文在综合分析工程海域水动力泥沙环境实测资料的基础上，结合潮流泥沙整体物理模型试验成果，评估不同平面方案下的排水明渠内流态、地形冲淤分布，从设计角度对方案提出合理化建议。

1 研究区域概况

1.1 工程方案概况

本工程机组采用海水直流冷却系统，冷却水采用海水，采取明渠暗涵取水、明渠暗涵排水的方式，取水口距离厂区约1.7 km。明渠一侧利用码头引堤，外侧设置200 m的板桩隔热堤。取水明渠与重件码头航道结合，并在靠近厂区的位置布置重件码头。

取水口布置在电厂东北侧，在电厂北侧的船厂东南角建设北导流堤与码头引堤形成取水明渠，靠近电厂段通过挖槽形成取水通道，电厂取水明渠近岸处两侧建设北导流堤。排水口布置在码头引堤南侧。并在排水口北侧设置短导流堤，南侧设置150 m的长导流堤。一期工程建设2×1 050 MW机组，循环水流量为76.37 m3/s。

图1 电厂及MNA围海方案平面布置

煤炭码头布置在电厂东北侧天然水深-8.4 m处，通过 1 231 m的引桥、200 m板桩隔热堤和2 268 m的引堤连接后方电厂。煤炭码头前沿停泊水域宽55 m，设计底高程为-8.4 m，回旋水域设计底高程为-8.8 m，航道通航宽度为108 m，设计底高程为-8.8 m。该方案天然水深基本满足设计需求，无须开挖。

MNA围填区位于Terate河东侧，靠近电厂排水口一侧建设有1 775.43 m实体引堤和1 184.47 m引桥，围填区宽849.84 m。填海范围外两侧建设透空式栈引桥和码头若干个。工程平面布置见图1。

1.2 工程海域水动力泥沙环境

1）地形地貌特征

图2示意了2016年4月实测万丹湾水深分布情况。由图2可知，工程区海域-5 m等深线离岸约2～3 km，滩面总坡度在2 ‰左右，总体来说滩面平坦，呈典型淤泥质海岸地貌特征。

图2 工程区海域（万丹湾）水深地形情况

2）潮汐与潮流

万丹湾处在半日潮和全日潮的过渡区，厂址潮汐性质较为复杂，但潮差很小，大潮潮差在 0.7 m左右；潮流主要呈往复运动，属不规则全日潮。

据天科所在2016年4月17日～18日（小潮）、4月21日～22日（中潮）和4月25日～26日（大潮）期间6个水文测站的观测资料显示（见图3与表1），该海域潮流较弱，流速总体呈大潮大于中潮，中潮大于小潮的趋势；大潮平均流速在0.06～0.19 m/s之间，中潮平均流速在0.04～0.14 m/s之间，小潮平均流速在0.05～0.08 m/s之间；大潮垂线平均最大流速为 0.33 m/s，出现在 C4#测站。由近岸向湾口流速有增大的趋势，工程区取排水附近 C1#测站平均流速在0.05 m/s左右，最大流速仅0.13 m/s，天然潮流流速很低。

近岸C1#、C2#站西流和东流流速相差不大，位于湾口附近的 C4#、C5#、C6#站东流流速略大于西流流速，如 C6#站西流平均流速 0.10 m/s，东流平均流速为0.26 m/s。

图3 2016年4月实测各测站潮流矢量

表1 各站不同潮次垂线平均流速特征统计（2016.04）

3）底质分布特征

据对万丹湾及工程区采集的 72个底质样品结果分析显示[2]，万丹湾底质较细，全湾底质中值粒径在 0.003～0.135 mm 之间，平均中值粒径为0.011 mm；底质中值粒径稍粗的样品主要分布在Panjang岛附近，其他区域中值粒径一般都在0.006～0.008 mm之间；粘土含量在17 %～62 %之间，平均为50.8 %。底质类型以粉砂质粘土（TY）为主，部分为粘土质粉砂（YT），有少量的粉砂质砂（TS）和细砂（FS），呈典型淤泥质海岸底质特征。

