沉管在核電排水工程中的應用

謝喬木，陳波，楊云蘭，司銀云

（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

隨著對環保的重視，核電廠的排水工程逐漸由明渠排水方案改為管涵或箱涵深排水方案。海南昌江核電排水工程從閘門井至深海排放點總長大約為2 260 m，本工程在前期研究和方案設計過程中，采用的是海底隧道排水方案，不僅存在施工安全風險，而且排水工程投資高達4.99億元。為了解決核電海工排水工程高投資、高施工風險問題，對于沉管排水方案，提供另外一種設計思路。根據維護要求，排水沉管在使用期間采用濕檢修方式。雖然沉管在過江過海隧道工程中使用較為廣泛，也積累了一定的經驗，但在核電領域向外海深排的沉管設計仍比較少見，沒有相應的設計標準和驗收標準，同時外海施工，波浪大，施工工況較為惡劣，需要設計與施工緊密結合。因此本文在現有資料基礎上，通過工程研究，解決核電排水沉管關鍵設計技術問題。

1 沉管方案介紹

根據原泥面地形走勢，從閘門井至排水頭部之間設置13段不同坡度的沉管段（E1～E13段），由74個預制管段、1個現澆管段和2個預制排水頭部構筑物組成，沉管混凝土強度為C30，抗滲等級為P6，管節直接連接采用承插式，并在接頭設置防漏砂、漏水G型橡膠止水帶。其中長度30 m標準段69節；長度15 m沉管4節；長度26.636 m沉管1節。沉管過流斷面采用單機單孔、兩孔共壁布置；斷面結構的頂板、底板、側壁均為40 cm，中隔板為30 cm。沉管兩側回填開挖料，頂面覆蓋石料層厚1.5 m，從上往下依次為150～200 kg厚85 cm，重量＜80 kg的礁渣石料厚30 cm，重量＜50 kg的礁渣石料厚35 cm，覆蓋石料層向兩側設置1∶3的邊坡，沉管典型斷面圖見圖1。

圖1 沉管典型斷面圖

排水頭部構筑物采用沉管結構，長約20.0 m，壁厚及內徑與排水沉管一樣，頂板、底板、側壁均為60 cm，中隔板為30 cm。在沉管頂部設置2個戽頭，每個戽頭設3個排水窗口。沉管過水斷面尺寸為4.4m×4.4m，過水孔道頂高程為-18.70 m；排水窗口的尺寸為3.5 m×2.0 m，排水窗口底部高程為-13.0 m。

排水頭部結構見圖2。

圖2 排水頭部結構圖

由于核電行業對管節的連接要求比較高，管節安裝錯位偏差允許的范圍為±20 mm，且不能漏水、漏砂，因此設計上采取不同于目前水運工程常規的設計方法。每段預制沉管下方設置寬5.0 m的碎石墊層支墩進行初步定位。管節對接采用頂面搭接式，底面和側面承插式，并在接頭設置防漏砂、漏水G型橡膠止水帶。沉管的水平向定位可以通過已安裝的預制沉管端部的導向構件，并結合頂部的搭接榫以及側面和底部的凹凸槽進行精確定位。沉管定位好后，將對拉千斤頂安裝在預埋的拉合座上進行對拉，使沉管管節之間緊密結合，見圖3。對接完后通過預留在沉管隔板上的灌砂孔進行高壓灌熟料砂充實沉管底部。通過上述措施使管節對接精度達到設計要求。

圖3 沉管之間連接結構圖

2 排水沉管結構設計計算方法

目前國內尚無任何設計和科研單位對核電排水沉管結構進行過計算方法研究，排水沉管所需要計算的工況如何確定，以及計算模式如何考慮，這就需要對沉管從預制到使用運營、檢修，并緊密結合現場施工進行分析。排水沉管結構的計算模式根據各個階段的具體情況分別為：1）沉管預制階段按四點支撐連續梁計算；2）沉管沉放階段按空間有限元模型計算，單件沉管沉放時采用8點吊，假設沉放過程是一個靜態平衡關系，則對每個吊點的x、y、z三個自由度進行約束；3）沉管對接時一端擱置在安裝好的沉管上，一端擱置在碎石墩上，為兩點支撐，則按兩點簡支梁計算；4）沉管覆土、運營、檢修階段橫向采用平面有限元計算，縱向采用彈性地基梁計算。平面有限元計算模型計算域寬度采用側向變形近乎零處為左右邊界面，計算域深度取大于地基壓縮層厚度，左右邊界面約束水平向位移，底邊界約束水平和豎向位移。彈性地基梁計算時將所有管節進行模擬，管節之間采用鉸接處理，地基用彈簧模擬，采用文革勒地基模型即p=ks，式中：比例常數k為地基反力系數；s為沉降值；5）地震工況時采用平面框架計算，假設地震慣性引起水平力由底板的反力及摩擦力提供，地基采用文革勒地基模型，用彈簧模擬，對底板兩端節點水平向的位移進行約束。各個階段的有限元分析如下：

