于 梅，劉 毅

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

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核電廠防冰與攔污設(shè)施設(shè)計(jì)研究

于 梅，劉 毅

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

針對核電廠日常運(yùn)營中對取水水質(zhì)的要求，在濱海核電廠海工設(shè)計(jì)中進(jìn)行了防冰、攔污設(shè)施的設(shè)計(jì)。總結(jié)了設(shè)計(jì)思路和原理，針對具體工程實(shí)例，充分調(diào)查研究、收集基礎(chǔ)資料，合理布置平面位置；結(jié)合工程水文、地質(zhì)等自然條件，進(jìn)行防冰、攔污工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并介紹了工程實(shí)例的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、攔冰和攔污網(wǎng)片方案，以及相應(yīng)的日常拆裝工藝方案。從總平面布置、結(jié)構(gòu)方案、工藝和造價等方面，表明防冰、攔污設(shè)施與核電廠的日常維護(hù)相結(jié)合，可以達(dá)到良好的控制水質(zhì)效果。本文提出的防冰、攔污設(shè)施的布置和結(jié)構(gòu)方案，可以為類似工程提供借鑒。

核電廠；防冰；攔污

引 言

國內(nèi)核電廠廠址主要位于濱海地區(qū)，地處北方沿海的核電廠受寒潮侵襲的影響，每年冬季皆有程度不同的結(jié)冰現(xiàn)象。結(jié)合核電廠海工工程總體布局，取水構(gòu)筑物區(qū)存在因海冰影響部分取水功能的可能；另外，如果采取明渠方案取水，工程建成運(yùn)行后，可能會面臨著各種漂浮污染物（如漂浮的桔梗、海生物）對核電廠取水安全構(gòu)成的威脅，污染物堵塞取水口將影響核電廠取水，造成取水困難，核電廠停堆，可能引起巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此在核電廠海工設(shè)計(jì)中設(shè)置導(dǎo)向、攔截建筑物對存在的海冰和漂浮物進(jìn)行攔截，以保證核電廠取水的安全，是核電廠海工設(shè)計(jì)的重要任務(wù)之一。

某核電站作為國內(nèi)核電站的典型工程，為滿足機(jī)組建成后冷卻水要求，避免冬季取水過程中，冰凌影響工程正常取水，在取水明渠部分設(shè)置了一系列防冰措施；另外吸取其他核電工程污染物堵塞取水口的教訓(xùn)，在取水明渠內(nèi)布置了攔污網(wǎng)攔截可能對核電廠運(yùn)行造成威脅的污染物。

1 海工工程取、排水平面布置

本核電廠采用取水明渠東部取水，排水明渠南部排水布置，取水口門位于廠區(qū)東部，水深約-7.0 m 的區(qū)域，排水口門位于廠區(qū)西部，水深約-6.0 m的區(qū)域。

取水明渠采用漸變渠底寬度的平底明渠，取水明渠底高程取為-6.5 m，一、二、三期工程進(jìn)水口前渠底寬度分別為160 m、100 m和60 m。

取水明渠東北側(cè)為一座民用碼頭工程，碼頭與取水南堤之間間距為300 m。取水明渠兩側(cè)導(dǎo)流堤為斜坡式防波堤結(jié)構(gòu)。平面布置見圖1。

圖1　核電廠取、排水工程平面布置示意

2 防冰、攔污設(shè)施的設(shè)計(jì)思路和原理

工程建成運(yùn)行后，在取水明渠南導(dǎo)流堤與東北側(cè)碼頭之間形成一個浮冰和雜物涌入的通道，為滿足機(jī)組冷卻水要求，需在取水明渠設(shè)置一定的防冰、攔污設(shè)計(jì)。

避免大面積浮冰進(jìn)入取水明渠的主要途徑就是控制海上漂移浮冰的運(yùn)動，盡量使大面積浮冰遠(yuǎn)離取水口流場控制范圍。明渠兩側(cè)的導(dǎo)流堤可以沿主風(fēng)向驅(qū)使大面積浮冰遠(yuǎn)離取水口，但在潮流和取水明渠內(nèi)流場的作用下，仍可能有大面積浮冰通過碼頭與取水南堤之間300 m寬的通道，進(jìn)入取水區(qū)域。在通道上設(shè)置防冰結(jié)構(gòu)就成為十分必要的措施。防冰結(jié)構(gòu)既要在海平面處能夠阻擋海冰通過，又要保證水流的正常通過，以保障取水量的要求。透空的攔冰網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到上述對海冰的控制要求。

