溫洪涌，解鳴曉，熊碧露，羅歲豐，劉鑫，王健

（1.深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456）

1 概述

隨著全球海洋環(huán)境的變化，近年來國內外濱海核電廠發(fā)生多起因海生物（毛蝦、水母、筆帽螺、海地瓜和藻類等）、垃圾和雜物等涌入取水口，造成取水口和過濾設備堵塞，進而導致核電廠停機停堆的重大冷源事件，造成重大經濟損失，也給核電廠冷源安全帶來巨大挑戰(zhàn)，形勢嚴峻。目前，核電廠攔截細小海生物的有效手段為在取水明渠內布設小孔徑網兜，通過網兜的攔截及清理維護，以降低海生物涌入取水口的風險。

本文結合某核電廠網兜式攔網對冷源攔截設施受力的物理模型試驗成果，分析在不同水流、波浪和水深等要素組合工況下，固定錨點的受力變化規(guī)律，進而對現(xiàn)有網兜固定結構的設計進行驗證并對設計進行優(yōu)化。

2 攔網布置方案

本研究的網具結構主要為錐形網兜、掛網樁臺及系纜繩索，其中迎流側在張緊狀態(tài)下的垂直高度12.5 m、網口至尾部的距離30.0 m，尾兜長度8.0 m。網兜的網目間距為5 mm，線徑為0.6 mm。網兜布置工藝采用3拼一跨形式，其中單個網兜的網口橫向間距為4.6 m。攔網平面和縱剖面示意見圖1、圖2。

圖1 攔網平面布置示意圖Fig.1 Layout diagram of block

圖2 攔網縱剖面示意圖Fig.2 Longitudinal section diagram of block

在正常使用中，網兜采用系纜繩索的形式固定于兩側樁臺上，樁臺采用圓樁形式，樁徑1.4 m，取水明渠底部標高為-9.0 m。在樁臺上沿垂向布置多個系纜錨環(huán)，最底部錨環(huán)距離海床1.5 m，錨環(huán)間距保持為4 m，在2個樁臺間設置底梁，并布設4個錨環(huán)。

3 試驗方法

3.1 模型比尺

依據(jù)JTJ/T 231—2021《水運工程模擬試驗技術規(guī)范》等規(guī)范[1-4]的有關規(guī)定進行設計，根據(jù)已有的研究成果[5-7]，采用正態(tài)模型，按照重力相似準則進行設計。同時，結合模型波浪水槽的試驗條件，試驗幾何比尺選擇為1∶15。

3.2 試驗設備

試驗是在寬型波流水槽內進行，水槽總長度90 m，寬度4 m、最大適宜試驗水深1.0 m、最大適宜波高0.35 m、波周期2.8 s，最大適宜流速0.8 m/s。測量儀器包括波高采集系統(tǒng)、流速測量儀、拉力傳感器等。

3.3 攔網模擬

本次試驗研究主要關注攔網系纜點受力情況，而攔網同時受到水流和波浪的作用。因此，試驗著重考慮以下幾個主要因素的相似模擬：水流運動相似、波浪傳播相似、重量相似、網衣透水率相同。

1）網衣透水率模擬

由于網面受到的水流阻力與單位面積網面在水流垂直方向上的投影面積（迎流面積）大小有關，在保證等效網面與理論模型網面迎流面積相同的前提下，可以用等效網面代替理論模型網面進行攔網的物理模型試驗，保證等效網面與理論模型網面具有相同的迎流面積比，即透水率相同。

2）攔網模擬

試驗采用解鳴曉等[8]提出的雙比尺模型相似準則模擬網面，該相似準則可以用于分析網面結構在波浪、水流作用下的模型相似。由于不考慮攔網本身的結構內力，因此本次實驗對于攔網網面的制作，只考慮網面結構的幾何相似及網本身的重力相似，而不考慮其彈性相似。

3.4 試驗布置

試驗儀器及模型在寬型波流水槽中進行布置，作業(yè)工況下拉力傳感器布置情況見圖3。

圖3 作業(yè)工況下拉力傳感器布置Fig.3 Arrangement of tension sensor under working conditions

需要指出，由于本次模型為局部整體模型，故在對單跨網衣的模擬中，為保證水流、波浪在沿寬度方向的均勻性，除測量跨以外，對整個水槽寬度方向均同步布置相同的墩臺和網衣。

4 結果分析

4.1 流速對結構錨點受力分析

在波流聯(lián)合作用和網兜無封堵的工況下，根據(jù)不同流速對結構的錨點受力情況進行分析。圖4給出了5 mm網目網兜在水深7.5 m、不規(guī)則波Hs=0.5 m、Tm=8 s下[9]，流速分別為0.4 m/s、0.6 m/s、0.8 m/s、1.0 m/s時，結構各錨點的拉力大小和錨點拉力趨勢比較結果。

