核電廠主廠房基坑降水分析與設(shè)計

李寶寧

(中國中原對外工程有限公司,北京 100044)

核電廠機型為“華龍一號”，廠址坐落在Punjab平原ThalDoab沙丘，地基是由細、中沙形成的沖積層，厚度超過200 m。距離主廠房東北方向約1 km處是寬150 m、深4 m的CJ-Link 和Zndus River。機組基礎(chǔ)位于地下水位以下4.5 m。由此可見機組基礎(chǔ)坐落在地下水位以下的中等透水地基之上，這也是該核電項目的特點及施工難點。

機組的主廠房筏基長238 m、寬157 m、地下水位以下4.5 m，基坑降水規(guī)模(降水面積、井點數(shù)量、降水量等)較該區(qū)域以往項目明顯擴大。核島和常規(guī)島降水屬于異性區(qū)域降水，加大了機組基坑降水的設(shè)計及施工難度。

本文根據(jù)廠址的地質(zhì)水文條件，結(jié)合該區(qū)域以往機組基坑降水經(jīng)驗，對機組基坑降水進行分析、策劃、設(shè)計，并對降水方案進行數(shù)值模擬驗證，為后續(xù)主廠房的基坑開挖與降水施工提供技術(shù)支持，以及合同價格測算支持。

1 主廠房基坑降水分析

1.1 開挖與降水的關(guān)系

機組廠址標高為：+200.2 m，基礎(chǔ)底標高為：+187.2 m，地下水標高為：+191.5 m，降水與開挖需穿插施工、統(tǒng)籌考慮。為滿足現(xiàn)場材料運輸通道設(shè)置及基坑邊坡安全要求，并考慮盡量縮小降水區(qū)域、減少降水井點數(shù)量，采用分兩期開挖的方式進行開挖。

第一期基坑開挖工程分為二個施工階段進行，土方開挖與降水井點施工互相配合交叉作業(yè)，井點降水影響區(qū)域在降水滿足開挖要求后再進行開挖施工。

1.2 聯(lián)合降水分析

本文通過計算核島降水引起的常規(guī)島地基區(qū)域的不均勻沉降來判斷是否存在聯(lián)合降水的必要性。

1.2.1 計算模型與參數(shù)的選取

地基上部荷載：地基上部荷載為筏板基礎(chǔ)的對地壓力，故為：P0=75 t/m3。

土地壓縮模量：根據(jù)規(guī)范Es=20 MPa，隨壓力越大，壓縮模量變大：Esi=(20+i)MPa。

1.2.2 不均勻沉降差的計算

圖1 核島筏基地基地下水抽水影響的應(yīng)力差計算簡圖Fig.1 Stress difference calculation of Nuclear Island foundation

式中：εi、Hi、ΔPi、Esi分別為第i分層土的壓縮應(yīng)變、土的厚度(取1)、壓力差、壓縮模量；n=分層數(shù)。由于筏基地板寬度約50 m，根據(jù)彈性力學(xué)計算，取n=50為影響應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的計算范圍。計算得到不均勻沉降差為：S=0.69 cm。

1.2.3 聯(lián)合降水方案的判斷

根據(jù)《壓水堆核電廠核安全有關(guān)廠房地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中要求，建筑物廠房的整體傾斜度不超過1/1200。核島長度為119.2 m，9.93 cm>S=0.69 cm，采用分部降水的形式產(chǎn)生的不均勻沉降不會超過規(guī)范要求。由于核島開挖降水施工周期較長(約1～2年)，建議盡量采用核島與常規(guī)島聯(lián)合降水布置的方式進行基坑降水施工。

1.3 異形群井效應(yīng)分析

由于機組核島、常規(guī)島筏板基礎(chǔ)的聯(lián)合降水區(qū)域為異形群井區(qū)域，規(guī)范中參數(shù)h、S、r0、hm等取值無法準確確定，涌水量將無法計算。針對上述問題，本文分析異形群井效應(yīng)的影響，獲得能夠適用于機組異形群井降水的計算方法。

1.3.1 群井效應(yīng)分析

在四周存在補給水的狀態(tài)下，飽和土體中的單個井點降水形成的降水水位線為對稱漏斗形。群井情況下，單井外側(cè)仍能夠形成漏斗形狀；但內(nèi)側(cè)無法形成對稱的漏斗形狀。

相關(guān)研究表明：群井效應(yīng)下井點內(nèi)側(cè)的降水深度是非群井狀態(tài)下降水深度的幾倍甚至幾十倍[1]，主廠房周圍設(shè)置成排井點組成群井，而且降水區(qū)域中心為降水深度最淺的點。機組主廠房的降水的水源來自于運河，井點布置中，北/東側(cè)應(yīng)較南/西側(cè)密集。

