溫洪涌

（深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518172）

1 概述

目前，我國(guó)核電廠址多建于沿海地區(qū)，由于工程海域波況異常復(fù)雜，且受限于用海范圍，因此工程平面布置需要精心規(guī)劃，既要保障廠址安全，又要做到經(jīng)濟(jì)、合理、可行。同時(shí)，為確保核電廠取水安全，取水明渠通常修建的較為狹長(zhǎng)，以滿足泵房前池的波動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)[1]。

本文通過(guò)某核電廠波浪整體物理模型試驗(yàn)，研究當(dāng)取水明渠北防波堤段分別采用斜坡式和直立式結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)泵房前池波高的影響，并在明渠前端設(shè)置擋浪墻結(jié)構(gòu)，以降低泵房前池波高。研究表明[2-4]，由于取水明渠具有狹長(zhǎng)、半封閉的特征，在泵房前池通常存在長(zhǎng)周期波動(dòng)現(xiàn)象。本文通過(guò)對(duì)明渠內(nèi)長(zhǎng)短周期波的分離，以研究其對(duì)泵房前池波高的影響。為防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的確定和明渠前端擋浪墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

2 防波堤布置方案

某核電廠址位于島嶼，四面環(huán)海，取水明渠布置在廠區(qū)東北側(cè)水域，與岸線平行，口門(mén)朝向?yàn)镾W向。明渠口門(mén)底部高程為-8.5 m，從西防波堤段至明渠泵房前池底部高程為-12.0 m。西防波堤采用斜坡式結(jié)構(gòu)，堤頂標(biāo)高為+8.5 m；東防波堤為斜坡式結(jié)構(gòu)，坡面1∶1.5，堤頂高程由南到北+11.0～+13.5 m。北防波堤段擬分別采用直立堤和斜坡堤，并與明渠前端設(shè)置擋浪墻的方案相組合。

1）直立堤方案

北防波堤段為直立結(jié)構(gòu)，其中海側(cè)堤頂高程為+13.5 m，明渠側(cè)堤頂高程為+12.0 m，平面布置見(jiàn)圖1。為分析明渠內(nèi)波浪傳播特性，在明渠內(nèi)布置6個(gè)波高測(cè)試點(diǎn)，其中Q1-Q3位于泵房前池區(qū)域，點(diǎn)位分布如圖1所示。

圖1 北防波堤為直立堤方案平面布置圖Fig.1 Plan layout of vertical-type north breakwater

2）斜坡堤方案

北防波堤段為斜坡式結(jié)構(gòu)，堤頂高程為+13.5 m，見(jiàn)圖2，明渠內(nèi)測(cè)試點(diǎn)位置同直立堤方案。

圖2 北防波堤為斜坡堤方案平面布置圖Fig.2 Plan layout of sloping-type north breakwater

3）直立堤+擋浪墻方案

北防波堤段為直立式結(jié)構(gòu)，并在取水明渠前端樁基結(jié)構(gòu)上設(shè)置一道混凝土擋浪墻，墻頂標(biāo)高+6.8 m，墻底標(biāo)高+0.0 m，布置于樁間；明渠內(nèi)測(cè)試點(diǎn)位置同直立堤方案，其中測(cè)試點(diǎn)Q1-Q5位于擋墻內(nèi)側(cè)，Q6位于擋墻外側(cè)，擋浪墻平面位置見(jiàn)圖1中粗虛線位置，斷面和立面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3和圖4，模型中不考慮樁基擋浪作用。

圖3 擋浪墻結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.3 Sectional view of wave retaining wall

圖4 擋浪墻結(jié)構(gòu)立面圖Fig.4 Elevation of wave retaining wall

4）斜坡堤+擋浪墻方案

北防波堤段為斜坡式結(jié)構(gòu)，并在取水明渠前端樁基結(jié)構(gòu)上設(shè)置一道混凝土擋浪墻，墻頂標(biāo)高+6.8 m，墻底標(biāo)高+0.0 m，擋浪墻平面位置見(jiàn)圖2中粗虛線位置，斷面和立面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3和圖4。明渠內(nèi)測(cè)試點(diǎn)位置同直立堤方案。