4）上游径流特征

电厂排水明渠位于Terate河口外侧，该河流为典型山溪型，旱季时几乎无流量下泄，雨季时可有雨洪汇入并下泄。据山东电力咨询院院有限公司采用 5点法推算的洪水数据，图 4和表 2中给出了Terate河口上游下泄不同重现期流量过程及对应数据。图中可见，雨洪过程呈尖峰型，其中大流量集中在洪峰时刻，并迅速消散，作用时间较短。

图4 Terate河上游不同重现期洪水流量过程曲线

表2 Terate河上游不同重现期洪水流量

2 物理模型试验概况

2.1 模型概况

对排水渠道内不同方案的试验及分析基于潮流泥沙整体物理模型，由交通运输部天津水运工程科学研究所开展。模型设计采用大比例尺、小变率的形式，平面比例尺为100，垂直比例尺为30，变率 3.3。考虑到外海潮流、洋流主向均与宽渠道基本垂直，外部潮流和泥沙较难传入渠道内，模型中外海采用清水，即不考虑悬沙运动。针对关心区域采用局部动床，其他区域采用定床。Terate河无上游来沙资料，考虑到保障工程安全，对Terate河上游采用清水下泄的形式。

受洪水和排水下泄流量影响，特别是在大洪水作用下，底部泥沙可大量起悬，并随流向渠道口门输送。因此，在模型沙的选取中，应保证同时满足起动相似和沉降相似，经论证，模型选择比重为1.20 kg/m3的褐煤作为模型沙，平均中值粒径D50为0.08 mm。具体模型设计理论、设计细节详见文献[5]。图5给出了物理模型全景。

图5 潮流泥沙整体物理模型试验全景

2.2 试验工况

本电厂工程排水口设置在引堤南侧，MNA陆域围海形成后，与电厂引堤一同构成宽渠道，最窄处约200 m。宽渠道内的疏浚深度是本次研究的重点，首先要保障渠道形成后在电厂排水和上游洪水作用下的渔船通航安全，其次要降低极端水情下电厂引堤堤脚冲刷的风险。

基于以上考量，同时兼顾对比论证，设计了 3种不同形式的疏浚方案。平面布局见图6所示：（a）为-3 m疏浚方案，将河口至电厂引堤转弯段间的地形统一疏浚至-3 m底高程（高程为平均海平面，下同）；（b）为优化疏浚方案，在-3 m疏浚方案的基础上，对MNA切角附近，以及排水导流堤与河口南岸之间的区域保持原泥面，同时将排水导流堤长度缩短50 m；（c）为原泥面方案，宽渠道内所有水深均维持天然泥面高程状态。在宽明渠的外海口门处，天然底高程约为-5.0 m左右。

图6 宽渠道内不同疏浚方案布置

3 试验成果分析

3.1 百年一遇洪水下渠道内流态特征

在河口及宽渠道内共布设 36个流速测站，对整个渠道内的流速平面分布进行了测量。图7给出了不同疏浚方案下的100年一遇洪峰最大流速及对应流向，图8示意了不同方案条件下的模型流态。通过分析流速数值和模型流场，得到以下主要结论：

1）对统一疏浚至-3 m工况而言，100年一遇洪水作用下，河口下泄洪峰流量达到292 m3/s，河口区流速强劲，直冲排水导流堤堤头，局部最大流速达到2.95 m/s；电厂引堤的沿堤区域流速均较强，在0.69～1.50 m/s间；在偏向引堤一侧的强流速驱动下，MNA切角处至引堤转弯段构成的宽阔水域内发育回流，引起MNA围堤一侧较强的反向流速，局部回流流速可超过1.0 m/s。洪峰水体绕过电厂引堤转弯段后，水流逐渐归于中轴，主流线偏于MNA围堤一侧；至宽渠道外海口门附近，流场逐渐平顺，洪峰流速在0.2～0.4 m/s左右。

2）优化疏浚方案在统一疏浚至-3 m的条件下，将排水导流堤缩短50 m，并保留MNA切角和排水导流堤内侧的原泥面。根据试验所得流场，优化后排水导流堤堤头挑流略有减弱，约为2.77 m/s，但洪峰主线略向西偏转；需指出的是，Terate河口方向与引堤存在较大夹角，且电厂排水沿引堤行进，因此渠道内的大范围回流不能从本质上消除，MNA切角保持原泥面后，围堤根部的回流流速略有降低。至电厂引堤转弯段以外，流场分布与统一疏浚至-3 m的工况差异不大。

