码头下重叠式取水布置研究

唐 勇，曾 华，廖内平

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

滨海或滨江的电厂，如设置有专用煤码头，取水设施一般需要结合码头进行布置，可以充分利用码头航道所具有的良好水深条件和清淤条件，从而节省工程造价和运行费用。根据码头的型式及特点，目前取水布置多采用与有港池的码头结合设计、取水明渠设置于码头后方和码头上游布置箱涵取水头等方式，但对于在码头正下方重叠式布置取水设施研究较少。本文结合某1 000 MW燃煤发电机组取水方案，对码头下重叠式取水方案的布置特点，取水头与码头、船舶的相互影响进行了研究，并采用三维数值模拟对取水头内流场特性进行了分析，根据研究和模拟计算结果优化了取水头尺寸、标高和布置方案，以期更好地与码头结合布置。

1 工程概况

码头下重叠式布置取水设施不占用岸线资源，取水与码头可以统一管理，优点十分明显，但是也存在与码头的相互影响。本研究结合某电厂取水设计进行，电厂本期装机为2×1 000 MW燃煤发电机组，厂址位于湖口县城东北方向约16.8 km的银砂湾工业园区，距离西南方向的九江市约37.5 km。厂址西北距长江约1.5 km。

该工程煤码头位于长江右岸，拟建设3个5 000 t级散货进口泊位及1个2 000 t级散货出口泊位，码头前沿线成“一”字型布置，占用岸线共550 m，在煤码头上游约800 m区域为规划的集装箱码头。

2 重叠式取水方案及布置优化

2.1 初步布置方案

根据煤码头资料，为避免码头下部杂物进入取水口，初步考虑将箱式取水头布置在煤码头平台下部、上游第一排与第二排桩基支柱之间，侧面进水，进水窗口面向煤码头外侧(面向船体)；取水头及引水管与码头结构脱开布置，船舶停靠造成的码头晃动位移不会影响取水头的正常运行。

采用以上布置方案，码头在低水位作业时，由于船舶停靠对取水窗口遮挡而可能引起取水流量不足，此外取水窗口的横向流速增大也会对船只靠离泊产生不利影响。

2.2 取水方案布置优化

2.2.1 取水头部平面布置优化

为减少码头与取水之间的相互影响，经多次与码头设计单位讨论，从以下四个方面对初步布置方案进行了优化。

1)优化一、二期取水头布置方式：由于码头岸线规划已批准，码头岸线长度增加困难，故将原一、二期取水头独立设置方案调整为合并布置，减小了取水头总宽度，使取水头布置紧凑，易于布置在码头桩基之间，码头岸线长度无需调整。

2)优化码头平台结构形式：调整码头系缆平台布置方式，在码头作业面预留孔洞，以满足取水口拦污栅起吊检修的要求。

3)优化码头桩基与取水头桩基布置：按照码头上游边缘距码头桩基中心距不小于1.2 m、取水头与码头桩基净距不小于0.5 m的要求，取水头部沿水流方向总宽度优化为7.5 m，相应码头桩基的间距优化为10.0 m。

4)优化船只停泊间距：停泊船只净距由15 m调整为13 m，出口泊位船头距离码头边线相应调整为14 m，为取水窗口留出了空间。

优化后取水窗口位于船只正常停泊区域外，不受规划的码头船只停泊影响，但需根据取水要求制定码头的运行规程，确保在低水位时严格按规划位置停靠船只(实际运行中在较高水位时可不限定船舶停靠位置)。

2.2.2 取水头部窗口标高优化

根据取水模型试验报告，在计算水沙组合条件下，最高淤沙面高程为-1.4 m。考虑码头桩基引起的局部冲淤变化以及安全余量，取水窗口正常运行底标高初步确定为1.0 m。

根据本工程水文报告预测，三峡水库运行后，长江含沙量减少，三峡水库下游河段主要呈冲刷状态，在多年冲刷平衡后，取水河段的水位相应降低约0.6～0.7 m，考虑到若按最不利情况叠加，97%枯水位时再降低0.7 m，取水枯水位约为2.88 m。为了应对此极端情况，在正常运行底标高下方1.00～-0.50 m高程处设置三道叠梁闸，当出现上述情况时，可拆掉1～2道叠梁闸，窗口粗栏栅进口底坎标高最多可降低至-0.50 m高程处，以增加水深， 97%枯水位此时最大过栅流速为0.23 m/s。若长江三峡运行导致九江以下河段呈淤积状态，当出现上述极端情况时，在正常运行底标高上方1.00～1.50 m高程处增加一道叠梁闸，窗口标高为1.50～4.00 m，此时按97%枯水位时核算，过栅流速约为0.316 m/s。

