黃宣軍，郭朝禹，孫運(yùn)佳，張先波

1　概述

近年來，國內(nèi)多個(gè)在運(yùn)核電機(jī)組相繼出現(xiàn)了水草、垃圾、海生物等污染物堵塞攔污網(wǎng)的事件，不僅嚴(yán)重影響了電站的取水安全，也對(duì)取水?dāng)r污設(shè)施的結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成危害。

本文通過某核電廠取水?dāng)r污設(shè)施波浪物理模型試驗(yàn)，對(duì)取水明渠口門處攔污網(wǎng)的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行測(cè)試和研究，包括不同攔污網(wǎng)堵塞率條件下攔污網(wǎng)主纜繩拉力及高樁承臺(tái)波浪力等參數(shù)，為類似取水?dāng)r污設(shè)施的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選型提供參照與指導(dǎo)。

2　攔污網(wǎng)平面布置方案

本次研究攔污設(shè)施位于取水口門處，攔污網(wǎng)軸線呈“一字形”布置，詳見圖1。在兩側(cè)的防波堤堤頭和岸上分別設(shè)置混凝土錨塊M1和M2，錨塊之間每隔35 m布置1座三樁承臺(tái)Y1—Y5，靠近岸邊設(shè)置2座九樁承臺(tái)Y6—Y7，2座九樁承臺(tái)之間設(shè)置間距30 m的過船口。

圖1　“一字形”攔污網(wǎng)布置形式Fig.1　The trash blocking net with in-line layout

攔污網(wǎng)由主纜繩、一級(jí)網(wǎng)片和二級(jí)網(wǎng)片組成，攔污網(wǎng)平面結(jié)構(gòu)如圖2所示。主纜繩采用φ40 mm迪尼瑪纜繩；一級(jí)網(wǎng)片采用φ20 mm迪尼瑪纜繩，并通過錨環(huán)與高樁承臺(tái)連接；二級(jí)網(wǎng)片為50 mm×50 mm的合金網(wǎng)片，直接懸掛在一級(jí)網(wǎng)片上，便于拆卸和更換。

圖2　攔污網(wǎng)平面結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Plane structurediagram of trash blocking net

3　試驗(yàn)方法

1）模型比尺：試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶碕TJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》等規(guī)范[1-3]的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型比尺為1∶40。

2）攔污網(wǎng)模擬：理論上對(duì)于攔污網(wǎng)的模擬應(yīng)滿足幾何相似、阻力相似、重力相似和彈性相似。試驗(yàn)過程中，經(jīng)過模型比尺縮放后的網(wǎng)片直徑往往很小，很難找到合適的試驗(yàn)材料。根據(jù)已有的研究成果[4-6]，對(duì)于攔污網(wǎng)的模擬首先要滿足阻力相似。

根據(jù)NBT 25002—2011《核電廠海工構(gòu)筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，作用在網(wǎng)片上的水阻力常用莫里森公式，即

式中：F為網(wǎng)片對(duì)水流的阻力；Cd為水阻力系數(shù)；A為網(wǎng)線在垂直水流方向的投影面積；ρ為水體密度；u為水流速度。從式中可以看出，網(wǎng)片的阻水特性和網(wǎng)線在垂直水流方向的投影面積A（或網(wǎng)線直徑與目腳長度的比值）有關(guān)。故試驗(yàn)過程中，當(dāng)滿足模型網(wǎng)片與原型網(wǎng)片的投影面積相似時(shí)，可以得到：

式中：dp，dm為原型和模型網(wǎng)線的直徑；ap，am為原型和模型網(wǎng)線的目腳長度（網(wǎng)孔大小）。因此，當(dāng)模型與原型中的雷諾數(shù)處于阻力平方區(qū)，只要保證原型和模型的投影面積（網(wǎng)片透水率）相似，即可保證模型網(wǎng)片與原型網(wǎng)片的動(dòng)力條件相似。

采用阻力相似的網(wǎng)片模型與理論計(jì)算的網(wǎng)片模型在重量上有所差異，因此試驗(yàn)過程中對(duì)網(wǎng)片模型的重量進(jìn)行修正調(diào)整，以此滿足網(wǎng)片的重量相似。

3）纜繩模擬：保證纜繩的長度和彈性相似，模擬的纜繩彈性曲線和理論曲線基本相似。纜繩的受力-伸長曲線按《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》給出的公式進(jìn)行計(jì)算。

4）試驗(yàn)設(shè)備及儀器：試驗(yàn)在60 m×40 m×1 m的大型水池中進(jìn)行，測(cè)量?jī)x器包括智能數(shù)據(jù)采集儀、波高傳感器、拉力傳感器、總力儀、小威龍流速儀等。

4　試驗(yàn)結(jié)果

物理模型試驗(yàn)重點(diǎn)研究了設(shè)計(jì)水位條件下，攔污網(wǎng)堵塞率10%、20%、30%和50%的工況。包括以下3種工況：

1）單純?nèi)∷髁抗r

圖3給出了單純?nèi)∷髁抗r下，設(shè)計(jì)水位、不同取水流量和不同堵塞率條件下各高樁承臺(tái)間攔污網(wǎng)主纜繩的最大拉力，取水量200 m3/s時(shí)，堵塞率10%～50%時(shí)的主纜繩最大拉力為170～270 kN。

圖3　單純?nèi)∷r下主纜繩的最大拉力Fig.3　The maximum tension of the cable on simple water intaking condition

