上海外高桥电厂取、排水域中潮位下极限淤积估算（罗勇，罗肇森）
关键词：电厂水域； 淤积分析； 极限淤积估算
作者简介：罗勇(1960-)，男，南京水利科学研究院工程师。
收稿日期：1999-12-07
1 概况
上海外高桥电厂一期工程4×300MW，已建煤码头及出灰码头各一座，紧靠岸边的栈桥已用石块堆砌成为围堤。电厂水域岸线长1 800m，为限定的水域，二、三期电厂的取、排水口均需在此布置。电厂上游建有港务局一期码头4个泊位，长900m，1991年7月～1993年12月建成；随后续建二期码头工程，岸线长也是900m。外高桥电厂总规划容量4 800MW，是国内的大型电厂之一。一期工程建成后，电厂水域发生严重淤积，二期工程取排水口如何布置，是电厂建设中的重要问题。本研究是取、排水域淤积变化的分析及中潮位下极限淤积估算，提供电厂规划设计参考。
2 电厂近岸水域淤积变化及淤积原因
2.1 水域水深变化及淤积量
1992年后，电厂水域发生严重淤积，1992年至1996年的变化，文献[1]已有详细分析。现就1996年5月到1999年9月的资料，进行计算分析和比较如下。
将电厂水域以一期煤码头处为0+000断面，以堤顶外缘为零点，向河为横坐标，读取500m距离内的水深为该处的断面，沿河道纵向，每100m取一个断面，将电厂水域分成18个断面，以电厂码头外缘的规划线至堤顶线取中线，中线至内堤为I区，中线至码头外缘为Ⅱ区，码头外缘至500m线为Ⅲ区，分区及断面里程号见示意图1，计算得各区的平均水深及淤积量见表1。
表1 外高桥电厂近岸水域水深及冲淤量 | |||||||||||
日期 | Ⅰ 区 | Ⅱ 区 | Ⅲ 区 | ||||||||
| 平均水深m | 容积万m3 | 冲淤量万m3 | 平均水深m | 容积万m3 | 冲淤量万m3 | 平均水深m | 容积万m3 | 冲淤量万m3 | |||
| 1996.05 | 1.134 | 31.332 | 5.000 | 140.715 | 10.055 | 290.683 | -2.637 | ||||
| 1996.06 | 1.170 | 32.493 | -1.161 | 4.938 | 139.197 | 1.518 | 10.146 | 293.320 | -21.870 | ||
| 1996.11 | 10.91 | 30.051 | 2.442 | 5.032 | 141.704 | -2.507 | 10.917 | 315.190 | 23.264 | ||
| 1997.06 | 0.521 | 14.350 | 15.701 | 3.745 | 105.318 | 36.386 | 10.113 | 291.926 | -17.021 | ||
| 1997.12 | 0.452 | 12.680 | 1.670 | 3.859 | 108.357 | -3.039 | 10.721 | 308.947 | 1.206 | ||
| 1998.06 | 0.479 | 12.971 | -0.291 | 3.975 | 111.294 | -2.937 | 10.685 | 307.741 | 0.221 | ||
| 1998.11 | 0.267 | 7.098 | 5.873 | 3.771 | 106.351 | 4.943 | 10.706 | 307.520 | -15.106 | ||
| 1999.09 | 0.390 | 10.412 | -3.314 | 3.411 | 96.165 | 10.186 | 11.230 | 322.626 | -31.943 | ||
| 合计 | 20.92 | 44.55 | |||||||||
| 注: 平均水深及容积均从吴淞基面算起。 | |||||||||||
| 由表1可见，电厂水域从1996年5月至1999年9月基本上以淤积为主，I区平均水深减小0.74m，淤积量20.92万m3；Ⅱ区平均水深减少1.59m，淤积量44.55万m3；但码头外缘至500m的Ⅲ区则是冲刷的，该区平均冲深1.18m，冲刷量31.94万m3。由此可见，电厂水域的淤积不是由长江河床变动引起的，而主要是建筑物(包括上、下游码头及船厂)建成后，因码头桩基及后方栈桥阻水或改变水流方向导致流速减小而引起的。 2.2 典型淤积断面的变化形态 |
图1 外高桥电厂水域分区计算示意 |
