異型沉箱結構在核電廠臨時取水設施中的應用研究

劉 毅，于 梅

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

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異型沉箱結構在核電廠臨時取水設施中的應用研究

劉 毅，于 梅

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

摘要：針對濱海核電廠施工期對于淡水的取水需求，基于港工傳統(tǒng)的沉箱結構，設計了一座異型沉箱結構作為某核電廠施工期的臨時取水設施，總結了核電廠取水設施設計中應考慮的平面和結構布置要點。以港口工程相關規(guī)范為基礎，對土壓力、波浪力和可變均載等荷載進行組合，計算異型沉箱的穩(wěn)定性和結構內力。從布置、計算和造價三方面表明以異型沉箱結構作為濱海核電廠的臨時取水設施是可行的。本文提出的異型沉箱結構的布置和計算方法，可以為類似工程提供借鑒。

關鍵詞：核電廠；異型沉箱；臨時取水設施

1 工程概況

某濱海核電廠規(guī)劃建設6臺百萬千瓦級壓水堆核電機組，一期建設2臺。一期施工期起初擬采用取水泵房加海底暗管的取水方案，但是通過進一步分析可以發(fā)現(xiàn)這種傳統(tǒng)的取水方法在本項目中有以下缺點：1）泵房安放的位置附近設有防滲墻，海底暗管穿過防滲墻取水可能會對其結構產生一定程度的破壞，從而影響其防滲功能。2）取水泵房安放在護岸連接段內部且與防滲墻距離較近，從而提高了施工難度而且也不易保證施工質量。3）用于取水的海底暗管長達150 m，項目投資較高，工期較長。經過比選，最終選定異型沉箱結構兼作取水口及取水泵房的方案，并對平面布置加以優(yōu)化，使其在滿足取水要求的情況下，既不影響防滲墻結構，又能降低投資、方便施工。

2 結構平面布置

一期施工期將取水泵房設于護岸連接段外側，主要有3方面原因：1）此位置距一期施工后方廠區(qū)距離較近，可縮短運水長度；2）此處遠離防滲墻，從最大程度上保證防滲墻的完整性；3）此處水深條件較好，符合取水水深的要求。取水泵房后方護岸設有1:1.5的放坡塊石，為防止塊石堵塞泵房取水口，在泵房兩側各設有1個L型擋塊。考慮到取水泵房有人員過往和運輸水泵、管件等設備的需求，故在其后方設置一條道路，使泵房與后方護岸連接段連接。取水泵房與護岸連接段的分界線為道路后側的廠區(qū)東護岸前沿線，見圖1。

圖1 臨時取水泵房平面布置

3 結構設計方案

3.1 取水泵房工作原理

一期工程的施工期取水采用三機一體的設計方案，即3臺水泵共用一座泵房。在傳統(tǒng)沉箱結構的基礎上，取水泵房主體采用4倉格田字型異形沉箱結構。將3臺水泵放置在護岸側的兩個貫通的倉格內（后倉格），海測兩個倉格（前倉格）作為取水前池區(qū)域。沉箱前墻在極端低水位下方一定高程處預留取水孔，海水通過取水孔直接進入沉箱前兩倉格，之后通過隔墻上預埋的取水管道流入放置在后倉格中的水泵內進行海水淡化處理，處理后的淡水再通過后墻預埋管道供給后方廠區(qū)。由于后倉格中放置水泵，所以為全干倉格，隔墻和后墻的預埋管道都經過密封防水處理。

3.2 異型沉箱尺寸設計

取水泵房頂面高程為7.0 m，前沿水深-4.9 m，主體為1個預制異型沉箱結構，為配合水泵及配套管道的安裝要求，沉箱外輪廓尺寸為12.3 m×12.0 m（包括前、后、左、右趾各1 m），每個倉格尺寸為4.3 m×4.4 m，前墻為500 mm，后墻為800 mm，側墻和隔墻為400 mm，高9.5 m，重約850 t。沉箱前墻在高程為-3.3 m處設2個1 m×1 m的取水孔，保證在極端低水位時也能順利取水，后倉格的隔墻設4.3 m×5.0 m的開口，使沉箱后倉格貫通，滿足安放3臺水泵等機器的空間要求。考慮在水泵工作期間可能會有少量水滲出，故在水泵基礎旁邊設計兩道坡度為3 %和1.36 %排水溝和一座集水坑，使?jié)B出的水順利排入集水坑內，并在施工期間定期對集水坑抽水，保證后方倉格的全干作業(yè)，基本實現(xiàn)一座核電廠典型取水泵房的全部功能。沉箱基床為10~100 kg塊石厚1.5 m，前方以300~500 kg塊石護底厚2.1 m。地基為中風化花崗巖。