1.3.2 異形區(qū)域分析

核島、常規(guī)島的降水區(qū)域為雙軸對稱的矩形，可以簡化為垂直于橫軸、縱軸的二維的降水平面[2]，根據(jù)群井效應(yīng)分析，在核島與常規(guī)島連接處，處在二維降水平面內(nèi)，因此可以通過分別單獨計算核島和常規(guī)島涌水量，加和后作為總涌水量。數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 整排井形成的降水剖面圖Fig.2 Dewatering profile formed by whole row of wells

1.4 降水對周圍建筑物的影響

基坑降水對周圍建筑的影響主要體現(xiàn)在對周圍建筑物不均勻沉降的影響。常規(guī)島降水引起的核島筏板基礎(chǔ)的不均勻沉降僅為0.69 cm，滿足規(guī)范要求，且降水對周圍建筑物不均勻沉降的影響會隨與建筑物的距離增大而減小，故定性分析降水對周圍建筑物影響不予考慮。

2 主廠房基坑降水設(shè)計

2.1 基坑開挖設(shè)計

根據(jù)上述基坑開挖與降水的關(guān)系分析，設(shè)計開挖圖如圖3所示。

圖3 核島開挖圖Fig.3 Excavation of the nuclear island

第一期開挖至+193.2 m(-9.5 m)，開挖底標高為地下水位以上1.7 m，該標高設(shè)置施工環(huán)形通道，由于挖機能力局限性，該期開挖分三層完成。第二期開挖至-16.4 m，該期開挖底標高位于地下水位以下。第二期開挖分為四層，每層分別開挖至-10.7 m、-11.9 m、-14.6 m、-16.4 m。環(huán)形通道設(shè)置在+193.5 m，考慮施工運輸和材料堆放的要求，環(huán)形通道寬度設(shè)置為9 m，在環(huán)形通道的內(nèi)邊緣設(shè)置降水井點，既能夠充分利用環(huán)形通道的工作面，又能夠盡最大限度縮小降水范圍，減少降水成本。

鑒于在以往項目核島基坑開挖放坡的可行性，采用1∶1.5的放坡比例，放坡開挖完成后，在坡面敷設(shè)紅磚進行護坡，此放坡方式能夠在滿足要求的情況下極大地減少成本。通過計算得到主廠房開挖總土方量為41萬立方米。

2.2 井點降水的策劃

2.2.1 降水類型選取

通常情況下，基坑降水方法主要有：明溝加集水井降水、噴射井點降水、電滲井點降水、井管井點降水、輕型井點降水、深井井點降水等。

其中深井井點降水適用于土層滲透系數(shù)為10～250 m/d、降低水位深度可大于15 m。該降水方法適用于現(xiàn)場的地質(zhì)條件，主廠房基坑降水選用深井井點降水的方法。

2.2.2 以往項目的降水經(jīng)驗

滲透系數(shù)：根據(jù)以往機組降水觀測井實驗以及現(xiàn)場實踐，滲透系數(shù)取值為89.42 m/d。

井點間距：由于基坑?xùn)|/北側(cè)靠近補給水源，東/北側(cè)：西/南側(cè)間距比值為1∶1.5。

井點檢修備用比例：降水過程中，存在抽水電機發(fā)熱、抽水水泵檢修等無法預(yù)計的故障，為避免降水后地下水回流，檢修備用率為20%。

基坑降水動水位：根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，基坑降水動水位需在施工底標高以下0.5～1 m，由于核電施工的特殊性，計算時取地下水位降至基坑設(shè)計標高下1.5～2 m。

潛水泵型號：根據(jù)以往項目經(jīng)驗，選用抽水能力為210 m3/h 的潛水泵。

2.3 深井井點降水涌水量計算

井點降水的涌水量與井點的布置有關(guān)，經(jīng)過上文的分析，涌水量由核島區(qū)域和常規(guī)島區(qū)域分別計算提供。首先通過規(guī)范中給出的規(guī)則區(qū)域井點降水涌水量公式得到核島區(qū)域和常規(guī)島區(qū)域的涌水量，得到總涌水量；再通過涌水量總和及單井允許抽水能力確定井點數(shù)量、井點間距，布置降水井點；最后確定降水井點的設(shè)計、施工參數(shù)。

2.3.1 核島、常規(guī)島涌水量計算

經(jīng)上述分析，使用《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》JGJ120的附錄F第F.0.2條提供的基坑涌水量公式進行核島涌水量計算，公式如下：

核島區(qū)域總涌水量：127 267 m3/d。同理，常規(guī)島區(qū)域總涌水量：114 861 m3/d。

2.3.2 機組主廠房基坑降水總涌水量

主廠房井點降水總涌水量為核島、常規(guī)島涌水量之和，即242 128 m3/d。

2.4 單井允許進水能力計算

在降水時，地下水通過井管進入降水井內(nèi)，受管段長度的限制，最大允許進水能力：

2.5 井點個數(shù)計算

通過單井允許進水能力選擇井點個數(shù)：n1=Q/q=28。

按照井的進水能力計算得，最少需28口井，流量應(yīng)小于8 963.98 m3/d，選用210 m3/h的潛水泵(揚程42 m、功率37 kW、涌水量5040 m3/d)。

n=Q/q=242 128/5040=49，考慮20%的檢修需要，至少配備59口井。

2.6 井點間距計算

井點平均間距為14.7 m。核島北側(cè)間距為12 m，核島西側(cè)/南測為18 m。常規(guī)島東側(cè)/北側(cè)間距為10 m，南側(cè)間距為16 m。

