陳 晶

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán) 廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510610)

1 工程概況

1.1 工程概述

某核電廠距離海岸線約17 km，廠址規(guī)劃裝機(jī)容量為6×1 250 MWe 壓水堆核電機(jī)組。工程取水隧洞采用盾構(gòu)施工法，由多片預(yù)制砼管片組合形成隧洞斷面，單根隧洞長(zhǎng)24.8 km，單根隧洞內(nèi)徑3.5 m，盾構(gòu)管片厚度0.3 m，外徑4.1 m。兩根隧洞之間的凈距按照1.5D考慮(D為隧洞外徑)，洞頂覆土厚度13.5～21 m。盾構(gòu)隧洞主要穿過(guò)粉砂和粉質(zhì)黏土層，隧洞底部坐落在粉砂和粉質(zhì)黏土層上。取水隧洞起端內(nèi)底標(biāo)高為-13.30 m，縱向坡度為0.000 3。隧洞沿線上間隔5～6 km設(shè)置一個(gè)工作井，共7個(gè)工作井。

1.2 工程地質(zhì)

廠址位于濱海平原地區(qū)，屬于海積、沖積平原。區(qū)內(nèi)主要出露第四系地層。根據(jù)勘測(cè)資料，其主要為人工填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂等組成。根據(jù)本次鉆孔揭露情況，范圍內(nèi)出露的巖土體按巖土性質(zhì)和成因可分為4大層共10亞層，詳細(xì)情況見(jiàn)表1。

表1 場(chǎng)地地質(zhì)分層表

2 抗震分析

針對(duì)核電廠取排水工程取水隧洞和工作井進(jìn)行靜力(施工期、運(yùn)行期)和地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析。其中，在靜力分析中，考慮結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、土壓力等荷載作用；動(dòng)力計(jì)算中，考慮結(jié)構(gòu)-地基動(dòng)力相互作用、動(dòng)水壓力等因素。通過(guò)三維有限元，計(jì)算得到靜、動(dòng)荷載綜合作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

2.1 計(jì)算理論

與巖石地基相比，在深厚覆蓋土層條件下，建筑物的地震響應(yīng)與土的動(dòng)力特性密切相關(guān)。在地震荷載往復(fù)作用下，土的動(dòng)力特性受應(yīng)變幅度、應(yīng)變速率和循環(huán)加載等多種因素的影響，而且土體的動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)變形參數(shù)隨變形的變化具有強(qiáng)非線性和滯回特性。因此，土基的動(dòng)力響應(yīng)呈明顯的非線性特征。對(duì)于土工建筑物的動(dòng)力響應(yīng)分析，用等效黏彈性模型來(lái)模擬土體的非線性和滯回性等動(dòng)力特性。該模型的主要參數(shù)是剪切模量G和阻尼比D，它們均為剪應(yīng)變幅值γ的非線性函數(shù)，典型函數(shù)形狀見(jiàn)圖1。

圖1 黏土、砂與礫石典型的G-γ及D-γ關(guān)系

對(duì)線性系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，可采用疊加原理進(jìn)行求解。然而，對(duì)于含覆蓋土層的結(jié)構(gòu)-地基系統(tǒng)，在強(qiáng)震作用下，土體會(huì)產(chǎn)生較大的剪切變形，這將導(dǎo)致土體響應(yīng)呈現(xiàn)明顯的非線性效應(yīng)，使得疊加原理不再有效。為了解決這一問(wèn)題，采用等價(jià)線性法。在這一方法中，土基非線性動(dòng)力響應(yīng)可近似由多次線性分析采用迭代方法獲得。其中，在每個(gè)迭代步內(nèi)，假定土體剪切模量和阻尼比為常數(shù)，經(jīng)反復(fù)迭代，直到土體中的剪切模量和阻尼比與相應(yīng)位置處的有效剪應(yīng)變幅值相協(xié)調(diào)為止。

2.2 人工邊界條件及地震動(dòng)輸入機(jī)制

地震作用下，在地基的外邊界處施加黏彈性邊界來(lái)反映無(wú)限地基的輻射阻尼效應(yīng)。黏彈邊界是在黏性邊界(Lysmer and Kuhlemeyer)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，不僅可以反映遠(yuǎn)場(chǎng)無(wú)限地基的輻射阻尼效應(yīng)，而且還能夠體現(xiàn)無(wú)限地基對(duì)結(jié)構(gòu)-近場(chǎng)地基區(qū)域的彈性支撐作用。

計(jì)算中，假定3個(gè)方向的地震波都是豎向輸入，其中沿水平方向振動(dòng)的地震波假定為SV波，沿豎向振動(dòng)的地震波假定為P波。

根據(jù)上述黏彈性人工邊界條件及相應(yīng)的地震動(dòng)輸入方法，實(shí)現(xiàn)了地震動(dòng)輸入和模擬散射場(chǎng)地震波通過(guò)人工邊界向無(wú)限遠(yuǎn)處傳播的功能。