2.1 沉管預制階段

沉管預制時為便于沉管出運在底胎底部制作頂升塊，作用荷載為自重，用有限元軟件ANSYS按四點支承連續梁計算，取q=323.5 kN/m。

2.2 沉管下沉階段

施工采用了創新的施工工藝即采用半潛駁與浮吊安裝相結合的安裝工藝。浮箱浮于水面，當沉管下沉到其頂板的下表面高于浮箱頂面約0.5 m時，用工作艇將兩個浮箱分別推入沉管的兩個排水孔內，居中放置。半潛駁繼續下潛，浮箱逐步提供浮力，當浮箱完全浸沒水中時，每個浮箱可提供200 t浮力，硬雜木板與頂板的接觸寬度為0.5 m，如圖4所示。

此階段作用荷載為：助浮鋼浮箱向上浮力+起吊荷載。利用有限元軟件ANSYS進行空間結構計算。

圖4 浮箱及其裝配方式

2.3 沉管對接階段

沉管對接安裝時是采用兩點支撐安裝，在沉管拉合完成后，仍保持兩點支撐狀態，但在這個安裝工序里，沉管內的鋼浮箱是不拆除的，在拉合工序完成后，將通過預留在沉管側壁和中隔墻內的灌砂孔道進行沉管基礎灌熟料砂施工，待沉管底部灌滿熟料砂體，再拆除沉管內的鋼浮箱，沉管底部將轉換為整體均勻受力。

此階段作用荷載為：助浮鋼浮箱向上浮力+沉管浮重。利用有限元軟件ANSYS按兩點簡支梁計算。

2.4 沉管覆土、運營、檢修階段

沉管對接完畢后，進行回填覆土。在沉管覆土、使用、檢修階段沉管橫向采用平面有限元計算，縱向采用彈性地基梁計算。平面有限元計算采用MIDAS/GTS軟件，土體采用平面應變單元，模型采用摩爾庫侖，板采用梁單元模擬。彈性地基梁采用四航院彈性地基梁軟件計算。沉管覆土階段作用荷載為：自重（混凝土+水重）+回填覆蓋土壓荷載+側向土壓力+地基反力；沉管運營階段作用荷載為：自重（混凝土+水重）+回填覆蓋土壓荷載+側向土壓力+地基反力+沉管工作水壓力+溫度荷載（考慮8℃，按溫排放數模試驗報告取值）；沉管檢修階段作用荷載為：自重（混凝土+水重）+回填覆蓋土壓荷載+側向土壓力+地基反力+沉管工作水壓力+溫度荷載（考慮8℃，一孔通海水，一孔通熱水）。各個階段計算結果如圖5～圖 7。

圖5 沉管覆土階段橫向彎矩

圖6 沉管營運階段橫向彎矩

圖7 沉管檢修階段橫向彎矩

2.5 地震工況

地震荷載所產生內力采用地震系數法作為基本計算方法，地震引起的水平慣性力的反力由底板的地基反力及摩擦力提供。地震加載模型如圖8，計算結果如圖9。

圖8 地震工況加載模型

圖9 地震工況橫向彎矩

2.6 沉管結構內力計算結果匯總

1）沉管橫向內力見表1。

表1 橫向承載能力極限狀態內力kN·m

2）沉管縱向內力見表2。

表2 縱向承載能力極限狀態內力kN·m

根據分析計算結果，彎矩控制沉管的配筋。橫向計算時檢修工況（一孔通海水，一孔排熱水）為控制工況，溫度荷載對沉管的內力產生較大影響，同樣的溫度荷載壁厚越大，產生的內力越大，因此不可忽略溫度荷載；縱向計算時沉管底部受彎的控制工況為對接階段，頂部受彎的控制工況為預制階段，覆土、運營、檢修期時由于沉管底部充實熟料砂，且地基均為強風化或中風化花崗巖，不均勻沉降很小，對縱向配筋不起到控制作用。

3 結語

1）在國內已建的核電海工工程中，尚無采用排水沉管進行外海深排的工程實例，本工程沉管對接安裝施工采用了創新的施工工藝，即鋼浮箱與浮吊安裝相結合的安裝工藝。由于鋼浮箱的存在，沉管吊裝、安裝時的重力僅180 t，沉管的縱向配筋率大幅度降低。

2）為了達到沉管管節的對接精度，沉管基礎采用灌熟料砂基礎，對接采用頂面搭接式，底面和側面承插式，并在接頭設置G型橡膠止水帶，通過對拉千斤頂進行拉合管節，實現了核電排水沉管不漏水、不漏砂的功能要求。

3）采用國際通用有限元軟件對沉管結構在各種工況下的內力進行計算，為排水沉管設計提供了借鑒經驗。

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