某濱海核電廠攔污裝置波浪試驗研究與受力分析

萬志男，高東博，王毅，夏悟民，袁立偉，王明明

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

近年來，我國多個濱海核電廠發生了海生物及海上漂浮物堵塞取水口，導致核電機組降功率運行甚至停堆的惡劣事件。為保證核電機組的取水安全，在核電廠取水明渠增設攔污設施顯得十分必要[1-2]。

攔污裝置結構受力及各構件之間的相互作用較為復雜，包括結構自重、浮力、波浪、水流、攔污網堵塞率等因素外，還要考慮攔污網裝置纜繩強度和墩臺的穩定性。現階段國內規范尚無攔污網受力的計算方法，國內只有少數學者對攔污網設計進行了相關研究[3-6]，針對結構設計沒有進行深入研究。為便于攔污構筑物設計，本文通過攔污網波浪物理模型試驗，研究在不同水位、波浪及堵塞率組合工況下測量得到攔污網主纜繩及攔污網錨碇墩臺的受力情況，同時對攔污網主纜繩和攔污網錨碇墩臺進行了受力分析，相關研究成果可為其他核電廠攔污設施的設計提供參考和借鑒。

1 工程背景

本核電采用明渠取水，明渠兩側由2條平行導流堤掩護，原浮式攔污網受北向浪作用后損壞，大量海生物及生活垃圾涌入，為保證取水安全，將取水東導流堤呈逆時針延伸新建約600 m，同時在取水口門處布置1道固定式攔污網，攔污裝置呈“一字形”布置，詳見圖1。攔污網兩端固定在兩側取水導流堤上的錨碇基礎上（MJ1、MJ2），中間通過鋼支架與攔污網錨碇墩臺連接，攔污網錨碇墩臺共5座（MT1～MT4）。明渠內的工作船只可從任意2座攔污網錨碇墩臺之間穿過。攔污裝置主要由攔污網、主纜繩、攔污網錨碇墩臺、攔污網錨碇基礎、攔污網錨碇塊體和鋼支架組成。攔污網立面圖詳見圖2。

圖1 工程平面布置圖Fig.1 Engineering plan

圖2 攔污裝置立面圖Fig.2 Vertical plan of anti-fouling device

2 試驗設計

2.1 模型設計

1） 模型比尺

按JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規程》[7]進行設計，根據試驗場地、規范標準及波浪條件、網片尺度等因素綜合確定模型比尺，比尺為1∶46。

2） 波浪、水流模擬

采用不規則波進行試驗，波浪譜為JONSWAP譜。海水取水流量約為230 m3/s，采用潛水泵模擬核電廠取水，并通過調節泵的流量以達到試驗要求。

3） 主纜繩模擬

保證纜繩的長度和彈性相似，模擬的纜繩彈性曲線和理論曲線基本相似。纜繩的受力—伸長曲線與原型滿足相似，其中主纜繩的受力—伸長曲線是按下列公式計算：

式中：Tm為模型纜繩拉力；E為原型纜繩彈性系數；d為原型纜繩直徑；L為原型纜繩長度；ΔL為原型纜繩伸長；λ為模型長度比尺。

4） 網片幾何模擬

網片的輪廓采用整體模型的比尺γ，網目大小與網線直徑采用小比尺γ′。小比尺為網線直徑/網目大小的比例，即保證模型的小尺度比尺與原型的一致，即可保證垂直水流方向的網片阻流面積相似。

5） 網片阻力模擬

依據NB/T 25002—2011《核電廠海工構筑物設計規范》[8]規定，對于作用在網片上的水阻力采用莫里森公式計算。

式中：F為網片受到的水流阻力；Cd為水流阻力系數；ρ為水密度；u為水流速；A為網線在垂直水流方向的投影面積。

當滿足模型網片與原型網片的投影面積相似時，可以得到：

式中：dp和dm為原型和模型網線的直徑；ap和am為原型和模型網線的網孔大小。

6）網片重力相似

為保證網片模擬的幾何相似和阻力相似，采用等效網片的方法來進行模擬，等效網片與理論網片在重量上存在差異，需對等效網片進行重量修正。

7）網片彈性模擬

將網片考慮成一系列的彈性桿件，為滿足網線的彈性相似，網線直徑需滿足以下公式：

式中：Em和Ep分別為原型和模型網線的彈性模量。式（3）和式（4）無法同時滿足，當網片滿足阻力相似時，此時網線的直徑較大，網片的剛度較大，在相同作用力情況下，其變形較小，試驗中測得主纜繩力較大，偏于安全，因此在本試驗中優先滿足網片的阻力相似。

8）網片堵塞率模擬

相同面積的攔污網片，水體上部的受力要大于水體下部。因此試驗中堵塞水體上部攔污網片結果偏于安全，對于不同堵塞率是堵塞在靜水水面以下網片面積的百分率。試驗模型見圖3。

圖3 攔污網試驗模型Fig.3 Test mode of anti-fouling net

2.2 試驗方法

本試驗在波浪水池中進行，原始波浪要素率定時總能量偏差控制在±10%以內，波高和周期誤差均控制在±5%以內，測定不同水位、波浪及堵塞率組合工況下主纜繩及攔污網錨碇墩臺的受力情況。

