异型沉箱结构在核电厂临时取水设施中的应用研究

刘 毅，于 梅

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）



异型沉箱结构在核电厂临时取水设施中的应用研究

刘 毅，于 梅

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

摘要：针对滨海核电厂施工期对于淡水的取水需求，基于港工传统的沉箱结构，设计了一座异型沉箱结构作为某核电厂施工期的临时取水设施，总结了核电厂取水设施设计中应考虑的平面和结构布置要点。以港口工程相关规范为基础，对土压力、波浪力和可变均载等荷载进行组合，计算异型沉箱的稳定性和结构内力。从布置、计算和造价三方面表明以异型沉箱结构作为滨海核电厂的临时取水设施是可行的。本文提出的异型沉箱结构的布置和计算方法，可以为类似工程提供借鉴。

关键词：核电厂；异型沉箱；临时取水设施

1 工程概况

某滨海核电厂规划建设6台百万千瓦级压水堆核电机组，一期建设2台。一期施工期起初拟采用取水泵房加海底暗管的取水方案，但是通过进一步分析可以发现这种传统的取水方法在本项目中有以下缺点：1）泵房安放的位置附近设有防渗墙，海底暗管穿过防渗墙取水可能会对其结构产生一定程度的破坏，从而影响其防渗功能。2）取水泵房安放在护岸连接段内部且与防渗墙距离较近，从而提高了施工难度而且也不易保证施工质量。3）用于取水的海底暗管长达150 m，项目投资较高，工期较长。经过比选，最终选定异型沉箱结构兼作取水口及取水泵房的方案，并对平面布置加以优化，使其在满足取水要求的情况下，既不影响防渗墙结构，又能降低投资、方便施工。

2 结构平面布置

一期施工期将取水泵房设于护岸连接段外侧，主要有3方面原因：1）此位置距一期施工后方厂区距离较近，可缩短运水长度；2）此处远离防渗墙，从最大程度上保证防渗墙的完整性；3）此处水深条件较好，符合取水水深的要求。取水泵房后方护岸设有1:1.5的放坡块石，为防止块石堵塞泵房取水口，在泵房两侧各设有1个L型挡块。考虑到取水泵房有人员过往和运输水泵、管件等设备的需求，故在其后方设置一条道路，使泵房与后方护岸连接段连接。取水泵房与护岸连接段的分界线为道路后侧的厂区东护岸前沿线，见图1。

图1 临时取水泵房平面布置

3 结构设计方案

3.1 取水泵房工作原理

一期工程的施工期取水采用三机一体的设计方案，即3台水泵共用一座泵房。在传统沉箱结构的基础上，取水泵房主体采用4仓格田字型异形沉箱结构。将3台水泵放置在护岸侧的两个贯通的仓格内（后仓格），海测两个仓格（前仓格）作为取水前池区域。沉箱前墙在极端低水位下方一定高程处预留取水孔，海水通过取水孔直接进入沉箱前两仓格，之后通过隔墙上预埋的取水管道流入放置在后仓格中的水泵内进行海水淡化处理，处理后的淡水再通过后墙预埋管道供给后方厂区。由于后仓格中放置水泵，所以为全干仓格，隔墙和后墙的预埋管道都经过密封防水处理。

3.2 异型沉箱尺寸设计

取水泵房顶面高程为7.0 m，前沿水深-4.9 m，主体为1个预制异型沉箱结构，为配合水泵及配套管道的安装要求，沉箱外轮廓尺寸为12.3 m×12.0 m（包括前、后、左、右趾各1 m），每个仓格尺寸为4.3 m×4.4 m，前墙为500 mm，后墙为800 mm，侧墙和隔墙为400 mm，高9.5 m，重约850 t。沉箱前墙在高程为-3.3 m处设2个1 m×1 m的取水孔，保证在极端低水位时也能顺利取水，后仓格的隔墙设4.3 m×5.0 m的开口，使沉箱后仓格贯通，满足安放3台水泵等机器的空间要求。考虑在水泵工作期间可能会有少量水渗出，故在水泵基础旁边设计两道坡度为3 %和1.36 %排水沟和一座集水坑，使渗出的水顺利排入集水坑内，并在施工期间定期对集水坑抽水，保证后方仓格的全干作业，基本实现一座核电厂典型取水泵房的全部功能。沉箱基床为10~100 kg块石厚1.5 m，前方以300~500 kg块石护底厚2.1 m。地基为中风化花岗岩。

为满足取水泵房设备安放和人员上下进出的要求，仅在沉箱顶部安装3块预制盖板作为底模覆在其中三个仓格上，在其上方分层现浇混凝土胸墙。在没有安放预制盖板的仓格后墙和侧墙上方现浇混凝土墙至高程与胸墙顶面齐平。沉箱的内部结构见图2~图4。

