摘 要:敘述了確定濱海核電廠廠坪標(biāo)高時(shí)所考慮的要素,基于海嘯增水和與構(gòu)筑物爬高特性,提出一些關(guān)于我國(guó)濱海核電廠廠坪標(biāo)高設(shè)計(jì)時(shí)如何考慮海嘯影響的見解和技術(shù)探討。
關(guān)鍵詞:海嘯 核電廠 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水 波浪爬高 廠坪標(biāo)高
中圖分類號(hào):TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2015)08(b)-0097-02
Abstract:This paper introduces the elements about nuclear power platform elevation, based on the tsunami surge and wave run-up characteristics.It makes some suggestions of technique study and review opinion in platform elevation design.
Key Words:Tsunami;Nuclear power plant;Design basis flood level;Wave run-up;Platform elevation
我國(guó)濱海核電廠防洪設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的因素為可能最大風(fēng)暴潮增水和波浪,原因是我國(guó)沿海地區(qū)大陸板塊和海域地形特點(diǎn)不具備發(fā)生大規(guī)模海嘯條件,且從以往核電廠在防洪分析時(shí)得出的可能最大海嘯數(shù)值來看,也確實(shí)遠(yuǎn)小于風(fēng)暴潮的增水[1]。日本福島核事故后按國(guó)務(wù)院要求進(jìn)行全國(guó)核設(shè)施安全檢查過程中,國(guó)家海洋局進(jìn)一步復(fù)核了我國(guó)沿海核電廠地震海嘯風(fēng)險(xiǎn),從成果上看風(fēng)暴潮增水和波浪還是遠(yuǎn)大于海嘯影響[2],但同時(shí)認(rèn)為海嘯洪水特性不同于風(fēng)暴潮,應(yīng)落實(shí)海嘯爬高和對(duì)防洪構(gòu)筑物沖擊力可能給核電廠防洪帶來的影響。
文中依據(jù)海嘯洪水的爬高特性,分析了海嘯對(duì)廠坪標(biāo)高和防洪堤頂標(biāo)高的影響,給出了一些設(shè)計(jì)建議。為我國(guó)濱海在建、在役核電廠的海嘯防洪評(píng)價(jià)和新建核電廠廠坪標(biāo)高的選定提供參考。
1 廠坪標(biāo)高的影響要素
我國(guó)濱海核電廠決定廠坪標(biāo)高的主要因素有以下幾個(gè)方面:設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水、地質(zhì)條件、年運(yùn)行費(fèi)及土石方平衡[3]。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水和地質(zhì)條件是最主要的因素。出于防洪目的,我國(guó)核電廠的安全重要物項(xiàng)都建造在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位以上,并考慮風(fēng)浪以及潛冰和雜物堆積作用的影響,決定了廠坪標(biāo)高的下限。而地質(zhì)條件決定了廠坪標(biāo)高的上限,主要是因?yàn)槟壳拔覈?guó)核電廠核島都要求坐落在基巖上。目前在我國(guó)濱海核電廠,循環(huán)冷卻水都采用直流方式,如果廠坪過高將直接導(dǎo)致核電廠運(yùn)行費(fèi)用的升高。土石方平衡主要與廠址的原地形有關(guān),場(chǎng)地平整后土石方如有過多剩余或缺少都可能導(dǎo)致投資和工期的增加。
2 海嘯洪水特性
海嘯是由于海底地震、火山爆發(fā)、海底沉陷或海岸崩坍對(duì)水體沖擊擾動(dòng)所產(chǎn)生的一種波。深海以長(zhǎng)周期波的形式傳播,與風(fēng)暴潮形成的波浪在傳播和對(duì)構(gòu)筑物作用方面都有很大不同。
2.1 海嘯傳播特性
海嘯波長(zhǎng)可達(dá)幾百千米,繞射能力非常強(qiáng),按風(fēng)暴潮進(jìn)行設(shè)計(jì)的防波堤對(duì)海嘯消波作用通常較差。并且由于海嘯的持續(xù)性強(qiáng),在由寬變窄、水深變淺的半封閉海灣,入射波增強(qiáng)的可能非常快。所以設(shè)計(jì)人員不能套用常規(guī)風(fēng)浪傳播的經(jīng)驗(yàn)去判斷,而應(yīng)充分收集廠址區(qū)域海域地形等基礎(chǔ)資料,通過數(shù)值模擬得出準(zhǔn)確的海嘯到達(dá)波幅。
在海嘯的傳播方面國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有非常廣泛的研究,通常是深海傳播采用線性淺水方程,近岸傳播采用基于非線性淺水方程和Boussinesq方程的數(shù)值模型進(jìn)行模擬[4-5]。
2.2 海嘯爬高特性
波浪爬高是一種消耗能量的方式,海嘯或者風(fēng)暴潮波浪會(huì)在近岸遇到沙灘和防洪堤后會(huì)發(fā)生破碎和爬高現(xiàn)象,爬高高度取決于波幅、構(gòu)筑物坡度和粗糙度、構(gòu)筑物前水深以及入射方向等因素。國(guó)外很多學(xué)者通過試驗(yàn)室水力模型試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬等方法,用孤立波模擬海嘯進(jìn)行了研究,Synolakis在1987年就提出了孤立波爬高公式[6],Hsiao在2008年提出了孤立波模擬海嘯破碎形態(tài)下的爬高公式[7],國(guó)內(nèi)學(xué)者還提出了孤立波對(duì)直墻的爬高[8]。在成果中大致可以看出,由于海嘯波長(zhǎng)和能量較大,相同波幅的海嘯爬高能力遠(yuǎn)強(qiáng)于風(fēng)暴潮產(chǎn)生的波浪。設(shè)計(jì)時(shí)如果未能考慮到這點(diǎn),超過預(yù)期的海嘯爬高可能會(huì)直接越過防洪構(gòu)筑物產(chǎn)生漫頂或越浪等現(xiàn)象,對(duì)核電廠區(qū)中的設(shè)施產(chǎn)生水淹威脅[9]。海嘯與常規(guī)波浪的爬高和越浪對(duì)比如圖1、圖2。
