某滨海核电厂拦污装置波浪试验研究与受力分析

2019-10-24万志男高东博王毅夏悟民袁立伟王明明

中国港湾建设 2019年10期

万志男，高东博，王毅，夏悟民，袁立伟，王明明

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230）

0 引言

近年来，我国多个滨海核电厂发生了海生物及海上漂浮物堵塞取水口，导致核电机组降功率运行甚至停堆的恶劣事件。为保证核电机组的取水安全，在核电厂取水明渠增设拦污设施显得十分必要[1-2]。

拦污装置结构受力及各构件之间的相互作用较为复杂，包括结构自重、浮力、波浪、水流、拦污网堵塞率等因素外，还要考虑拦污网装置缆绳强度和墩台的稳定性。现阶段国内规范尚无拦污网受力的计算方法，国内只有少数学者对拦污网设计进行了相关研究[3-6]，针对结构设计没有进行深入研究。为便于拦污构筑物设计，本文通过拦污网波浪物理模型试验，研究在不同水位、波浪及堵塞率组合工况下测量得到拦污网主缆绳及拦污网锚碇墩台的受力情况，同时对拦污网主缆绳和拦污网锚碇墩台进行了受力分析，相关研究成果可为其他核电厂拦污设施的设计提供参考和借鉴。

1 工程背景

本核电采用明渠取水，明渠两侧由2条平行导流堤掩护，原浮式拦污网受北向浪作用后损坏，大量海生物及生活垃圾涌入，为保证取水安全，将取水东导流堤呈逆时针延伸新建约600 m，同时在取水口门处布置1道固定式拦污网，拦污装置呈“一字形”布置，详见图1。拦污网两端固定在两侧取水导流堤上的锚碇基础上（MJ1、MJ2），中间通过钢支架与拦污网锚碇墩台连接，拦污网锚碇墩台共5座（MT1～MT4）。明渠内的工作船只可从任意2座拦污网锚碇墩台之间穿过。拦污装置主要由拦污网、主缆绳、拦污网锚碇墩台、拦污网锚碇基础、拦污网锚碇块体和钢支架组成。拦污网立面图详见图2。

图1 工程平面布置图Fig.1 Engineering plan

图2 拦污装置立面图Fig.2 Vertical plan of anti-fouling device

2 试验设计

2.1 模型设计

1）模型比尺

按JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》[7]进行设计，根据试验场地、规范标准及波浪条件、网片尺度等因素综合确定模型比尺，比尺为1∶46。

2）波浪、水流模拟

采用不规则波进行试验，波浪谱为JONSWAP谱。海水取水流量约为230 m3/s，采用潜水泵模拟核电厂取水，并通过调节泵的流量以达到试验要求。

3）主缆绳模拟

保证缆绳的长度和弹性相似，模拟的缆绳弹性曲线和理论曲线基本相似。缆绳的受力—伸长曲线与原型满足相似，其中主缆绳的受力—伸长曲线是按下列公式计算：

式中：Tm为模型缆绳拉力；E为原型缆绳弹性系数；d为原型缆绳直径；L为原型缆绳长度；ΔL为原型缆绳伸长；λ为模型长度比尺。

4）网片几何模拟

网片的轮廓采用整体模型的比尺γ，网目大小与网线直径采用小比尺γ′。小比尺为网线直径/网目大小的比例，即保证模型的小尺度比尺与原型的一致，即可保证垂直水流方向的网片阻流面积相似。

5）网片阻力模拟

依据NB/T 25002—2011《核电厂海工构筑物设计规范》[8]规定，对于作用在网片上的水阻力采用莫里森公式计算。

式中：F为网片受到的水流阻力；Cd为水流阻力系数；ρ为水密度；u为水流速；A为网线在垂直水流方向的投影面积。

当满足模型网片与原型网片的投影面积相似时，可以得到：

式中：dp和dm为原型和模型网线的直径；ap和am为原型和模型网线的网孔大小。

6）网片重力相似

为保证网片模拟的几何相似和阻力相似，采用等效网片的方法来进行模拟，等效网片与理论网片在重量上存在差异，需对等效网片进行重量修正。

7）网片弹性模拟

将网片考虑成一系列的弹性杆件，为满足网线的弹性相似，网线直径需满足以下公式：

式中：Em和Ep分别为原型和模型网线的弹性模量。式（3）和式（4）无法同时满足，当网片满足阻力相似时，此时网线的直径较大，网片的刚度较大，在相同作用力情况下，其变形较小，试验中测得主缆绳力较大，偏于安全，因此在本试验中优先满足网片的阻力相似。

8）网片堵塞率模拟

相同面积的拦污网片，水体上部的受力要大于水体下部。因此试验中堵塞水体上部拦污网片结果偏于安全，对于不同堵塞率是堵塞在静水水面以下网片面积的百分率。试验模型见图3。

图3 拦污网试验模型Fig.3 Test mode of anti-fouling net

2.2 试验方法

本试验在波浪水池中进行，原始波浪要素率定时总能量偏差控制在±10%以内，波高和周期误差均控制在±5%以内，测定不同水位、波浪及堵塞率组合工况下主缆绳及拦污网锚碇墩台的受力情况。