图2 异型沉箱内部结构平面

图3 异型沉箱1-1断面

图4 异型沉箱2-2断面

4 异型沉箱稳定性计算

4.1 荷载组合

结合取水泵房在整体核电工程中的重要性，结构的安全等级为二级。该地区的抗震校核地震烈度为7度，其他参数取值见表1。

表1 地震设计参数

取水泵房上方均布荷载取10 kN/m2，后方道路均布荷载取60 kN/m2。考虑使用和施工期的要求，异型沉箱稳定性计算的载荷组合有以下几种。

持久组合：

1）自重+土压力+波谷吸力+泵房均载；2）自重+土压力+波谷吸力+道路均载；

3）自重+土压力+波谷吸力+泵房均载+道路均载；

4）自重+土压力+波谷吸力+泵房均载；

5）自重+土压力+波谷吸力+道路均载；

6）自重+土压力+波谷吸力+泵房均载+道路均载。

短暂组合：

7）自重+土压力+波谷吸力；

8）自重+波峰压力。

地震组合：

9）自重+地震土压力+泵房均载+水平地震惯性力；

10）自重+地震土压力+道路均载+水平地震惯性力；

11）自重+地震土压力+泵房均载+道路均载+水平地震惯性力。

分项系数参考港口工程相关规范[1,4]取值。

4.2 计算模型和计算结果

1）计算模型

异型沉箱稳定性计算采用“理正重力式码头CAD设计系统”完成，由于此软件只能计算胸墙体积规则的沉箱结构，故在计算中通过施加一个向上的集中力来抵消上方为空的仓格上胸墙的重量。按照《重力式码头设计与施工规范》[1]和工艺资料，对异型沉箱考虑50年一遇设计高水位，设计低水位、极端高水位和极端低水位，并与载荷组合结合进行计算。

2）计算结果

经过计算，所有组合工况下，胸墙底、主体结构底、基床底的抗倾、抗滑稳定性验算见表2。

表2 异型沉箱抗倾抗滑计算结果

基床最大应力为249.868 kPa，小于基床承载力设计值600 kPa。地基承载力最小抗力分分项系数10.7，大于固结快剪该强度指标的取值范围2.0~3.0。基床承载力和地基承载力均满足《重力式码头设计与施工规范》[1]和《港口工程地基规范》[2]的要求。

5 异型沉箱内力计算

异型沉箱具有以下几个特点：1）体积庞大；2）形状不规则；3）后仓格全干作业导致沉箱壁受力过大；4）开孔导致结构薄弱点较多（如前墙、后墙、后仓格隔墙），因此，常规的沉箱内力计算方法不能满足设计要求。本文计算异型沉箱的结构内力考虑采用三维有限元数值模拟方法，并使用大型通用有限元分析软件ANSYS进行计算。

5.1 荷载组合

异型沉箱的内力计算考虑使用期和地震，其载荷组合有以下几种。

承载能力极限状态：

1）自重+土压力+静止水压力+使用期均载+波峰压力；

2）自重+土压力+静止水压力+使用期均载+波谷吸力。

承载能力地震状态：

3）自重+静止水压力+使用期均载+地震荷载。

正常使用极限状态：

4）自重+土压力+静止水压力+使用期均载 +波峰压力；

5）自重+土压力+静止水压力+使用期均载+波谷吸力。

分项系数参考港口工程的相关规范[3,4]。

5.2 计算模型和计算结果

1）有限元模型

异型沉箱结构采用C40混凝土，其物理力学指标为：密度ρ=25 kN/m³，弹性模量EC=3.25×107kPa，泊松比μ=0.2。

通过有限元计算软件ANSYS11.0建立异型沉箱空间有限元计算模型。SHELL43单元适合模拟线性、弯曲及适当厚度的壳体结构，平面内两个方向的形状变化都是线性的，本文模型采用SHELL43单元模拟沉箱面板。COMBIN39单元是一个具有非线性功能的单向单元，可对此单元输入广义的力－变形曲线。本文模型采用COMBIN39单元模拟沉箱与地基的相互作用。地基基床系数可以用原位测试、理论公式等方法确定，本工程的地基为中风化花岗岩，根据规范[5]取得地基基床系数经验值为300 000 kN/m³。异型沉箱有限元计算模型见图5。

图5 异型沉箱有限元计算模型

2）计算结果

通过计算得到沉箱不同工况下各位置处内力最大值。结果显示，内力最大值出现在极端高水位承载能力极限状况下的沉箱后墙，弯矩为357.562 (kN·m)/m，剪力为803 kN/m，此工况下后墙内力最大值见图6。由图可知，最大弯矩发生在后墙无隔墙支承处，此处受静水压力和土压力的作用，并且支承薄弱，根据结构力学分析可知内力分布规律合理。类似方法及步骤，可得到临时取水泵房所有构件的危险内力及其发生工况，根据内力情况即可进行沉箱的设计和配筋。

图6 后墙竖向弯矩

6 经济对比分析

采用异型沉箱结构的临时取水泵房工程造价为454.5万元，传统的取水泵房加海底暗管的取水方案总投资约为875万元。

综上所述，以异型沉箱结构作为临时取水泵房在造价上有相当明显的优势，通过采用这种异型沉箱结构可实现投资效益最大化，对核电厂整体工程的科学决策具有重要的意义。

7 结 论

异型沉箱结构作为核电厂施工期的临时取水泵房，可以兼做取水口和泵房，相比于传统常规的取水泵房加海底暗管的取水方案，具有空间利用率高、项目投资低、施工期短等优点，能够更好地满足核电业主对于核电厂取水泵房的要求。本文以某核电厂临时取水泵房构筑物的设计为例，依据港口工程的有关规范，总结提炼，形成了指导相似工程结构设计和计算方法的基本框架，在滨海核电厂海工工程项目中具有良好的指导意义和推广前景。

参考文献：

[1] JTS167-2-2009重力式码头设计与施工规范[S].

[2] JTS147-1-2010港口工程地基规范[S].

[3] JTS151-2011水运工程混凝土结构设计规范[S].

[4] JTS146-2012水运工程抗震设计规范[S].

[5] CB/T 8524-2011干船坞设计规范[S].

[6] 尚晓江，邱峰，赵海峰. ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M]. 中国水利水电出版社，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

作者简介：刘毅（1987-），女，助理工程师，主要从事港口工程结构设计工作。

收稿日期：2015-09-07

DOI:10.16403/j.cnki.ggjs20160111

中图分类号：U656.2+2

文献标识码：A

文章编号：1004-9592（2016）01-0048-04