海嘯對我國濱海核電廠廠坪標高的影響

摘 要：敘述了確定濱海核電廠廠坪標高時所考慮的要素，基于海嘯增水和與構筑物爬高特性，提出一些關于我國濱海核電廠廠坪標高設計時如何考慮海嘯影響的見解和技術探討。

關鍵詞：海嘯 核電廠 設計基準洪水 波浪爬高 廠坪標高

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（b）-0097-02

Abstract：This paper introduces the elements about nuclear power platform elevation， based on the tsunami surge and wave run-up characteristics.It makes some suggestions of technique study and review opinion in platform elevation design.

Key Words：Tsunami；Nuclear power plant；Design basis flood level；Wave run-up；Platform elevation

我國濱海核電廠防洪設計時主要考慮的因素為可能最大風暴潮增水和波浪，原因是我國沿海地區大陸板塊和海域地形特點不具備發生大規模海嘯條件，且從以往核電廠在防洪分析時得出的可能最大海嘯數值來看，也確實遠小于風暴潮的增水[1]。日本福島核事故后按國務院要求進行全國核設施安全檢查過程中，國家海洋局進一步復核了我國沿海核電廠地震海嘯風險，從成果上看風暴潮增水和波浪還是遠大于海嘯影響[2]，但同時認為海嘯洪水特性不同于風暴潮，應落實海嘯爬高和對防洪構筑物沖擊力可能給核電廠防洪帶來的影響。

文中依據海嘯洪水的爬高特性，分析了海嘯對廠坪標高和防洪堤頂標高的影響，給出了一些設計建議。為我國濱海在建、在役核電廠的海嘯防洪評價和新建核電廠廠坪標高的選定提供參考。

1 廠坪標高的影響要素

我國濱海核電廠決定廠坪標高的主要因素有以下幾個方面：設計基準洪水、地質條件、年運行費及土石方平衡[3]。設計基準洪水和地質條件是最主要的因素。出于防洪目的，我國核電廠的安全重要物項都建造在設計基準洪水位以上，并考慮風浪以及潛冰和雜物堆積作用的影響，決定了廠坪標高的下限。而地質條件決定了廠坪標高的上限，主要是因為目前我國核電廠核島都要求坐落在基巖上。目前在我國濱海核電廠，循環冷卻水都采用直流方式，如果廠坪過高將直接導致核電廠運行費用的升高。土石方平衡主要與廠址的原地形有關，場地平整后土石方如有過多剩余或缺少都可能導致投資和工期的增加。

2 海嘯洪水特性

海嘯是由于海底地震、火山爆發、海底沉陷或海岸崩坍對水體沖擊擾動所產生的一種波。深海以長周期波的形式傳播，與風暴潮形成的波浪在傳播和對構筑物作用方面都有很大不同。

2.1 海嘯傳播特性

海嘯波長可達幾百千米，繞射能力非常強，按風暴潮進行設計的防波堤對海嘯消波作用通常較差。并且由于海嘯的持續性強，在由寬變窄、水深變淺的半封閉海灣，入射波增強的可能非常快。所以設計人員不能套用常規風浪傳播的經驗去判斷，而應充分收集廠址區域海域地形等基礎資料，通過數值模擬得出準確的海嘯到達波幅。

在海嘯的傳播方面國內外已經有非常廣泛的研究，通常是深海傳播采用線性淺水方程，近岸傳播采用基于非線性淺水方程和Boussinesq方程的數值模型進行模擬[4-5]。

2.2 海嘯爬高特性

波浪爬高是一種消耗能量的方式，海嘯或者風暴潮波浪會在近岸遇到沙灘和防洪堤后會發生破碎和爬高現象，爬高高度取決于波幅、構筑物坡度和粗糙度、構筑物前水深以及入射方向等因素。國外很多學者通過試驗室水力模型試驗和計算機數值模擬等方法，用孤立波模擬海嘯進行了研究，Synolakis在1987年就提出了孤立波爬高公式[6]，Hsiao在2008年提出了孤立波模擬海嘯破碎形態下的爬高公式[7]，國內學者還提出了孤立波對直墻的爬高[8]。在成果中大致可以看出，由于海嘯波長和能量較大，相同波幅的海嘯爬高能力遠強于風暴潮產生的波浪。設計時如果未能考慮到這點，超過預期的海嘯爬高可能會直接越過防洪構筑物產生漫頂或越浪等現象，對核電廠區中的設施產生水淹威脅[9]。海嘯與常規波浪的爬高和越浪對比如圖1、圖2。