但是，海上大面積浮冰具有極大的漂移能量，僅依靠攔冰網(wǎng)結(jié)構(gòu)是無法阻擋大面積海冰的運(yùn)動狀態(tài)。因此，針對本項(xiàng)目實(shí)際工程情況，有必要在攔冰設(shè)施前設(shè)置有效的破冰結(jié)構(gòu)，使整體浮冰破碎，分散其漂移能量。

另外，為阻擋漂浮污染物阻塞取水口，需要在取水明渠內(nèi)設(shè)置柔性攔污網(wǎng)。

綜上所述，本項(xiàng)目防冰、攔污系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則為：

1）先導(dǎo)冰，防冰設(shè)施的布置要基本與主要潮流方向一致，盡量將冰順勢導(dǎo)走；導(dǎo)不走的，先破冰，減少冰的漂移能量；最后再攔冰。

2）攔污網(wǎng)的布置考慮與廠區(qū)實(shí)體保衛(wèi)結(jié)合，所以布置在取水明渠內(nèi)，兩端要位于核電廠實(shí)體保衛(wèi)可以到達(dá)的位置。

3 防冰、攔污平面布置

3.1 防冰平面布置

圖2　廠址破冰控冰系統(tǒng)布置及流冰向示意

如圖2所示，在取水南堤和東北側(cè)民用碼頭工程之間的300 m通道前設(shè)置破冰結(jié)構(gòu)，破冰結(jié)構(gòu)由11個破冰錐體組成，破冰錐體采用重力式沉箱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，間距20.5 m布置。破冰結(jié)構(gòu)與取水南堤頭間布置一個寬約55 m的通道，有利于取水明渠北側(cè)海域的海冰向外海域轉(zhuǎn)移，也可以作為取水明渠內(nèi)清淤等維護(hù)性船舶的進(jìn)出通道。

在破冰設(shè)施后側(cè)約10 m處，設(shè)置第一道攔冰結(jié)構(gòu)，每隔10.5 m設(shè)置一座為攔冰網(wǎng)提供固定約束的攔冰墩，共由19個攔冰墩組成，成“一”字形布置；采用嵌巖鋼管樁墩臺式結(jié)構(gòu)，攔冰墩中心距10.5 m。

第二道攔冰結(jié)構(gòu)與攔污結(jié)構(gòu)結(jié)合布置，位于取水北堤堤根和中隔堤之間，成“一”字形布置，軸線長度約260 m。共布置7個墩臺，其中2個位于堤體上，5個位于取水明渠中。堤體上的墩臺與明渠內(nèi)相鄰墩臺間距為 50 m，明渠內(nèi)其他墩臺間距為40 m。

3.2 攔污平面布置

攔污結(jié)構(gòu)與第二道攔冰結(jié)構(gòu)結(jié)合布置，位于取水北堤堤根和中隔堤之間，共用第二道攔冰結(jié)構(gòu)的墩臺結(jié)構(gòu)，分別在墩臺的后側(cè)和前側(cè)布置攔污網(wǎng)和攔冰網(wǎng)。攔污網(wǎng)隨時可拆裝，攔冰網(wǎng)要在冰期來臨前安裝，冰期結(jié)束后拆下。

4 防冰設(shè)施物理模型試驗(yàn)

本工程針對防冰設(shè)施方案進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)冰情調(diào)查結(jié)果和項(xiàng)目使用要求，廠址區(qū)域防冰級別針對包含多種冰參數(shù)聯(lián)合出現(xiàn)概率的 50年一遇重現(xiàn)期，確定以下冰參數(shù)取值作為廠址海域冰情特征參數(shù)：

1）冰厚：平整冰厚度33 cm；

2）冰強(qiáng)度：抗彎強(qiáng)度 627 kPa、抗壓強(qiáng)度1.99 MPa；

3）浮冰尺寸：100～300 m；

4）浮冰漂移速度：0.5 m/s。

5）設(shè)計(jì)水位：極端高水位 2.19 m；極端低水位-2.74 m；設(shè)計(jì)高水位 1.35 m；設(shè)計(jì)低水位-0.90 m。

在核電廠取水口防冰設(shè)施模型試驗(yàn)每組次試驗(yàn)的進(jìn)行中，海冰防控系統(tǒng)各構(gòu)件上的冰荷載均得到了測量。測試結(jié)果顯示，在 50年一遇冰厚的平整冰條件下，當(dāng)海冰沿主落潮向行進(jìn)時，首先與海冰發(fā)生作用的破冰錐體上經(jīng)受的冰力最大。破冰錐體上的最大冰荷載隨水位變化關(guān)系在表1中列出。

第一道攔冰結(jié)構(gòu)上的最大冰荷載為850.4 kN，其中，攔冰網(wǎng)上冰荷載的為490.4 kN。第二道攔冰結(jié)構(gòu)上的最大冰荷載為765.4 kN，其中，攔冰網(wǎng)上冰荷載的為441.4 kN。

