某核電廠取水攔污設施波浪力試驗研究

黃宣軍，郭朝禹，孫運佳，張先波

1　概述

近年來，國內多個在運核電機組相繼出現了水草、垃圾、海生物等污染物堵塞攔污網的事件，不僅嚴重影響了電站的取水安全，也對取水攔污設施的結構安全構成危害。

本文通過某核電廠取水攔污設施波浪物理模型試驗，對取水明渠口門處攔污網的結構受力進行測試和研究，包括不同攔污網堵塞率條件下攔污網主纜繩拉力及高樁承臺波浪力等參數，為類似取水攔污設施的結構設計與選型提供參照與指導。

2　攔污網平面布置方案

本次研究攔污設施位于取水口門處，攔污網軸線呈“一字形”布置，詳見圖1。在兩側的防波堤堤頭和岸上分別設置混凝土錨塊M1和M2，錨塊之間每隔35 m布置1座三樁承臺Y1—Y5，靠近岸邊設置2座九樁承臺Y6—Y7，2座九樁承臺之間設置間距30 m的過船口。

圖1　“一字形”攔污網布置形式Fig.1　The trash blocking net with in-line layout

攔污網由主纜繩、一級網片和二級網片組成，攔污網平面結構如圖2所示。主纜繩采用φ40 mm迪尼瑪纜繩；一級網片采用φ20 mm迪尼瑪纜繩，并通過錨環與高樁承臺連接；二級網片為50 mm×50 mm的合金網片，直接懸掛在一級網片上，便于拆卸和更換。

圖2　攔污網平面結構圖Fig.2　Plane structurediagram of trash blocking net

3　試驗方法

1）模型比尺：試驗模型按JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規程》等規范[1-3]的要求進行設計，模型比尺為1∶40。

2）攔污網模擬：理論上對于攔污網的模擬應滿足幾何相似、阻力相似、重力相似和彈性相似。試驗過程中，經過模型比尺縮放后的網片直徑往往很小，很難找到合適的試驗材料。根據已有的研究成果[4-6]，對于攔污網的模擬首先要滿足阻力相似。

根據NBT 25002—2011《核電廠海工構筑物設計規范》規定，作用在網片上的水阻力常用莫里森公式，即

式中：F為網片對水流的阻力；Cd為水阻力系數；A為網線在垂直水流方向的投影面積；ρ為水體密度；u為水流速度。從式中可以看出，網片的阻水特性和網線在垂直水流方向的投影面積A（或網線直徑與目腳長度的比值）有關。故試驗過程中，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，dm為原型和模型網線的直徑；ap，am為原型和模型網線的目腳長度（網孔大?。Ｒ虼?，當模型與原型中的雷諾數處于阻力平方區，只要保證原型和模型的投影面積（網片透水率）相似，即可保證模型網片與原型網片的動力條件相似。

采用阻力相似的網片模型與理論計算的網片模型在重量上有所差異，因此試驗過程中對網片模型的重量進行修正調整，以此滿足網片的重量相似。

3）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-伸長曲線按《波浪模型試驗規程》給出的公式進行計算。

4）試驗設備及儀器：試驗在60 m×40 m×1 m的大型水池中進行，測量儀器包括智能數據采集儀、波高傳感器、拉力傳感器、總力儀、小威龍流速儀等。

4　試驗結果

物理模型試驗重點研究了設計水位條件下，攔污網堵塞率10%、20%、30%和50%的工況。包括以下3種工況：

1）單純取水流量工況

圖3給出了單純取水流量工況下，設計水位、不同取水流量和不同堵塞率條件下各高樁承臺間攔污網主纜繩的最大拉力，取水量200 m3/s時，堵塞率10%～50%時的主纜繩最大拉力為170～270 kN。

圖3　單純取水工況下主纜繩的最大拉力Fig.3　The maximum tension of the cable on simple water intaking condition

2）單純波浪作用工況

圖4給出了在設計水位4.41 m，100 a一遇波浪[7]H13%=6.11 m、T =11.2 s的單純波浪作用下，不同堵塞率條件下各高樁承臺間攔污網主纜繩的最大拉力以及各高樁承臺受到的最大水平波浪力和浮托力。

圖4　單純波浪工況下試驗結果Fig.4　Test resultsof the simple wave condition

隨著堵塞率的增大，各區段主纜繩的最大拉力也明顯增大，特別是由于兩側的地形變化，波浪在堤頭和岸邊發生破碎，波浪破碎后形成的沖擊水流對兩側的攔污設施結構有較大的沖擊作用，因此兩側區段主纜繩的最大拉力要大一些，以及兩側的高樁承臺受到的波浪水平力也相對較大。對于波浪浮托力，三樁承臺Y1—Y5相差不大，最大波浪浮托力約1 700 kN；九樁承臺Y6—Y7由于承臺面積大，浮托力也大。

3）取水流量+波浪聯合作用工況

圖5給出了在設計水位為4.41 m，取水流量為200 m3/s以及100 a一遇波浪H13%=6.11 m、T=11.2 s聯合作用下，不同堵塞率條件下各高樁承臺間攔污網主纜繩的最大拉力以及各高樁承臺受到的最大水平波浪力和浮托力。

圖5　取水流量和波浪聯合作用試驗結果Fig.5　Test resultsof combined action of water intake and wave

從試驗數據可以看出，取水流量對攔污設施結構受力的影響很小，攔污設施結構受力主要受控于波浪。各高樁承臺的聯合作用工況波浪力與單純波浪作用時的總體規律一致。由于波浪在攔污網兩側的防波堤堤頭和岸邊發生破碎，波浪破碎后形成的沖擊水流對兩側的攔污設施結構有較大的沖擊作用，因此水平力較大。

隨著攔污網的堵塞率增大，攔污設施結構的受力明顯增大，當堵塞率達到30%時，攔污網主纜繩的拉力已超過纜繩的設計破斷力，通過試驗建議主纜繩的直徑增大至48 mm或52 mm。

5　結語

為保證核電廠的取水安全，考慮到高堵塞率情況下，一方面口門處取水流速過大導致底床不穩，另一方面攔污網結構受力較大，結合本次取水攔污設施波浪物理模型試驗研究成果，建議現場加強對水下攔污網堵塞情況的監視，并及時清理污染物，建議堵塞率不要超過20%。

另外，在以波浪為控制因素的攔污設施結構設計中，重點關注波浪破碎后的沖擊流對攔污設施結構受力的影響，必要時應采用相關模型試驗進行測試。

參考文獻：

[1]JTJ/T 234—2001，波浪模型試驗規程[S].JTJ/T 234—2001,Wavemodel test regulation[S].

[2]JTS165—2013，海港總體設計規范[S].JTS165—2013,Overall design codefor seaports[S].

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[6] 李玉成，桂福坤，張懷慧，等.深水養殖網箱試驗中網衣相似準則的應用[J].中國水產科學，2005（2）：179-187.LI Yu-cheng,CUIFu-kun,ZHANG Huai-hui,et al.Simulation criteria of fishing nets in aquiculture sea cage experiments[J].Journal of Fishery Sciencesof China,2005(2):179-187.

[7] 某核電廠波浪場推算數學模型試驗報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2007.Numerical wave calculation test report of one nuclear power plant[R].Tianjin:CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2007.