2）單純波浪作用工況

圖4給出了在設(shè)計(jì)水位4.41 m，100 a一遇波浪[7]H13%=6.11 m、T =11.2 s的單純波浪作用下，不同堵塞率條件下各高樁承臺(tái)間攔污網(wǎng)主纜繩的最大拉力以及各高樁承臺(tái)受到的最大水平波浪力和浮托力。

圖4　單純波浪工況下試驗(yàn)結(jié)果Fig.4　Test resultsof the simple wave condition

隨著堵塞率的增大，各區(qū)段主纜繩的最大拉力也明顯增大，特別是由于兩側(cè)的地形變化，波浪在堤頭和岸邊發(fā)生破碎，波浪破碎后形成的沖擊水流對(duì)兩側(cè)的攔污設(shè)施結(jié)構(gòu)有較大的沖擊作用，因此兩側(cè)區(qū)段主纜繩的最大拉力要大一些，以及兩側(cè)的高樁承臺(tái)受到的波浪水平力也相對(duì)較大。對(duì)于波浪浮托力，三樁承臺(tái)Y1—Y5相差不大，最大波浪浮托力約1 700 kN；九樁承臺(tái)Y6—Y7由于承臺(tái)面積大，浮托力也大。

3）取水流量+波浪聯(lián)合作用工況

圖5給出了在設(shè)計(jì)水位為4.41 m，取水流量為200 m3/s以及100 a一遇波浪H13%=6.11 m、T=11.2 s聯(lián)合作用下，不同堵塞率條件下各高樁承臺(tái)間攔污網(wǎng)主纜繩的最大拉力以及各高樁承臺(tái)受到的最大水平波浪力和浮托力。

圖5　取水流量和波浪聯(lián)合作用試驗(yàn)結(jié)果Fig.5　Test resultsof combined action of water intake and wave

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，取水流量對(duì)攔污設(shè)施結(jié)構(gòu)受力的影響很小，攔污設(shè)施結(jié)構(gòu)受力主要受控于波浪。各高樁承臺(tái)的聯(lián)合作用工況波浪力與單純波浪作用時(shí)的總體規(guī)律一致。由于波浪在攔污網(wǎng)兩側(cè)的防波堤堤頭和岸邊發(fā)生破碎，波浪破碎后形成的沖擊水流對(duì)兩側(cè)的攔污設(shè)施結(jié)構(gòu)有較大的沖擊作用，因此水平力較大。

隨著攔污網(wǎng)的堵塞率增大，攔污設(shè)施結(jié)構(gòu)的受力明顯增大，當(dāng)堵塞率達(dá)到30%時(shí)，攔污網(wǎng)主纜繩的拉力已超過纜繩的設(shè)計(jì)破斷力，通過試驗(yàn)建議主纜繩的直徑增大至48 mm或52 mm。

5　結(jié)語

為保證核電廠的取水安全，考慮到高堵塞率情況下，一方面口門處取水流速過大導(dǎo)致底床不穩(wěn)，另一方面攔污網(wǎng)結(jié)構(gòu)受力較大，結(jié)合本次取水?dāng)r污設(shè)施波浪物理模型試驗(yàn)研究成果，建議現(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)對(duì)水下攔污網(wǎng)堵塞情況的監(jiān)視，并及時(shí)清理污染物，建議堵塞率不要超過20%。

另外，在以波浪為控制因素的攔污設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)關(guān)注波浪破碎后的沖擊流對(duì)攔污設(shè)施結(jié)構(gòu)受力的影響，必要時(shí)應(yīng)采用相關(guān)模型試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。

參考文獻(xiàn)：

[1]JTJ/T 234—2001，波浪模型試驗(yàn)規(guī)程[S].JTJ/T 234—2001,Wavemodel test regulation[S].

[2]JTS165—2013，海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范[S].JTS165—2013,Overall design codefor seaports[S].

[3]JTS145—2015，港口與航道水文規(guī)范[S].JTS145—2015,Codeof hydrology for harbor and waterway[S].

[4] 桂福坤，李玉成，張懷慧.網(wǎng)衣受力試驗(yàn)的模型相似條件[J].中國海洋平臺(tái)，2002，17（5）：22-25.GUI Fu-kun,LI Yu-cheng,ZHANG Huai-hui.The proportional criteriafor model testingof forceactingonfishingcagenet[J].China Offshore Platform,2002,17(5):22-25.

[5] 宋偉華.網(wǎng)衣波浪水動(dòng)力學(xué)研究[D].青島：中國海洋大學(xué)，2006.SONG Wei-hua.Study on the mechanics of wave forceson the nettingpanel[D].Qingdao:Ocean University of China,2006.

[6] 李玉成，桂福坤，張懷慧，等.深水養(yǎng)殖網(wǎng)箱試驗(yàn)中網(wǎng)衣相似準(zhǔn)則的應(yīng)用[J].中國水產(chǎn)科學(xué)，2005（2）：179-187.LI Yu-cheng,CUIFu-kun,ZHANG Huai-hui,et al.Simulation criteria of fishing nets in aquiculture sea cage experiments[J].Journal of Fishery Sciencesof China,2005(2):179-187.

[7] 某核電廠波浪場(chǎng)推算數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)報(bào)告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2007.Numerical wave calculation test report of one nuclear power plant[R].Tianjin:CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2007.