2.3 試驗參數

1） 試驗水位

100 a一遇高水位：3.31 m

50 a一遇高水位：3.20 m

2） 試驗波浪

試驗波浪參數詳見表1，在50%堵塞率情況下增加了破壞工況，即設計波高增大10%，分別為3.80 m，3.50 m。

表1 試驗波要素表Table 1 Test wave parameters

3） 攔污網堵塞率

攔污網堵塞率分別為10%、20%、30%、50%和70%的工況，其中70%的堵塞率為破壞工況。

3 試驗結果

3.1 攔污網主纜繩拉力結果

圖4（圖中EWL為水位，EWH為波高）為100 a一遇水位3.31 m、100 a一遇波高H13%=3.46 m，T=8.6 s，取水流量為230 m3時，不同攔污網堵塞率條件下攔污網主纜繩的受力情況，從圖4中可以看出，攔污網纜繩拉力隨著堵塞率的增大而增大，堵塞率50%時，MT5-MJ2纜繩拉力為399 kN，堵塞率為70%時，纜繩拉力為478 kN，靠近取水西導流堤的纜繩MT5-MJ2拉力最大，靠近取水東導流堤的纜繩MJ1-MT1最小，中間逐漸遞增。不同位置主纜繩的拉力對攔污網堵塞率的敏感度不同，其中，西堤頭側對不同堵塞率較敏感，當堵塞率變大時，拉力增大較快，這是由于在W向浪作用下，波浪西堤頭破碎后形成的沖擊水流對該側的攔污裝置結構有較大的沖擊作用，攔污網的堵塞率越大，沖擊作用越明顯。

圖4 主纜繩拉力（EWL=3.31 m，EWH=3.46 m，T=8.6 s）Fig.4 Main cable tension（EWL=3.31 m,EWH=3.46 m,=8.6 s）

圖5給出了攔污網堵塞率為50%時，不同水位和波浪組合下各攔污網纜繩拉力，從圖5中可以看出，相同水位條件下，波高越大，攔污網纜繩拉力越大；波浪接近時，水位越高，纜繩拉力越大。對于波浪而言，水質點速度隨水深衰減，波浪力也隨著衰減。

圖5 主纜繩拉力（堵塞率=50%）Fig.5 Main cable tension（Plugging rate=50%）

3.2 攔污網錨碇墩臺受力結果

本次試驗還量測了攔污網錨碇墩臺在不同堵塞率情況下受到的水平作用力和浮托力。在W向波浪作用下，由于取水西導流堤堤頭側波浪明顯較大，本次試驗選取靠近取水西導流堤堤頭的MT4和MT5墩臺進行了總力測試。

從圖6中可以看出，在100 a一遇水位3.31 m、100 a一遇波高H13%=3.46 m，T=8.6 s，取水流量為230 m3作用下，攔污網錨碇墩臺MT4、MT5受到的水平力隨著攔污網堵塞率的增大而增大，攔污網堵塞率為70%時，水平力約為1 200 kN。

圖6 墩臺水平力（EWL=3.31 m，EWH=3.46 m，T=8.6 s）Fig.6 Horizontal force of pier（EWL=3.31 m,EWH=3.46 m，T=8.6 s）

圖7 給出了攔污網錨碇墩臺MT4、MT5在100 a一遇高水位和100 a一遇波浪組合下受到的浮托力，可以看出，攔污網堵塞率越大，攔污網錨碇墩臺受到的浮托力也越大，其中MT5墩臺受到的浮托力對攔污網堵塞率的變化更為敏感，攔污網的堵塞率達到70%時，浮托力達到了882 kN。

圖7 墩臺浮托力（EWL=3.31 m，EWH=3.46 m，T=8.6 s）Fig.7 Vertical force of pier（EWL=3.31 m,EWH=3.46 m，T=8.6 s）

4 結構受力分析

本工程攔污網要滿足100 a一遇水位3.31 m、100 a一遇波高H13%=3.46 m，T=8.6 s，取水流量為230 m3與50%攔污網堵塞率組合條件（以下簡稱極限運行條件）下結構不破壞，為此對攔污網主纜繩和墩臺結構進行了分析。

4.1 攔污網主纜繩受力分析

本工程固定式攔污裝置攔污網主纜繩采用的是鋼質纜繩，最大拉力可依據下面的公式計算：

式中：T0為主纜繩容許拉力；S為纜繩破斷力；α為受力不均勻系數，取0.85；K為安全系數，根據纜繩用途，K可取3.0。

圖4中極限運行條件下攔污網主纜繩拉力為399 kN，據式（5）反算得其破斷力不得小于1 408 kN。

4.2 攔污網錨碇墩臺受力分析

本攔污網錨碇墩臺上部為現澆方形鋼筋混凝土墩臺，下部為3根樁徑為1 500 mm的灌注樁，其中2根布置在海側（G1、G2），1根布置在渠側（G3），樁底持力層為中風化巖，攔污網錨碇墩臺斷面圖見圖8。采用有限元計算軟件計算灌注樁對應不同攔污網堵塞率工況下的受力情況。灌注樁彎矩圖詳見圖9，攔污網極限運行條件下樁基的彎矩為3 803 kN/m，灌注樁的彎矩隨著攔污網堵塞率增大而增大。

圖8 攔污網錨碇墩臺斷面圖Fig.8 Sectional view of anchor pier of anti-fouling net

圖9 灌注樁彎矩Fig.9 Bending moment of cast-in-place piles

5 結語

本文主要研究結論如下：

1）相同水位和波浪條件下，攔污網主纜繩拉力和墩臺內力隨著攔污網堵塞率的增大而增大。攔污網堵塞率一定時，水位越高，攔污網主纜繩拉力越大，波浪越大，攔污網纜繩拉力也越大。

2）由于波浪與堤頭作用，波浪發生破碎，導致波浪作用方向堤頭側的攔污網主纜繩和墩臺結構受力較大。結構設計時，應關注波浪破碎后的沖擊流對攔污裝置結構受力的影響。

3）極限運行條件下攔污網主纜繩的破斷力不得小于1 408 kN，樁基承受最大彎矩3 803 kN·m，經過計算分析，本項目攔污網裝置結構安全可靠。