3）原泥面条件下，整个渠道转弯段以内地形抬高，缩小了过水断面面积，100年一遇洪峰作用下，浅滩流速较疏浚后有显著提高，排水导流堤堤头最大流速超过3.0 m/s，渠道中轴流速绝大部分超过1.0 m/s，并在电厂引堤形成较强的沿堤流；由于水深减小，水流盘旋效应减弱，河口区流态较复杂。

图7 河口及宽渠道内洪峰最大流速及流向

图8 不同方案河口及宽渠道内洪峰流态

3.2 五年一遇洪水下渠道内流态特征

对渔船通航而言，采用5年一遇洪峰条件下的最大流速作为控制阈值条件。图9给出了不同疏浚条件下的5年一遇洪峰最大流速及对应流向，图10示意了物理模型中的洪峰流态特征。经分析，得到以下主要结论：

1）对地形疏浚至-3 m工况而言，5年一遇洪峰作用下，河口下泄流量仅在15.2 m3/s左右，显著小于电厂2台机组排水流量（76.37 m3/s），导致流场主线偏向电厂引堤一侧，在渠道内形成较大范围回流。在电厂引堤转弯段以外，流速相对较低，最大流速在0.1～0.2 m/s左右，渔船通航较安全。

2）对原泥面而言，由于滩面较浅，流速较疏浚至-3 m条件下有所提升，在电厂引堤转弯段以内最大流速在0.3～0.4 m/s左右，转弯段流速也较疏浚方案有所增大。同时在明渠转弯段内侧至河口区域形成局部多回流的形态。考虑到渔船尺度较小，通航横流宜在0.25 m/s以内，该工况对渔船通航而言存在一定风险。

基于试验结果，从明渠内流态来看，均在引堤转弯段及其以内的河口区有一定的回流存在，其中原泥面方案下呈多回流存在的复杂流态，转弯段附近存在相对较强的区域，至于两个疏浚方案，则主要呈单一的大范围回流，流速量值两侧大，中间小。因此，对渔船通航安全而言，宜对渠道进行疏浚。

图9 排水渠道内5年一遇洪峰最大流速及对应流向

图10 各方案河口及宽渠道内5年一遇洪峰流态

3.3 百年一遇洪水下渠道内冲淤分布

对电厂引堤的防护，标准采用100年一遇洪水过程下的冲刷深度作为控制条件。图 11给出了不同地形条件下的100年一遇洪水过程作用下的地形冲淤分布。经分析，得到以下主要结论：

1）工程海域外海潮汐弱，潮流主向为沿岸运动，难以进入宽渠道内深处，加之波浪掩护效果良好，因此控制渠道内地形冲淤的主要控制性动力来自河口下泄洪峰和排水的共同影响，外海潮流和波浪作用可忽略。

2）冲刷趋势整体与洪水流线接近，需指出随着地形的逐渐冲深，洪水逐渐向冲刷后的深槽汇聚，进一步加大了冲刷深度。

3）无论何种地形方案，均体现出河口区发生剧烈冲刷，局部冲深可达3～4 m，这是由于100年一遇洪峰最大流量可达292 m3/s，河口流速极强，且存在剧烈的紊动掺混，导致地形持续下切。对现有排水口外侧护底区域而言，在洪水和排水的综合顶托效应下，发育局部乱流区，可发生一定的局部淤积。

4）对统一疏浚至-3 m方案而言，洪水直冲排水导流堤堤头，并向电厂引堤一侧行进，形成沿堤流动，持续冲刷引堤的堤根和外侧海床，根据试验数据，冲刷深度在0.5～1.0 m间；至电厂引堤转弯段以外，冲刷逐渐降低，这是由于起悬的泥沙开始补充该区域，并在流速进一步减弱后沉积，其他部分泥沙则被明渠水流带出口门外，淤积于外海侧；MNA切角处地形堆积，与回流区发育有关。