DL/T 5339—2018《火力发电厂水工设计规范》[1]中规定，河(海)床式取水建筑物过栅流速宜采用0.2～0.6 m/s；另外《海港工程设计手册》[2]中规定，当水流流向与码头轴线的夹角越小，码头前最大允许流速越大，在3 000、5 000吨位级的码头，当水流流向与轴线夹角90°时最大允许流速为0.35 m/s。本期工程煤码头为5 000与2 000吨位级码头，因为取水口靠近煤码头2 000 吨位级船的泊位布置，当就近2 000吨位级船驶出泊位时，船舶处水流与取水窗口夹角小于90°，且船舶距离取水窗口有一段距离，在船舶处流速会远远小于取水窗口处过栅流速，故经上述分析可知，上述各工况下取水窗口布置安全合理。

3 取水头体型优化

由于取水头位于高桩码头立柱之间，空间有限，需在满足取水流速限制的前提下，尽可能优化取水头工艺尺寸， 减少取水头与码头的相互影响。在此采用计算流体力学数值分析手段，对取水头内流场进行分析。

取水头采用常规矩形体型，长度8.5 m，引水管中心标高1.0 m，流场分析结果如图1和图2所示。

图1 取水头立面流场云图

图2 取水头立面流场矢量图

从图1和图2中可以看出，在引水管入口上方有部分回流，断面流速在入口沿程6 m后已经比较均匀，有缩短取水头的水力条件。

根据图1和图2的计算结果,为优化进水水流的水力特性，降低工程造价，将取水头顶部采用斜坡布置，设置通气管减少气阻，并缩短取水头的长度。为模拟优化后正常运行时流态，将入口标高调整至取水窗口正常运行底标高(入口插入叠梁闸，闸顶标高1.0 m)。优化后分析结果如图3和图4所示。

图3 取水头优化后立面流场云图

图4 取水头优化后立面流场矢量图

从图3和图4中可以看出，优化后取水头内无回流等不利流态，流场较为均匀。

4 码头下重叠式取水实施方案

4.1 取水方案

取水头部沿码头①～②轴线方向的总长度为7.5 m。取水窗口极限底标高为-0.50 m。窗口顶标高4.00 m，正常运行时取水窗口导槽内设三块叠梁闸，每块闸门高度为500 mm，拦污栅置于闸门顶面，取水头运行窗口底标高为1.00 m。在实际运行过程中，应根据长江水位及取水头部区域泥沙淤积情况，通过调整叠梁闸数量，改变取水窗口的运行底标高，保证取水安全可靠。取水布置如图5和图6所示。

图5 码头下箱涵式取水平面布置图

图6 码头下箱涵式取水剖面布置图

取水头部位于船只正常设计停泊区域外。实际运行时需加强靠泊的管理，确保在低水位时应严格按设计停靠船只，避免船只对取水窗口的遮挡。码头各层平台开孔尺寸为500 mm×7 500 mm，用于取水头部拦污栅的检修起吊。本工程规划容量4×1 000 MW机组共设两根DN 1000引水管，引水管中心标高为1.0 m。

4.2 运行方式

粗拦污栅安装在取水头部进水窗口前导槽内，方便更换。当本期工程2×1 000 MW机组运行时，为避免自流引水管内流速过小，造成泥沙沉积在引水管内，考虑采用1根自流引水管或2根自流引水管交替运行方式。正常运行时引水管流速1.55 m/s。粗拦污栅与轻质插板、钢闸门共用一个导槽，当需要停运某一条引水管时，抽出该引水管对应的取水头部上的粗拦污栅再插入轻质插板即可。当取水泵房前池需要检修放空时，将钢闸门放入导槽内，并用排水泵进行抽排。

5 结论

该工程从2017年投运至今，取水系统运行稳定，水质变化不大，运行管理顺畅，证明码头下重叠布置方式在该工程的运用是成功的，各优化措施达到了预期的效果。

根据设计优化过程，对码头下重叠式布置取水方案主要设计优化成果及建议总结如下：

1)码头下重叠式布置不占岸线资源，电厂集中管理方便，对航道影响小，可充分利用煤码头的水深和航道清淤条件，但需与码头同时开工建设，在施工组织、工期进度协调方面工作量大，建议在码头设计各阶段加强配合协调力度。

2)通过与码头设计协调及优化，取水窗口位于船只正常停泊区域外，取水作业对正常作业的船只靠离泊无影响。建议制定码头的运行规程，确保在低水位时严格按设计位置停靠船只(对本项目具体情况而言，实际运行中在较高水位时可不限定船舶停靠位置)。

3)通过数值模拟优化取水头体型，采用斜坡式布置方式，消除回流及漩涡，并缩短取水头部长度，进水流态良好，达到优化进水流态并降低工程费用的目的。

4)取水窗口标高采用可调节设计，通过在取水窗口设置叠梁闸，叠梁闸可根据取水点处河床淤积情况以及水位情况下放，由此调整取水窗口高度及引水流速，在保证取水安全的前提下确保取水引起的横向流速满足码头船只的泊稳要求。

5)码头平台设置矩形方孔，还可利用码头平台进行拦污栅起吊和清污作业，解决了淹没式取水头单独设置时拦污栅起吊清污困难的问题。