圖4 錨點受力趨勢圖Fig.4 Stress trend diagram of anchor point

由不同流速下錨點所受拉力大小可以看出：錨點1—錨點8的8個拉力值中，位于樁臺上端的錨點1和錨點4以及底部錨梁上的錨點7和錨點8相對于其它錨點所受拉力要大。在流速為1.0 m/s時，錨點1和錨點4處拉力分別為41.52 kN和46.17 kN，錨點2、錨點3、錨點5及錨點6處拉力分別為10.27 kN、12.76 kN、13.17 kN和10.99 kN。錨點1和錨點4拉力值相對較大的可能原因為由于其位于樁臺上端，網兜頂部纜繩和兩處錨點受到波浪力的影響較樁臺水下其余錨點要大，因此其值相對較大，其結果比較符合實際工況。

在流速為1.0 m/s時，底部錨梁上的錨點7和錨點8處拉力分別為52.24 kN和45.52 kN，其值相對錨點2、錨點3、錨點5及錨點6處拉力值大的可能原因為網兜底部纜繩和第1兜、第2兜、第3兜間垂向纜繩直接作用于錨點7和錨點8，同時，網兜底部網片面積要大于網兜側面網片面積，因此錨點7和錨點8所受拉力相對其它點要大，比較符合網兜實際受力情況。

由不同流速下錨點受力大小趨勢可以看出：隨著流速的增大，錨點1、錨點4和錨點7、錨點8處的拉力隨著流速的變大，拉力增大趨勢較為顯著，同時可以看出4處錨點所受拉力的線形變化較陡，拉力受水流流速大小影響較明顯。

4.2 波浪對結構錨點受力分析

在波流聯(lián)合作用，網兜無封堵的工況下，根據(jù)不同波高對結構的錨點受力情況進行分析。圖5和圖6給出了5 mm網目的網兜，在水深7.5 m、不規(guī)則波Hs=0.5 m和Hs=1.0 m、Tm=8 s時，不同流速下，結構各錨點的拉力大小比較結果。

圖5 Hs=0.5 m（H=7.5 m）時錨點的拉力值Fig.5 Tension value of anchor point when Hs=0.5 m(H=7.5 m)

圖6 Hs=1.0 m時錨點的拉力值Fig.6 Tension value of anchor point when Hs=1.0 m

由不同波高下錨點所受拉力大小可以看出：錨點1—錨點8的8個拉力值中，位于樁臺上端的錨點1和錨點4以及底部錨梁上的錨點7和錨點8相對于其它錨點所受拉力要大，且4個錨點受力隨著波高的增大而增大，可能原因為錨點位置不同，影響因素不同而導致。

4.3 水深對結構錨點受力分析

在波流聯(lián)合作用，網兜無封堵的工況下，根據(jù)不同水深對結構的錨點受力情況進行分析。圖5和圖7給出了5 mm網目的網兜，在水深7.5 m和10 m、Hs=0.5 m，不同流速時，結構各錨點的拉力大小比較結果。

圖7 H=10.0 m時錨點的拉力值Fig.7 Tension value of anchor point when H=10.0 m

對比不同水深下錨點所受拉力大小可以看出：錨點1—錨點8的8個拉力值中，位于樁臺上端的錨點1和錨點4以及底部錨梁上的錨點7和錨點8相對于其它錨點所受拉力要大，但4個錨點拉力受水深的變化影響不明顯，同時，可以看出錨點1和錨點4的受力還有變小的趨勢。

5 結語

由于網兜式攔網在海水中受力情況比較復雜，很難通過數(shù)值模擬的方法對攔網受力進行計算。因此，在工程設計研究階段，需開展攔網受力物理模型試驗，為攔網固定結構設計提供可靠的設計輸入數(shù)據(jù)。

本文通過對某濱海核電廠的網兜式攔網物理模型試驗研究和分析得到，網兜纜繩系泊點受力和網兜對攔網結構的牽拉總力，均隨著入射波高和水流流速的增大而增大；但受水深的影響變化不明顯，部分錨點的受力隨著水深的增大，錨點力呈變小的趨勢。建議網兜布置在波高較小、水流流速較低的位置，降低波浪和水流對網兜的影響，方便電廠日常運維作業(yè)。同時，如有條件可對網兜進行現(xiàn)場1∶1模型研究，以進一步驗證模型數(shù)據(jù)的準確性。同時，建議在攔網纜繩處安裝拉力監(jiān)測裝置，設定拉力預警值，預防因錨點受力過大導致錨環(huán)拉斷。當遇到臺風天氣或風暴潮等可能引起波高、流速變大的極端天氣時，應及時清理網兜內的攔截物，降低因網兜拉力過大導致網兜破損或纜繩斷裂的風險。