5）对优化疏浚方案而言，由于较统一疏浚方案变动仅为局部区域，总体来说冲淤分布趋势类似，但排水导流堤的缩短使河口洪峰流线发生微调，强冲刷段向内移动，电厂引堤堤脚一线冲刷深度同样在0.5～1.0 m间。

6）对原泥面方案而言，水深浅化后流速增强，冲刷范围、深度均较疏浚至-3 m后有明显增大，电厂引堤一线冲刷在0.8～1.5 m间。从冲刷形态角度，原泥面方案的冲刷槽更接近渠道中轴。

图11 河口及宽渠道内洪水过程下地形冲淤分布

3.4 对渔船通航及引堤防护分析

依据不同洪水条件下的流场分布、冲淤变化趋势的试验成果，对渔船通航安全、电厂引堤防护有以下分析：

1）对渔船通航而言，重点在于两点，首先是流速量值和流态，其次是通航水深的稳定性。根据试验结果，将渠道疏浚至-3 m后，渠内在5年一遇洪水作用下发育一个较大范围的回流，但流速较低，特别是较大流速位于排水区域和MNA切角处，而渠道中轴流速在0.25 m/s以内；原泥面条件下，渠道中轴最大流速可接近 0.4 m/s，且出现多个回流，恶化了渔船通航条件。

2）从通航水深稳定性角度来看，Terate河为典型的雨洪山溪型河流，在绝大多数时间内河道径流很低甚至断流，在这种情况下，整个河口区受MNA围海的影响，成为“死水区”。尽管工程海区含沙量低、河口来沙量也不多，但在长年累月的影响下，最终还是会逐渐堆高。因此，如保持原泥面不开挖，待将来地形堆高后，可能在河口形成拦门浅滩，导致渔船搁浅，难以进出河口，是较难防控的风险。

基于以上考量，对泥面进行疏浚，不仅可保障渔船通航流速，同时也相当于在河口外侧设置了“储沙池”，降低了河口淤塞的风险，是有效的举措。

3）从地形冲刷角度，当 100年一遇洪峰来临时，均可超过淤泥的起动流速，势必对河口区及电厂引堤的堤根形成一定强度的冲刷。因此，无论是疏浚至-3 m还是保持原泥面，均建议对引堤自排水口处至转弯段进行合理的堤脚防护，以保障电厂引堤结构安全。

综合以上分析，建议设计方对排水导流堤、引堤堤脚进行合理防护，同时将河口外侧适当疏浚至-3 m，以保障渔船通航和引堤结构安全。

4 结 论

采用潮流泥沙整体物理模型试验，对神华国华印尼爪哇7号2×1 050 MW燃煤发电工程方案的排水明渠局部潮流泥沙特征开展研究，评价了不同疏浚方案对渔船通航、厂区防洪和引堤冲刷的影响，得到以下主要结论：

1）工程海域外海潮汐弱，潮流主向为沿岸运动，难以进入宽渠道内深处，加之波浪掩护效果良好，因此控制渠道内潮流场和地形冲淤的主要控制性动力来自河口下泄洪峰和排水的共同影响，外海潮流和波浪作用可忽略。

2）5年一遇洪峰时，-3 m疏浚方案和优化方案在渠道内形成较大范围回流，在引堤转弯段以外，流速相对较低；原泥面方案流速较疏浚方案有所提升，在电厂引堤转弯段以内最大流速接近0.4 m/s，转弯段流速也较疏浚方案有所增大，形成多回流的形态，且有河口淤塞的风险，对渔船通航安全不利。

3）100年一遇洪水条件下，河口区发生剧烈冲刷，局部冲深可达3～4 m。对-3 m疏浚方案和优化疏浚方案而言，引堤转弯段以内的沿程冲刷深度在0.5～1.0 m间；对原泥面方案而言，水深浅化后流速增强，冲刷范围、深度均较疏浚至-3 m后有明显增大，电厂引堤一线冲刷在0.8～1.5 m间。

基于试验数据，应对排水导流堤、引堤堤脚进行合理防护，同时将河口外侧适当疏浚，以保障渔船通航和引堤结构安全。