3 我國(guó)濱海核電廠防洪設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)
我國(guó)濱海核電廠防洪設(shè)計(jì)及防護(hù)措施主要遵循的現(xiàn)行有效的安全法規(guī)和導(dǎo)則是《核電廠廠址選擇安全規(guī)定》(HAF101-1991)和《濱海核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位的確定》HAD101/09。導(dǎo)則中規(guī)定[10]:濱海廠址的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水是一個(gè)核電廠設(shè)計(jì)應(yīng)經(jīng)受的洪水。它是下列洪水類型中最嚴(yán)重的:
(1)可能最大風(fēng)暴潮引起的洪水。
(2)可能最大海嘯引起的洪水(如果存在時(shí))。
(3)可能最大假潮引起的洪水(如果存在時(shí))。
(4)由上述3項(xiàng)嚴(yán)重事件的組合所引起的洪水。
風(fēng)浪的作用必須單獨(dú)地考慮或者與上述洪水組合在一起考慮。并給出了確定基準(zhǔn)洪水的一組洪水起因事件和基準(zhǔn)水位的組合實(shí)例:
(1)可能最大風(fēng)暴潮或可能最大假潮風(fēng)—浪活動(dòng);10%超越概率高潮位;25年一遇的江、河洪水位(當(dāng)合適時(shí))。
(2)可能最大海嘯;風(fēng)浪一般活動(dòng)(幾年重現(xiàn)期);10%超越概率高潮位;25年一遇的江、河洪水位(當(dāng)合適時(shí))。
4 關(guān)于廠坪和防洪堤頂標(biāo)高的建議
我國(guó)濱海核電廠廠坪標(biāo)高和防洪堤(擋浪墻)頂標(biāo)高確定時(shí),首先應(yīng)滿足高于風(fēng)暴潮確定的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位(DBF)的靜水位要求[11-12]。綜合考慮地質(zhì)、土石方平衡和營(yíng)運(yùn)問題確定廠坪高程后,再按以下方法復(fù)核海嘯影響。
(1)首先,確定海嘯參與組合的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位(DBF′)=可能最大海嘯+10%超越概率天文高潮位+核電廠預(yù)壽期內(nèi)平均海面異常值+25年一遇的江、河洪水位(如有)。
廠坪標(biāo)高(H)≥海嘯引起的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位(DBF′)+富裕高度(可取0.5m)。
(2)然后,計(jì)算或通過模型試驗(yàn)獲取可能最大海嘯與構(gòu)筑物作用后產(chǎn)生的爬高(R)。
防洪堤(擋浪墻)標(biāo)高(H’)≥海嘯引起的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位(DBF′)+爬高(R)。
以上復(fù)核如不滿足,則建議相應(yīng)提高廠坪或防洪堤(擋浪墻)的標(biāo)高。
參考文獻(xiàn)
[1]常向東,周本剛.我國(guó)沿海核電廠地震海嘯影響分析[J].核安全,2011(4):45-50.
[2]國(guó)家海洋局.我國(guó)沿海核電站地震海嘯風(fēng)險(xiǎn)論證[Z].2011.
[3]陳鋒.我國(guó)濱海核電廠廠坪標(biāo)高的確定[J].核安全,2006(2):44-48.
[4]姚遠(yuǎn),蔡樹群,王盛安.海嘯波數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀[J].海洋科學(xué)進(jìn)展,2007,25(4):487-494.
[5]張超凡,石耀霖.海嘯災(zāi)害的數(shù)值模擬研究[J].中國(guó)科學(xué)院研究生學(xué)報(bào),2008(5):289-296.
[6]Synolakis, C. E.The runup of solitary waves.[J].Journal of Fluid Mech,1986,185(12):523-545.
[7]Hsiao S.-C, Hsu T.-W, Lin T.-C et al.On the evolution and run-up of breaking solitary waves on a mild sloping beach[J].Coastal Engineering,2008,55(12):975-988.
[8]丁全林,汪德爟,王玲玲.陡墻上孤立波爬高的LBM模擬[J].水利學(xué)報(bào),2010(8):991-996.
[9]李丹,肖志,安洪振,等.國(guó)外核電廠外部水淹事件分析[J].核安全,2013(12):75-78.
[10]國(guó)家核安全局.濱海核電廠廠址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水的確定(HAD101/09)[Z].1994.
[11]張愛玲.我國(guó)濱海核電廠的防洪設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及技術(shù)探討[J].核安全,2011(2):47-52.
[12]張愛玲.對(duì)濱海核電廠防洪評(píng)價(jià)中海嘯影響的一些認(rèn)識(shí)[J].核安全,2008(4):28-32.