選取不同管段局部長(zhǎng)度的隧洞以及滿足相互作用要求的地基范圍，對(duì)工作井和隧洞進(jìn)行三維分析。

2.3 計(jì)算模型

隧洞沿線上間隔5～6 km設(shè)置一個(gè)工作井，共7個(gè)工作井。模型網(wǎng)格在隧洞縱向約125 m，橫向約50 m，豎向約200 m。其中，為了精細(xì)模擬工作井和隧洞，工作井在厚度方向剖分4層網(wǎng)格，隧洞管片單元在厚度方向剖分3層并對(duì)隧洞周邊土體進(jìn)行了加密處理。有限元計(jì)算網(wǎng)格數(shù)超過(guò)50萬(wàn)，自由度數(shù)超過(guò)150萬(wàn)。見(jiàn)圖2-圖5。

圖2 直線段局部三維有限元網(wǎng)格

圖3 直角拐彎段局部有限元網(wǎng)格

圖4 直線段工作井與隧洞有限元網(wǎng)格

圖5 直角拐彎段工作井與隧洞有限元網(wǎng)格

2.4 地震動(dòng)輸入

地震動(dòng)輸入方法與二維一致，地震動(dòng)加速度時(shí)程采用RG1.60標(biāo)準(zhǔn)譜人工波。圖6為人工波地震加速度時(shí)程；圖7為根據(jù)反應(yīng)譜生成的人工波加速度時(shí)程。

圖6 人工波地震加速度時(shí)程

圖7 人工地震波加速度反應(yīng)譜與期望譜的對(duì)比(阻尼比5%)

2.5 計(jì)算結(jié)果

對(duì)于與工作井連接處，管片最大壓應(yīng)力為0.58 MPa、拉應(yīng)力為1.6 MPa；對(duì)于工作井附近(約8 m)，管片最大壓應(yīng)力為2.2 MPa、拉應(yīng)力為1.2 MPa；對(duì)于隧洞直線段，管片最大壓應(yīng)力為2.2 MPa、拉應(yīng)力為1.2 MPa。見(jiàn)表2和圖8。

表2 隧洞應(yīng)力極值 /MPa

圖8 運(yùn)行期+地震隧洞管片應(yīng)力(單位：Pa，壓為正，隧洞直線段)

圖9 運(yùn)行期+地震隧洞管片典型橫斷面應(yīng)力(單位：Pa，壓為正，隧洞直線段)

隧洞管片軸力受壓最大值為318 kN，位于左側(cè)拱腰處；剪力絕對(duì)值最大值為100 kN，最小值位置與運(yùn)行期基本相同；彎矩絕對(duì)值最大值為34 kN·m，極值位置與施工期基本相同。見(jiàn)表3。

表3 隧洞內(nèi)力極值(直線段工作井及其連接隧洞)

3 結(jié) 論

采用隧洞與地基非線性動(dòng)力相互作用的有限元計(jì)算方法，對(duì)核電廠取排水工程取水隧洞進(jìn)行地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，研究結(jié)果表明：

1) 隧洞管片最大壓應(yīng)力發(fā)生在竣工期，最大值為3.0 MPa；最大拉應(yīng)力發(fā)生在地震期，最大值為1.6 MPa；均小于C55混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度。

2) 管片軸力和剪力極值發(fā)生在竣工期，軸力最大值為564 kN(壓)；剪力絕對(duì)值最大值為216 kN。彎矩絕對(duì)值最大值發(fā)生在地震期，為34 kN·m。

3) 矩形工作井地連墻的最大拉、壓應(yīng)力均發(fā)生在竣工期，最大壓應(yīng)力為8.8 MPa，局部最大拉應(yīng)力達(dá)5.1 MPa，最大拉應(yīng)力位于地連墻直角相交處外側(cè)(約1/4井深)；內(nèi)襯最大拉、壓應(yīng)力均發(fā)生在地震期，最大壓應(yīng)力為3.5 MPa，最大拉應(yīng)力為4.6 MPa，位于內(nèi)襯直角相交處(約1/4井深)、 內(nèi)襯與底板交接處。因此，在工作井設(shè)計(jì)中，需要對(duì)拉應(yīng)力較大的部位進(jìn)行配筋加固，以滿足強(qiáng)度要求。

4) 隧洞與工作井連接處的接縫在運(yùn)行期最大錯(cuò)動(dòng)變形為3.5 mm，地震期為5.9 mm。管片縱向接縫在施工期和運(yùn)行期相對(duì)變形很小，地震期的最大張開(kāi)量為0.10 mm、錯(cuò)動(dòng)變形為0.25 mm。管片縱向螺栓的拉應(yīng)力最大值為41.2 MPa，小于其抗拉強(qiáng)度。