表1　最大冰荷載隨水位變化關(guān)系

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 破冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用一定間距的錐體結(jié)構(gòu)可將整體冰排破碎成眾多的碎冰塊，從而達(dá)到高效消減和分散海冰漂移能量的目的。

1）錐體高度

核電站廠址海域的潮流為正規(guī)半日潮，最大水位差為 5.14 m，廠址海域的百年一遇平整冰厚為41 cm，錐體頂部高程應(yīng)不低于：2.19 m+0.41 m= 2.60 m。

漂浮冰的水下體積約占其總體積的90 %，由此可得到錐體底部高程應(yīng)低于：-2.74 m-0.9× 0.41 m=-3.11 m。

2）錐體角度

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用 60°破冰錐角可以取得較好的破冰效果。

3）結(jié)構(gòu)型式

在破冰錐體的頂部設(shè)一段直立柱型結(jié)構(gòu)。直立柱直徑定為0.5 m。

圖3　第一層預(yù)制混凝土方塊布置

如圖3所示，結(jié)合工程實(shí)際，破冰錐體底高程定為-3.96 m，頂高程定為2.88 m，上設(shè)0.5 m高直立柱，所以破冰錐體頂高程取3.38 m，錐體角度取為60°。

破冰錐體采用預(yù)制混凝土方塊和現(xiàn)澆混凝土錐體組成，在施工水位下設(shè)兩層預(yù)制混凝土方塊，第一層由4塊預(yù)制混凝土方塊組成，第二層由2塊預(yù)制混凝土方塊組成，預(yù)制混凝土方塊中間預(yù)留正方形孔。預(yù)制混凝土方塊排列見圖4。

圖4　第二層預(yù)制混凝土方塊布置

兩層預(yù)制混凝土方塊安裝完成后，在預(yù)留的正方形孔中放置鋼筋籠，并與上部現(xiàn)澆混凝土錐體一起澆注，形成整體，從而使破冰錐體具有良好的整體性，詳見圖5。

圖5　破冰錐體預(yù)留孔配筋斷面

破冰錐體下布置鋼筋混凝土沉箱作為破冰結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，沉箱內(nèi)回填塊石，沉箱下設(shè)2 m厚拋石基床，并在沉箱四周設(shè)100～150 kg大塊石護(hù)底，如圖6所示。

圖6　破冰結(jié)構(gòu)斷面

5.2 攔冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于碼頭與取水南堤之間間距長約300 m，為保障攔冰網(wǎng)在攔截浮冰時具有良好的懸鏈線形狀和張緊特性，應(yīng)該每隔一段距離設(shè)置為攔冰網(wǎng)提供固定約束的嵌巖鋼管樁和攔冰墩，如圖7所示。

圖7　攔冰—導(dǎo)向結(jié)構(gòu)立面

攔冰網(wǎng)下邊界的高程確定為-5.0 m。將冰網(wǎng)上邊界的高程設(shè)定為與前方破冰裝置頂高程保持一致，即3.38 m。

攔冰網(wǎng)采用直徑為20 mm的鋼絞線編制，矩形網(wǎng)格尺寸為400 mm×200 mm，長邊沿水平向，短邊沿垂向，單片尺寸為10.5 m×8.38 m，共18片。具體施工時，在攔冰墩臺和鋼管樁上焊接拉環(huán)，網(wǎng)片吊裝到位后，采用卸扣將網(wǎng)片與墩臺連接成一個連續(xù)的攔冰網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

5.3 攔污結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

攔污網(wǎng)堤體上的墩臺，采用重力式墩臺結(jié)構(gòu)，取水明渠中的墩臺，采用高樁墩臺結(jié)構(gòu)，樁基采用鋼管樁嵌巖。攔污結(jié)構(gòu)立面如圖8所示。

圖8　攔污結(jié)構(gòu)立面

攔污設(shè)施主要由墩臺、主鋼纜、網(wǎng)片、網(wǎng)墜、絞車、鋼支架與滑輪、定位錨塊等組成。攔污網(wǎng)頂部至少應(yīng)高出設(shè)計(jì)高水位1.5 m，底部用錨鏈綁扎，使之可以垂于渠底，網(wǎng)片總高度約為15 m。

1）主鋼纜

主鋼纜采用Φ40 mm的鍍鋅鋼絲繩。

2）網(wǎng)片

為有效攔住水母和雜物，考慮在主鋼纜上掛設(shè)2張網(wǎng)片，規(guī)格如下：

一級網(wǎng)片總長度約為260 m，高度約為15 m；材料采用錦綸，網(wǎng)眼為2 500 mm×2 500 mm，四周邊繩Φ30 mm，縱橫肋繩Φ20 mm。網(wǎng)片懸掛在主鋼纜上。