3 我國濱海核電廠防洪設計的標準

我國濱海核電廠防洪設計及防護措施主要遵循的現行有效的安全法規和導則是《核電廠廠址選擇安全規定》（HAF101-1991）和《濱海核電廠設計基準洪水位的確定》HAD101/09。導則中規定[10]：濱海廠址的設計基準洪水是一個核電廠設計應經受的洪水。它是下列洪水類型中最嚴重的：

（1）可能最大風暴潮引起的洪水。

（2）可能最大海嘯引起的洪水（如果存在時）。

（3）可能最大假潮引起的洪水（如果存在時）。

（4）由上述3項嚴重事件的組合所引起的洪水。

風浪的作用必須單獨地考慮或者與上述洪水組合在一起考慮。并給出了確定基準洪水的一組洪水起因事件和基準水位的組合實例：

（1）可能最大風暴潮或可能最大假潮風—浪活動；10%超越概率高潮位；25年一遇的江、河洪水位（當合適時）。

（2）可能最大海嘯；風浪一般活動（幾年重現期）；10%超越概率高潮位；25年一遇的江、河洪水位（當合適時）。

4 關于廠坪和防洪堤頂標高的建議

我國濱海核電廠廠坪標高和防洪堤（擋浪墻）頂標高確定時，首先應滿足高于風暴潮確定的設計基準洪水位（DBF）的靜水位要求[11-12]。綜合考慮地質、土石方平衡和營運問題確定廠坪高程后，再按以下方法復核海嘯影響。

（1）首先，確定海嘯參與組合的設計基準洪水位（DBF′）=可能最大海嘯+10%超越概率天文高潮位+核電廠預壽期內平均海面異常值+25年一遇的江、河洪水位（如有）。

廠坪標高（H）≥海嘯引起的設計基準洪水位（DBF′）+富裕高度（可取0.5m）。

（2）然后，計算或通過模型試驗獲取可能最大海嘯與構筑物作用后產生的爬高（R）。

防洪堤（擋浪墻）標高（H’）≥海嘯引起的設計基準洪水位（DBF′）+爬高（R）。

以上復核如不滿足，則建議相應提高廠坪或防洪堤（擋浪墻）的標高。

參考文獻

[1]常向東，周本剛.我國沿海核電廠地震海嘯影響分析[J].核安全，2011（4）：45-50.

[2]國家海洋局.我國沿海核電站地震海嘯風險論證[Z].2011.

[3]陳鋒.我國濱海核電廠廠坪標高的確定[J].核安全，2006（2）：44-48.

[4]姚遠，蔡樹群，王盛安.海嘯波數值模擬的研究現狀[J].海洋科學進展，2007，25（4）：487-494.

[5]張超凡，石耀霖.海嘯災害的數值模擬研究[J].中國科學院研究生學報，2008（5）：289-296.

[6]Synolakis， C. E.The runup of solitary waves.[J].Journal of Fluid Mech，1986，185（12）：523-545.

[7]Hsiao S.-C， Hsu T.-W， Lin T.-C et al.On the evolution and run-up of breaking solitary waves on a mild sloping beach[J].Coastal Engineering，2008，55（12）：975-988.

[8]丁全林，汪德爟，王玲玲.陡墻上孤立波爬高的LBM模擬[J].水利學報，2010（8）：991-996.

[9]李丹，肖志，安洪振，等.國外核電廠外部水淹事件分析[J].核安全，2013（12）：75-78.

[10]國家核安全局.濱海核電廠廠址設計基準洪水的確定（HAD101/09）[Z].1994.

[11]張愛玲.我國濱海核電廠的防洪設計現狀及技術探討[J].核安全，2011（2）：47-52.

[12]張愛玲.對濱海核電廠防洪評價中海嘯影響的一些認識[J].核安全，2008（4）：28-32.