探討核電廠設計基準雪荷載的選取

耿小爽 李鳳菊 王曉亮 鄭 偉

（中國核電工程有限公司，北京100840）

0 引言

日本福島核電站事故后，核電廠的外部事件風險受到人們廣泛重視。在國際原子能機構（IAEA）發(fā)布的《核設施廠址評價》[1]中也加強了對廠址外部事件的識別、篩選和評價的要求，要求根據(jù)外部事件對核設施安全的重要性，對其設計基準進行評價或再分析。

中國核電廠外部自然事件評價中多關注與核安全相關的設計基準風速，對極端積雪的關注相對較少。核安全導則[2]指出，“在研究設計基準積雪時，應當考慮并入積雪的降雨的附加重量，即設計基準積雪的水當量重量要加上低超越概率降雨的重量。例如，可把冬季48 h可能的最大降水量加入積雪中去”。雖然GB 50009-2012《建筑結構載荷規(guī)范》[3]中給出了國內(nèi)各地區(qū)的雪壓推薦值，但未考慮核安全領域關注的冬季降水，因此并不適用于核電廠。

中國幅員遼闊，大陸岸線緯度跨度達22°，南北海岸線氣候特征不同，積雪和冬季降水情況差異較大。

本文選取兩個不同氣候區(qū)的廠址作為研究廠址，采用不同的分布函數(shù)進行設計基準雪荷載的計算和分析。

1 計算過程

1號廠址屬于溫帶大陸性季風氣候，2號廠址屬于亞熱帶季風氣候。選取兩廠址代表性氣象站1957—2018年的歷年最大積雪深度和冬季48 h最大降水量資料，分別采用耿貝爾分布和皮爾森III型分布（P-III分布）進行極值擬合，給出百年一遇估算值。

1.1 分布函數(shù)

耿貝爾分布的概率密度函數(shù)和分布函數(shù)分別為：

式中，a為尺度參數(shù)，b為分布密度的眾數(shù)。

P-III分布[4]的概率密度函數(shù)和分布函數(shù)分別見公式（4）、（5）：

式中，α、β和α0分別為形狀參數(shù)、尺度參數(shù)和位置參數(shù)，Γ（α）為α的Γ函數(shù)。

1.2 設計基準雪荷載

積雪對構筑物產(chǎn)生的荷載取決于雪的厚度和堆積密度，通常用雪壓表示[3]。見公式（6）：

式中，S為雪壓kN/m2；H為積雪深度m；ρ為積雪密度t/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

2 結果分析

由圖1和表1可見，兩廠址對不同分布函數(shù)的適宜性不同。以極端積雪為例進行分析，1號廠址耿貝爾分布的擬合效果較好，其百年一遇極端積雪深度估算值也更保守；2號廠址P-III分布的擬合效果相對較好，而耿貝爾擬合曲線出現(xiàn)偏離數(shù)據(jù)的情形，是由于本廠址無降雪年份較多（計算樣本中占40%），即序列中0 cm樣本較多。此外，兩種分布函數(shù)的百年一遇估算值均未包括歷史實測極值（42 cm），在擬合圖中表現(xiàn)為偏離擬合曲線的極值點。在實際工程中，從安全角度考慮，一般選擇偏保守的擬合結果進行后續(xù)的設計基準計算。

圖1 各廠址不同分布函數(shù)的擬合曲線（以極端積雪為例）

2號廠址有雪年份的數(shù)據(jù)樣本中有3個年份的積雪深度在10~20 cm，1個年份在40 cm以上，其余年份均小于10 cm，由此可見，本廠址區(qū)域可能會出現(xiàn)較深的積雪但概率不大。進一步結合2號廠址實際氣候特征（見圖2所示）進行分析，該地區(qū)冬季積雪情況不穩(wěn)定，有些年份整個冬季都不會出現(xiàn)降雪，但當某一年發(fā)生寒潮天氣時，遇到較多的水汽和較低的氣溫，會降大雪，造成較深的積雪或者雪災。因此，本文中選擇2號廠址的歷史極值進行后續(xù)的設計基準計算。

圖2 兩廠址積雪深度和冬季48 h最大降水量歷年變化趨勢

按照同樣的方法計算百年一遇冬季48 h最大降水量（見表1），與百年一遇極端積雪深度疊加后得到兩廠址百年一遇設計基準雪荷載，結果見表2。可見，疊加冬季降水后，兩廠址的設計基準雪荷載比僅考慮積雪的結果大2~3倍，說明考慮冬季降水影響的設計基準雪荷載具有足夠的保守性。

表1 各廠址不同分布函數(shù)的百年一遇估算值

表2 各廠址百年一遇設計基準雪荷載單位：kN/m2

3 結論

（1）當積雪深度的數(shù)據(jù)樣本較少時，耿貝爾分布的擬合效果較差。因此，在確定核電廠設計基準雪荷載時，建議采用多種分布函數(shù)進行極值擬合。

（2）從安全角度出發(fā)，應取偏保守的擬合結果進行后續(xù)的設計基準評價。當擬合結果未包括歷史極值時，建議結合該地區(qū)的實際氣候特征開展具體分析，避免在將來可能會出現(xiàn)超設計基準事件，對核電廠的安全運行帶來影響。