為滿足取水泵房設備安放和人員上下進出的要求，僅在沉箱頂部安裝3塊預制蓋板作為底模覆在其中三個倉格上，在其上方分層現(xiàn)澆混凝土胸墻。在沒有安放預制蓋板的倉格后墻和側墻上方現(xiàn)澆混凝土墻至高程與胸墻頂面齊平。沉箱的內部結構見圖2~圖4。

圖2 異型沉箱內部結構平面

圖3 異型沉箱1-1斷面

圖4 異型沉箱2-2斷面

4 異型沉箱穩(wěn)定性計算

4.1 荷載組合

結合取水泵房在整體核電工程中的重要性，結構的安全等級為二級。該地區(qū)的抗震校核地震烈度為7度，其他參數(shù)取值見表1。

表1 地震設計參數(shù)

取水泵房上方均布荷載取10 kN/m2，后方道路均布荷載取60 kN/m2?？紤]使用和施工期的要求，異型沉箱穩(wěn)定性計算的載荷組合有以下幾種。

持久組合：

1）自重+土壓力+波谷吸力+泵房均載；2）自重+土壓力+波谷吸力+道路均載；

3）自重+土壓力+波谷吸力+泵房均載+道路均載；

4）自重+土壓力+波谷吸力+泵房均載；

5）自重+土壓力+波谷吸力+道路均載；

6）自重+土壓力+波谷吸力+泵房均載+道路均載。

短暫組合：

7）自重+土壓力+波谷吸力；

8）自重+波峰壓力。

地震組合：

9）自重+地震土壓力+泵房均載+水平地震慣性力；

10）自重+地震土壓力+道路均載+水平地震慣性力；

11）自重+地震土壓力+泵房均載+道路均載+水平地震慣性力。

分項系數(shù)參考港口工程相關規(guī)范[1,4]取值。

4.2 計算模型和計算結果

1）計算模型

異型沉箱穩(wěn)定性計算采用“理正重力式碼頭CAD設計系統(tǒng)”完成，由于此軟件只能計算胸墻體積規(guī)則的沉箱結構，故在計算中通過施加一個向上的集中力來抵消上方為空的倉格上胸墻的重量。按照《重力式碼頭設計與施工規(guī)范》[1]和工藝資料，對異型沉箱考慮50年一遇設計高水位，設計低水位、極端高水位和極端低水位，并與載荷組合結合進行計算。

2）計算結果

經過計算，所有組合工況下，胸墻底、主體結構底、基床底的抗傾、抗滑穩(wěn)定性驗算見表2。

表2 異型沉箱抗傾抗滑計算結果

基床最大應力為249.868 kPa，小于基床承載力設計值600 kPa。地基承載力最小抗力分分項系數(shù)10.7，大于固結快剪該強度指標的取值范圍2.0~3.0?；渤休d力和地基承載力均滿足《重力式碼頭設計與施工規(guī)范》[1]和《港口工程地基規(guī)范》[2]的要求。

5 異型沉箱內力計算

異型沉箱具有以下幾個特點：1）體積龐大；2）形狀不規(guī)則；3）后倉格全干作業(yè)導致沉箱壁受力過大；4）開孔導致結構薄弱點較多（如前墻、后墻、后倉格隔墻），因此，常規(guī)的沉箱內力計算方法不能滿足設計要求。本文計算異型沉箱的結構內力考慮采用三維有限元數(shù)值模擬方法，并使用大型通用有限元分析軟件ANSYS進行計算。

