耿小爽 李鳳菊 王曉亮 鄭 偉

（中國(guó)核電工程有限公司，北京100840）

0 引言

日本福島核電站事故后，核電廠的外部事件風(fēng)險(xiǎn)受到人們廣泛重視。在國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）發(fā)布的《核設(shè)施廠址評(píng)價(jià)》[1]中也加強(qiáng)了對(duì)廠址外部事件的識(shí)別、篩選和評(píng)價(jià)的要求，要求根據(jù)外部事件對(duì)核設(shè)施安全的重要性，對(duì)其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)或再分析。

中國(guó)核電廠外部自然事件評(píng)價(jià)中多關(guān)注與核安全相關(guān)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速，對(duì)極端積雪的關(guān)注相對(duì)較少。核安全導(dǎo)則[2]指出，“在研究設(shè)計(jì)基準(zhǔn)積雪時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮并入積雪的降雨的附加重量，即設(shè)計(jì)基準(zhǔn)積雪的水當(dāng)量重量要加上低超越概率降雨的重量。例如，可把冬季48 h可能的最大降水量加入積雪中去”。雖然GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》[3]中給出了國(guó)內(nèi)各地區(qū)的雪壓推薦值，但未考慮核安全領(lǐng)域關(guān)注的冬季降水，因此并不適用于核電廠。

中國(guó)幅員遼闊，大陸岸線緯度跨度達(dá)22°，南北海岸線氣候特征不同，積雪和冬季降水情況差異較大。

本文選取兩個(gè)不同氣候區(qū)的廠址作為研究廠址，采用不同的分布函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)基準(zhǔn)雪荷載的計(jì)算和分析。

1 計(jì)算過(guò)程

1號(hào)廠址屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，2號(hào)廠址屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。選取兩廠址代表性氣象站1957—2018年的歷年最大積雪深度和冬季48 h最大降水量資料，分別采用耿貝爾分布和皮爾森III型分布（P-III分布）進(jìn)行極值擬合，給出百年一遇估算值。

1.1 分布函數(shù)

耿貝爾分布的概率密度函數(shù)和分布函數(shù)分別為：

式中，a為尺度參數(shù)，b為分布密度的眾數(shù)。

P-III分布[4]的概率密度函數(shù)和分布函數(shù)分別見(jiàn)公式（4）、（5）：

式中，α、β和α0分別為形狀參數(shù)、尺度參數(shù)和位置參數(shù)，Γ（α）為α的Γ函數(shù)。

1.2 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)雪荷載

積雪對(duì)構(gòu)筑物產(chǎn)生的荷載取決于雪的厚度和堆積密度，通常用雪壓表示[3]。見(jiàn)公式（6）：

式中，S為雪壓kN/m2；H為積雪深度m；ρ為積雪密度t/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

2 結(jié)果分析

由圖1和表1可見(jiàn)，兩廠址對(duì)不同分布函數(shù)的適宜性不同。以極端積雪為例進(jìn)行分析，1號(hào)廠址耿貝爾分布的擬合效果較好，其百年一遇極端積雪深度估算值也更保守；2號(hào)廠址P-III分布的擬合效果相對(duì)較好，而耿貝爾擬合曲線出現(xiàn)偏離數(shù)據(jù)的情形，是由于本廠址無(wú)降雪年份較多（計(jì)算樣本中占40%），即序列中0 cm樣本較多。此外，兩種分布函數(shù)的百年一遇估算值均未包括歷史實(shí)測(cè)極值（42 cm），在擬合圖中表現(xiàn)為偏離擬合曲線的極值點(diǎn)。在實(shí)際工程中，從安全角度考慮，一般選擇偏保守的擬合結(jié)果進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)計(jì)算。

圖1 各廠址不同分布函數(shù)的擬合曲線（以極端積雪為例）

2號(hào)廠址有雪年份的數(shù)據(jù)樣本中有3個(gè)年份的積雪深度在10~20 cm，1個(gè)年份在40 cm以上，其余年份均小于10 cm，由此可見(jiàn)，本廠址區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)較深的積雪但概率不大。進(jìn)一步結(jié)合2號(hào)廠址實(shí)際氣候特征（見(jiàn)圖2所示）進(jìn)行分析，該地區(qū)冬季積雪情況不穩(wěn)定，有些年份整個(gè)冬季都不會(huì)出現(xiàn)降雪，但當(dāng)某一年發(fā)生寒潮天氣時(shí)，遇到較多的水汽和較低的氣溫，會(huì)降大雪，造成較深的積雪或者雪災(zāi)。因此，本文中選擇2號(hào)廠址的歷史極值進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)計(jì)算。

圖2 兩廠址積雪深度和冬季48 h最大降水量歷年變化趨勢(shì)

按照同樣的方法計(jì)算百年一遇冬季48 h最大降水量（見(jiàn)表1），與百年一遇極端積雪深度疊加后得到兩廠址百年一遇設(shè)計(jì)基準(zhǔn)雪荷載，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，疊加冬季降水后，兩廠址的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)雪荷載比僅考慮積雪的結(jié)果大2~3倍，說(shuō)明考慮冬季降水影響的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)雪荷載具有足夠的保守性。

表1 各廠址不同分布函數(shù)的百年一遇估算值

表2 各廠址百年一遇設(shè)計(jì)基準(zhǔn)雪荷載單位：kN/m2

3 結(jié)論

（1）當(dāng)積雪深度的數(shù)據(jù)樣本較少時(shí)，耿貝爾分布的擬合效果較差。因此，在確定核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)雪荷載時(shí)，建議采用多種分布函數(shù)進(jìn)行極值擬合。

（2）從安全角度出發(fā)，應(yīng)取偏保守的擬合結(jié)果進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)評(píng)價(jià)。當(dāng)擬合結(jié)果未包括歷史極值時(shí)，建議結(jié)合該地區(qū)的實(shí)際氣候特征開(kāi)展具體分析，避免在將來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件，對(duì)核電廠的安全運(yùn)行帶來(lái)影響。