2.3 试验参数

1）试验水位

100 a一遇高水位：3.31 m

50 a一遇高水位：3.20 m

2）试验波浪

试验波浪参数详见表1，在50%堵塞率情况下增加了破坏工况，即设计波高增大10%，分别为3.80 m，3.50 m。

表1 试验波要素表Table 1 Test wave parameters

3）拦污网堵塞率

拦污网堵塞率分别为10%、20%、30%、50%和70%的工况，其中70%的堵塞率为破坏工况。

3 试验结果

3.1 拦污网主缆绳拉力结果

图4（图中EWL为水位，EWH为波高）为100 a一遇水位3.31 m、100 a一遇波高H13%=3.46 m，T=8.6 s，取水流量为230 m3时，不同拦污网堵塞率条件下拦污网主缆绳的受力情况，从图4中可以看出，拦污网缆绳拉力随着堵塞率的增大而增大，堵塞率50%时，MT5-MJ2缆绳拉力为399 kN，堵塞率为70%时，缆绳拉力为478 kN，靠近取水西导流堤的缆绳MT5-MJ2拉力最大，靠近取水东导流堤的缆绳MJ1-MT1最小，中间逐渐递增。不同位置主缆绳的拉力对拦污网堵塞率的敏感度不同，其中，西堤头侧对不同堵塞率较敏感，当堵塞率变大时，拉力增大较快，这是由于在W向浪作用下，波浪西堤头破碎后形成的冲击水流对该侧的拦污装置结构有较大的冲击作用，拦污网的堵塞率越大，冲击作用越明显。

图4 主缆绳拉力（EWL=3.31 m，EWH=3.46 m，T=8.6 s）Fig.4 Main cable tension（EWL=3.31 m,EWH=3.46 m,=8.6 s）

图5给出了拦污网堵塞率为50%时，不同水位和波浪组合下各拦污网缆绳拉力，从图5中可以看出，相同水位条件下，波高越大，拦污网缆绳拉力越大；波浪接近时，水位越高，缆绳拉力越大。对于波浪而言，水质点速度随水深衰减，波浪力也随着衰减。

图5 主缆绳拉力（堵塞率=50%）Fig.5 Main cable tension（Plugging rate=50%）

3.2 拦污网锚碇墩台受力结果

本次试验还量测了拦污网锚碇墩台在不同堵塞率情况下受到的水平作用力和浮托力。在W向波浪作用下，由于取水西导流堤堤头侧波浪明显较大，本次试验选取靠近取水西导流堤堤头的MT4和MT5墩台进行了总力测试。

从图6中可以看出，在100 a一遇水位3.31 m、100 a一遇波高H13%=3.46 m，T=8.6 s，取水流量为230 m3作用下，拦污网锚碇墩台MT4、MT5受到的水平力随着拦污网堵塞率的增大而增大，拦污网堵塞率为70%时，水平力约为1 200 kN。

图6 墩台水平力（EWL=3.31 m，EWH=3.46 m，T=8.6 s）Fig.6 Horizontal force of pier（EWL=3.31 m,EWH=3.46 m，T=8.6 s）

图7 给出了拦污网锚碇墩台MT4、MT5在100 a一遇高水位和100 a一遇波浪组合下受到的浮托力，可以看出，拦污网堵塞率越大，拦污网锚碇墩台受到的浮托力也越大，其中MT5墩台受到的浮托力对拦污网堵塞率的变化更为敏感，拦污网的堵塞率达到70%时，浮托力达到了882 kN。

图7 墩台浮托力（EWL=3.31 m，EWH=3.46 m，T=8.6 s）Fig.7 Vertical force of pier（EWL=3.31 m,EWH=3.46 m，T=8.6 s）

4 结构受力分析

本工程拦污网要满足100 a一遇水位3.31 m、100 a一遇波高H13%=3.46 m，T=8.6 s，取水流量为230 m3与50%拦污网堵塞率组合条件（以下简称极限运行条件）下结构不破坏，为此对拦污网主缆绳和墩台结构进行了分析。

4.1 拦污网主缆绳受力分析

本工程固定式拦污装置拦污网主缆绳采用的是钢质缆绳，最大拉力可依据下面的公式计算：

式中：T0为主缆绳容许拉力；S为缆绳破断力；α为受力不均匀系数，取0.85；K为安全系数，根据缆绳用途，K可取3.0。

图4中极限运行条件下拦污网主缆绳拉力为399 kN，据式（5）反算得其破断力不得小于1 408 kN。

4.2 拦污网锚碇墩台受力分析

本拦污网锚碇墩台上部为现浇方形钢筋混凝土墩台，下部为3根桩径为1 500 mm的灌注桩，其中2根布置在海侧（G1、G2），1根布置在渠侧（G3），桩底持力层为中风化岩，拦污网锚碇墩台断面图见图8。采用有限元计算软件计算灌注桩对应不同拦污网堵塞率工况下的受力情况。灌注桩弯矩图详见图9，拦污网极限运行条件下桩基的弯矩为3 803 kN/m，灌注桩的弯矩随着拦污网堵塞率增大而增大。