2.7 機組主廠房聯(lián)合降水井點布置圖

機組主廠房聯(lián)合降水井點布置圖見圖4。

圖4 機組降水井點布置圖Fig.4 Layout of dewatering well points注:共59口井，核島周圍33口；常規(guī)島周圍26口。

2.8 井點參數(shù)計算

核島周圍共33口井的參數(shù)：1.5 m沉砂管+15.2 m濾管+0.3 m大小頭=17 m，潛水泵在大小頭上方4 m，潛水泵在穩(wěn)定動水位下4 m，則井底到動水位的距離： 25 m，井內(nèi)動水位標高為：+179.0 m，降水深度12.3 m，環(huán)形通道的標高為-9.5 m，井底標高為+154.0 m，井深： 40 m(井深度)。井口直徑：0.7 m，井管直徑：0.45 m，井管長度：23 m。同理，常規(guī)島26口井參數(shù)：井深：37 m。井口直徑：0.7 m，井管直徑：0.45 m，井管長度：37-17=20 m。

3 機組主廠房基坑降水方案驗證

為驗證設(shè)計方案的可行性，采用數(shù)值模擬的方法進行模擬驗證。本文使用工程常用的流固耦合計算軟件ABAQUS進行有限元分析[3]。

3.1 機組主廠房基坑降水數(shù)值模擬模型建立

3.1.1 計算模型簡化分析

考慮到計算機配置局限，并通過1.3.1和1.3.2中的分析，將核島、常規(guī)島的基坑群井降水簡化為過基坑中心斷面的二維降水模型。分析模型簡圖及數(shù)值分析模型如圖5所示。

圖5 核島典型降水斷面分析模型Fig.5 The analysis model for the typical dewatering section of the nuclear island

3.1.2 模型的建立

輸入井點降水深度、井點間距、井點口徑等數(shù)據(jù)，建立數(shù)值模擬圖如圖6所示。

圖6 數(shù)值模擬模型Fig.6 The Nnumerical simulation model

3.2 機組主廠房基坑降水數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.2.1 核島數(shù)值模擬結(jié)果

選用勘察報告及以往項目降水經(jīng)驗輸入計算參數(shù)，得到核島廠房典型斷面基坑降水滲流圖,如圖7、圖8所示。

圖7 核島降水斷面降水滲流圖 Fig.7 The precipitation seepage of nuclear island dewatering section

圖8 常規(guī)島降水斷面降水滲流圖Fig.8 The precipitation seepage of conventional island dewatering section

如圖7、圖8所示，左上角為空隙水壓力的等級圖。從數(shù)據(jù)看出，藍色為孔隙水壓力為0的部分，該部分土體在地下水位以上；從藍色到紅色的過度(分為1～15色段)，孔隙水壓力逐漸增大，色段右側(cè)的數(shù)值為孔隙水壓力的計算值。

3.2.2 核島、常規(guī)島數(shù)值模擬結(jié)果分析

從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，在基坑內(nèi)部，越靠近降水井，地下水位越低，基坑中心為降水深度最淺的位置。1號色段與2號色段的交界處水利坡度為0，交界處地下水位降水線。通過模型截面尺寸如圖9、圖10所示，進行切割可以看到基坑降水地下水位線以下6.5 m(+185 m)，而核島筏板基礎(chǔ)的底標高為+187.2 m，基坑降水在基坑標高下2.2 m>2 m，滿足施工要求；常規(guī)島基坑降水在基坑標高下2.7 m>2 m，滿足施工要求。

圖9 核島基坑中心降水標高截面圖Fig.9 The cross-section of the dewatering elevation in the center of the foundation pit of the nuclear island

圖10 常規(guī)島基坑中心降水標高截面圖Fig.10 The cross-section of the dewatering elevation in the center of the foundation pit of the conventional island

4 結(jié)論

本文根據(jù)廠址的地質(zhì)水文資料，結(jié)合以往核電項目基坑降水的經(jīng)驗，分析計算得到機組主廠房基坑降水設(shè)計方案，確定了井點個數(shù)、井點間距、井點布置、涌水量、井點施工參數(shù)等。本文還通過數(shù)值模擬的方法，對降水方案進行數(shù)值模擬驗證，驗證結(jié)果顯示設(shè)計方案能滿足現(xiàn)場施工。同時通過水位降深看出，該方案的布置方法產(chǎn)生的基坑降深接近預(yù)設(shè)降深，從經(jīng)濟角度分析能使得降水費用得到優(yōu)化，為后續(xù)主廠房的基坑開挖與降水施工提供技術(shù)支持，以及合同價格測算支持。