取1996年至1999年汛前及汛后0+800（代表一期取水口附近）、1+300（代表二期取水口）二处断面的资料进行点绘比较如图2及图3（图中起点处的高程系假定值）。可见无论汛前或汛后，除1997、1998年较接近外，1996～1997年、1998～1999年均有较大变化，码头外缘深槽的变化则不明显。
图2 典型断面变化比较 |
图3 典型断面变化比较 |
从上面的分析看出：电厂建成到1994年、1997年、1999年是淤积较明显的阶段，目前淤积还未最后停止。
3 极限淤积的估算方法
外高桥电厂水域的淤积虽未停止，但已逐渐减少；上、下游的码头工程对厂区水域有较大影响，主要是水域中的桩基及栈桥排桩对水流增加了阻力作用，使泥沙聚沉所致。电厂水域内淤到什么程度？对取水口影响如何？这是工程上最关心也是难以回答的问题。下面的估算则是取通常的方法，适用于中潮位下的淤积，由于是多次叠代，也可称中潮位下的极限淤积。
3.1 淤积的计算方法
3.1.1 根据悬沙不平衡输沙方程，本文第二作者曾导出河口航道开挖后的淤积计算公式如下[2]
P=αωfST/γC[1-(V2/V1)2H1/H2]1/cosθ | (1) |
式中 P为T时间内（一般以年为单位，以秒计）的淤积厚度；α为泥沙沉降机率；ωf为絮凝泥沙的沉降速度；S为平均含沙量；V1、V2，H1、H2分别为开挖前、后的流速和中潮位下的平均水深；θ为水流方向与航道轴向的交角；n为转向系数；计算同一地点的淤积时，cosnθ≈1.0；γC为淤积泥沙的干容重，由下式确定
式中 d为泥沙中值粒径(mm)；γC的单位为kg/m3。 航道开挖，水深及流速等有变化可用式(1)计算，当然，航道不开挖而流速有变化时，也可用以计算淤积厚度。 3.1.2 当在同一位置，水深为H，淤积厚度为P，淤积后水深为H-P，由公式（1）导得
式中 K=αωfST/γC,Vr=V2/V1。 |
图4 计算框图 |
河口地区水流为不恒定的潮汐往复水流，每日有高、低潮之分，每月有大、中、小潮之别。但是，潮汐水流又是有周期性的往复流动，从一个涨潮流期或一个落潮流期来看，其加速度和减速度是互相抵销的，因而从长期的平均来看，主要由水流的平均流速起作用，即平均流速可写为
V=1/n1R2/3J1/2 | (4) |
（4）式中的水面比降J在长江口的大水域环境的控制下，局部地区J值的变化是可以忽略不计的，即外高桥电厂区域，可令J2≈J1，（4）式可写为
Vr=V2/V1=n1/n2(H2/H1)2/3 | (5) |
3.2 极限淤积的计算步骤
1.由已知n1、n2，假定Vr=n1/n2
2.代入（3）式求P，并求得新的水深H2
3.以H2代入（5）式求Vr
4.以新的Vr代入（3）式求P
5.若两次求得的P值小于0.001m，即输出结果，为中潮位下的极限淤积结果。计算框图见图4。
3.3 淤积的验证
（1）式已成功地应用于若干港口航道淤积的预报，预报的结果与天然实测的基本相符，一般偏差值在±30%以内[2]，但在外高桥地区如何，我们选用文献[3]的资料、计算表明，与实测值比较，其结果也相当符合。
文献[4]给出一期码头建成码头前沿水深及淤积厚度。文献[3]在二期码头物模试验时，取一期码头前沿两个测点，测量二期码头对一期码头的影响，由工程后与工程前的流速比值用（1）式计算，得到计算的淤积厚度P 由文献[4], 一期码头自身淤积2.42m/a及由文献[3]计算得二期码头对一期码头影响引起的淤积2.35m/a，合计为4.77m/a，年淤积量为900×30×4.77=12.88万m3[5]，与1998年、1999年一期码头的挖方量12.8万m3符合。 上面淤积计算采用长江口南支南港实测的年平均泥沙有关参数值：d=0.015mm，S=0.5kg/m3，ωf=0.0518cm/s，此参数可为外高桥电厂极限淤积计算应用。 3.4 不同泥沙参数的淤积厚度计算淤积厚度中的有关参数为n1、n2（n1为工程前河床的糙率；n2为工程后相应的糙率，这是工程影响的综合参数，我们称之为虚拟糙率。由数学模型按水流验证及桩基阻力试验的经验[6，7]，n1=0.016；在栈桥区，n2=0.04，在码头桩群密集区n2=0.20）；S含沙量（kg/m3）；ωf泥沙絮凝的沉降速度；d泥沙粒径，长江南港河段一般为0.01～0.02mm。 为了了解不同参数对淤积厚度的影响，我们计算了不同n2，不同d，不同S在不同水深时的淤积厚度，作分析使用参考。见图5。由图可见，糙率的变化n2由0.04～0.20，淤积厚度的差值可达1.5～2.0m，而以天然水深7m时差别最大；d在0.005～0.025区域，淤积厚度可达1.0～1.5m，天然水深愈大，差别也就愈大；影响淤积最大的是平均含沙量，含沙量差0.1kg/m3，淤积差1.3m左右，含沙量变化在6.0m以上水深地区影响最明显，含沙量的大小是决定淤积的最重要参数。 |