5.1 荷載組合

異型沉箱的內力計算考慮使用期和地震，其載荷組合有以下幾種。

承載能力極限狀態(tài)：

1）自重+土壓力+靜止水壓力+使用期均載+波峰壓力；

2）自重+土壓力+靜止水壓力+使用期均載+波谷吸力。

承載能力地震狀態(tài)：

3）自重+靜止水壓力+使用期均載+地震荷載。

正常使用極限狀態(tài)：

4）自重+土壓力+靜止水壓力+使用期均載 +波峰壓力；

5）自重+土壓力+靜止水壓力+使用期均載+波谷吸力。

分項系數(shù)參考港口工程的相關規(guī)范[3,4]。

5.2 計算模型和計算結果

1）有限元模型

異型沉箱結構采用C40混凝土，其物理力學指標為：密度ρ=25 kN/m3，彈性模量EC=3.25×107kPa，泊松比μ=0.2。

通過有限元計算軟件ANSYS11.0建立異型沉箱空間有限元計算模型。SHELL43單元適合模擬線性、彎曲及適當厚度的殼體結構，平面內兩個方向的形狀變化都是線性的，本文模型采用SHELL43單元模擬沉箱面板。COMBIN39單元是一個具有非線性功能的單向單元，可對此單元輸入廣義的力－變形曲線。本文模型采用COMBIN39單元模擬沉箱與地基的相互作用。地基基床系數(shù)可以用原位測試、理論公式等方法確定，本工程的地基為中風化花崗巖，根據規(guī)范[5]取得地基基床系數(shù)經驗值為300 000 kN/m3。異型沉箱有限元計算模型見圖5。

圖5 異型沉箱有限元計算模型

2）計算結果

通過計算得到沉箱不同工況下各位置處內力最大值。結果顯示，內力最大值出現(xiàn)在極端高水位承載能力極限狀況下的沉箱后墻，彎矩為357.562 (kN·m)/m，剪力為803 kN/m，此工況下后墻內力最大值見圖6。由圖可知，最大彎矩發(fā)生在后墻無隔墻支承處，此處受靜水壓力和土壓力的作用，并且支承薄弱，根據結構力學分析可知內力分布規(guī)律合理。類似方法及步驟，可得到臨時取水泵房所有構件的危險內力及其發(fā)生工況，根據內力情況即可進行沉箱的設計和配筋。

圖6 后墻豎向彎矩

6 經濟對比分析

采用異型沉箱結構的臨時取水泵房工程造價為454.5萬元，傳統(tǒng)的取水泵房加海底暗管的取水方案總投資約為875萬元。

綜上所述，以異型沉箱結構作為臨時取水泵房在造價上有相當明顯的優(yōu)勢，通過采用這種異型沉箱結構可實現(xiàn)投資效益最大化，對核電廠整體工程的科學決策具有重要的意義。

7 結 論

異型沉箱結構作為核電廠施工期的臨時取水泵房，可以兼做取水口和泵房，相比于傳統(tǒng)常規(guī)的取水泵房加海底暗管的取水方案，具有空間利用率高、項目投資低、施工期短等優(yōu)點，能夠更好地滿足核電業(yè)主對于核電廠取水泵房的要求。本文以某核電廠臨時取水泵房構筑物的設計為例，依據港口工程的有關規(guī)范，總結提煉，形成了指導相似工程結構設計和計算方法的基本框架，在濱海核電廠海工工程項目中具有良好的指導意義和推廣前景。

參考文獻：

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[3] JTS151-2011水運工程混凝土結構設計規(guī)范[S].

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[6] 尚曉江，邱峰，趙海峰. ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用[M]. 中國水利水電出版社，2008: 69-92.

Study on Application of Irregular Caisson in Temporary Water-intake Facilities of Nuclear Power Plant

Liu Yi，Yu Mei
（CCCC-FHDI Engineering Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510230, China）

Abstract:To meet freshwater-intake requirement for the coastal nuclear power plant, based on the traditional caisson structure, an irregular caisson structure has been designed to be the temporary water-intake facilities of the nuclear power plant during the construction period. And the key points on plane and structural layout are summarized for the design of water-intake facilities of nuclear power plant. According to relevant port engineering codes, soil pressure, wave force and the variable mean load have been combined at random to calculate the stability and internal force of this irregular caisson structure. It is proved from the aspects of layout, calculation and project cost that the irregular caisson structure may work as the temporary water-intake facilities of the coastal nuclear power plant. The plane layout and calculation method of irregular caisson will provide a reference for similar projects.

Key words:nuclear power plant; irregular caisson; temporary water facilities

作者簡介：劉毅（1987-），女，助理工程師，主要從事港口工程結構設計工作。

收稿日期：2015-09-07

DOI:10.16403/j.cnki.ggjs20160111

中圖分類號：U656.2+2

文獻標識碼：A

文章編號：1004-9592（2016）01-0048-04