二級網(wǎng)片分為兩種規(guī)格，一種網(wǎng)眼大小為50 mm×50 mm，另一種為30 mm×30 mm。材料采用聚乙烯，單個大小為2 500 mm×2 500 mm，四周邊繩 Φ10 mm，縱橫肋繩 Φ3 mm；二級網(wǎng)片用Φ6 mm繩子綁扎在一級網(wǎng)片上。

3）網(wǎng)墜

為使網(wǎng)片能垂于渠底，考慮在網(wǎng)片下端掛錨鏈，錨鏈Φ26 mm。

4）絞車

北堤墩臺和中隔堤墩臺各設(shè)一臺5 t絞車，共2臺。其它墩臺各設(shè)一臺2 t絞車，共5臺。

5）鋼支架與滑輪

鋼支架主要用于安裝滑輪和固定主鋼絲繩。鋼支架安裝在墩臺上，滑輪則安裝在鋼支架上。

6）定位錨塊

為使錨鏈定位，每間隔一定距離設(shè)置一個混凝土錨塊。

為了節(jié)省工程造價，將第二道攔冰結(jié)構(gòu)與攔污結(jié)構(gòu)相結(jié)合，攔冰網(wǎng)直接共用攔污網(wǎng)的墩臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置；攔冰網(wǎng)設(shè)置在攔污網(wǎng)前端，網(wǎng)片采用Φ20 mm鋼絞線編制，單片尺寸為40 m×8.38 m，共4片，網(wǎng)眼尺寸為400 mm×200 mm。墩臺上設(shè)啟閉機(jī)系統(tǒng)，網(wǎng)片用卸扣連接在啟閉機(jī)閘門上，升降啟閉機(jī)就可帶動網(wǎng)片一起升降；冰期來臨前安裝，冰期結(jié)束后拆除。

6 結(jié) 語

經(jīng)過本工程對防冰、攔污系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，今后在核電廠及其他一些需要防冰、攔污的工程中可按以下思路開展工作：

1）充分調(diào)查研究、收集基礎(chǔ)資料，確定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后，合理布置平面位置。

2）防冰攔污設(shè)施的設(shè)計(jì)應(yīng)首先分析潮流對污染物的作用，在順勢的前提下布置水工結(jié)構(gòu)，力求以最少的工程造價防止污染物的入侵；正如本工程的防冰設(shè)計(jì)先導(dǎo)冰，導(dǎo)不走的，先破冰，再攔冰。

3）防冰、攔污設(shè)施應(yīng)避開強(qiáng)浪向布置，避免因?yàn)閿r污網(wǎng)上堆積污染物后，整體結(jié)構(gòu)受波浪力較大，從而增加工程費(fèi)用。

4）攔冰網(wǎng)和攔污網(wǎng)結(jié)構(gòu)要考慮可拆卸性，以便于攔冰網(wǎng)和攔污網(wǎng)的日常維護(hù)和檢修。

［1]JTS167-2-2009 重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范［S］.

［2]JTS147-1-2010 港口工程地基規(guī)范［S］.

［3]JTS151-2011 水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4]JTS167-1-2010 高樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范［S］.

［5]JTS167-4-2012 港口工程樁基規(guī)范［S］.

［6]天津大學(xué)前沿技術(shù)研究院有限公司， 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室. 徐大堡核電廠取水口防冰設(shè)施模型試驗(yàn)研究［R］.

Research and Design of Anti-icing and Pollutant Barrier Facilities in Nuclear Power Plant

Yu Mei， Liu Yi
（CCCC-FHDI Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou Guangdong 510230， China）

The anti-icing and pollutant barrier facilities have been considered in the design of maritime work of Binhai nuclear power plant in order to meet the requirement for water quality in the daily operation of nuclear power plant. The relevant design ideas and principles have been summarized. A project is fully investigated and researched， basic data are collected and reasonable layout is decided. The engineering hydrology， geology and other natural conditions are studied to carry out the structural design of anti-icing & pollutant barrier project， and an introduction is given to the structural design option， anti-icing & pollutant meshwork option and daily disassembly/assembly process option for the above project. The general layout， structure option， technology and cost are analyzed to show that the combination of anti-icing & pollutant barrier facilities and routine maintenance of nuclear power plant can control water quality effectively. The layout and structure of the anti-icing and pollutant barrier facilities will provide a reference for similar projects.

nuclear power plant； anti-icing； pollutant barrier

U657.1

A

1004-9592（2016）03-0044-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160312

2015-10-26

于梅（1983-），女，工程師，主要從事港口工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。