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4.1 参数选取
选n1=0.016，n2=0.04，0.20，0.07，ωf=0.0518cm/s，d=0.015mm进行计算。由于断面垂线流速V与水深H2/3成正比，而S与V2/H成正比，按岸边至10m水深处的含沙量平均为0.50kg/m3考虑，则含沙量自岸边向深水成S=0.301H1/3变化关系。以此含沙量关系进行自岸边起不同水深的计算。
4.2 淤积高程的计算
外高桥厂区水域多年平均潮位2.55，平均水深=吴淞基面下水深+2.55，采用上述方法计算得不同水深处淤积后吴淞基面下的剩余水深，化算为高程见表2。
表2 淤积高程的估算值 | |||||||||||
n2 | 平均水深（吴淞基面） | ||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | |
| 0.04 | 2.55 | 2.55 | 2.55 | 2.55 | 2.55 | 1.68 | 0.84 | 0.02 | -0.79 | -1.61 | -2.43 |
| 0.20 | 2.55 | 2.55 | 2.55 | 2.55 | 2.55 | 2.29 | 1.59 | 0.87 | 0.14 | -0.60 | -1.36 |
| 0.07 | 2.55 | 2.55 | 2.55 | 2.55 | 2.55 | 2.14 | 1.39 | 0.64 | -0.12 | -0.89 | -1.66 |
4.3 栈桥码头区及栈桥码头掩护区淤积后的图形变化
(1)栈桥码头区
由于栈桥区n2取0.04，码头区n2取0.20，因此，淤积情况为码头区n2=0.20，岸边n2=0.04，中间是从0.04～0.20的过渡区如图6，这个图形反映了电厂二期煤码头建成后平均潮位下的极限淤积情况。
图6 码头区淤积估算表 |
图7 栈桥掩护区淤积估算表 |
码头掩护区的糙率根据计算可取n2=0.07，近岸为n2=0.04，淤积图形见图7，为二期取水口附近平均潮位下的极限淤积图形。
5 结论 (1)长江是多水多沙河流，外高桥电厂所处的河段是长江口多年来水深比较稳定的南港河段，年平均含沙量约0.5kg/m3。悬沙粒径0.010～0.020mm。(2)外高桥电厂建成后，码头后方取、排水域发生淤积是不可避免的。淤积的原因主要是建造栈桥及码头桩群增加阻力，减小水流流速引起。从1996年5月至1999年9月，码头后方水域，中心线至岸边I区淤积20.92万m3，中心线至码头线Ⅱ区淤积44.55万m3，码头前缘线至500m（Ⅲ区）共冲刷31.94万m3。目前淤积减缓，但未最后停止。
(3)码头前沿的淤积及电厂水域的淤积可用半理论半经验的公式（1）～（5）预报，以港务局一期码头三个泊位的建成时实测的淤积量加上二期码头工程对一期码头前缘实测减小的流速代入公式（1）中进行估算，计算年淤积厚度2.35m/a，加上一期码头建成本身的淤积2.42m/a，总淤积量为12.88万m3，与近年挖泥量12.8万m3吻合，说明此计算方法有实践的基础。
(4)电厂水域建二期煤码头及取、排水口后，水流阻力进一步增加，淤积的图形如图6、7，图中列出1999年9月实测的断面，与建厂前断面比较，淤积是严重的。由于本方法只能计算中潮位下的极限淤积，如果淤积达到中潮位，则中潮位以上的淤积还是有可能继续发生的。对于如此严重淤积的问题，应采取防淤减淤措施，减少泥沙淤积对工程的影响。
参 考 文 献[1] 陈惠泉。外高桥电厂取水口水域水下地形观测分析报告.中国水利水电科学研究院冷却水所，1999年1月。
[2] 罗肇森。河口航道开挖后的淤积计算.泥沙研究，1987，(2).
[3] 吴丽华，卢中一。上海外高桥续建顺岸式码头走向的试验研究.南京水利科学研究院河港研究所，1994年8月。
[4] 上海航道勘察设计研究院。外高桥港区一期工程码头前沿淤积研究报告.1995年8月。
[5] 罗肇森，罗勇。外高桥电厂取排水域淤积分析及现期淤积估算.南京水利科学研究院河港研究所,2000年3月。
[6] 毛佩郁，陈志昌。南港水文泥沙特性及模型沙的选择.南京水利科学研究院河港研究所，1991年12月。
[7] 蒋星科，罗肇森。外高桥电厂二期工程二维潮流泥沙数学模型计算分析研究.南京水利科学研究院河港研究所,2000年3月。