3 試驗(yàn)方法

1）模型比尺：依據(jù)JTS/T 231—2021《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》[5]的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)已有成果[6-8]，確定幾何比尺為λ=70，進(jìn)行正態(tài)比尺模型試驗(yàn)。

2）試驗(yàn)設(shè)備：模型試驗(yàn)在80 m×60 m×2.25 m的大型水池中進(jìn)行，水池中裝備有大型可移動(dòng)式不規(guī)則波造波機(jī)、智能數(shù)據(jù)采集儀、水泵等。

3）波浪模擬：波浪模型試驗(yàn)采用不規(guī)則波進(jìn)行試驗(yàn)，波浪譜為JONSWAP譜，其表達(dá)式為：

式中：H1/3為有效波高，m；TP為譜峰值周期，s；f為譜頻率，Hz；γ為譜峰值參數(shù)。

波譜模擬時(shí)，總能量偏差控制在±10%之內(nèi)，H1/3波高和譜峰周期的偏差均控制在±5%之內(nèi)。不規(guī)則波以H1/3波高和平均周期為控制條件進(jìn)行波浪模擬。

由于工程海域強(qiáng)浪向?yàn)镋—SE向，根據(jù)泵房前池波動(dòng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[1]（100 a一遇高水位+100 a一遇波浪條件下，H1/3≤0.5 m），試驗(yàn)波浪要素見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)波浪要素Table 1 Wave parameters for experiment

4 結(jié)果分析

本次試驗(yàn)測(cè)定了取水明渠內(nèi)Q1—Q6共6個(gè)測(cè)點(diǎn)的波浪要素[9]，在E向和SE向波浪作用下，各段防波堤均無(wú)明顯越浪，東堤對(duì)明渠起到很好的掩護(hù)作用，對(duì)外海傳播來(lái)的波浪進(jìn)行了有效地阻擋。波浪通過(guò)東防波堤堤頭繞射進(jìn)入明渠，波能沿程衰減，波高逐漸降低，圖5給出了不同方案測(cè)點(diǎn)最大有效波高的對(duì)比情況。

1）直立堤方案

由明渠內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的波高值可以看出（圖5）：在E向和SE向波浪作用下，泵房前池最大有效波高值分別達(dá)到0.87 m和1.04 m，均超過(guò)了0.5 m的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，分析其原因主要是北防波堤段為直立式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形式對(duì)波浪反射作用影響較大。同時(shí)，波浪雖然經(jīng)過(guò)東防波堤的阻擋，繞射后浪高有所消減，但由于明渠內(nèi)未設(shè)置有效的擋浪設(shè)施，最終導(dǎo)致Q1-Q3處波高值較大。

圖5 不同方案測(cè)點(diǎn)最大有效波高對(duì)比Fig.5 Comparison of maximum significant wave height at measuring points in different schemes

2）斜坡堤方案

北防波堤段由直立堤調(diào)整為斜坡堤后，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出（圖5）：相較于直立堤，斜坡堤對(duì)波浪的反射作用明顯減小，泵房前池波高下降較多，E向和SE向波浪作用下，泵房前池最大有效波高降為0.60 m和0.75 m。

3）直立堤+擋浪墻方案

在明渠前端設(shè)置擋浪設(shè)施后，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出（圖5）：由于擋浪墻所在位置高于100 a一遇高水位，具有一定的消浪作用，各測(cè)點(diǎn)處波高值均較直立堤方案有所降低，但降低幅度并不大，E向和SE向波浪作用下，泵房前池最大有效波高降低至0.71 m和0.72 m，仍超過(guò)了0.5 m的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4）斜坡堤+擋浪墻方案

在明渠前端設(shè)置擋浪設(shè)施后，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出（圖5）：除Q6點(diǎn)外，明渠內(nèi)各點(diǎn)波高值均減小，泵房前池各點(diǎn)最大有效波高均降至0.5 m以下，其中在SE向波浪作用下，泵房前池最大有效波高為0.48 m。

5）泵房前池波浪特性分析

由于規(guī)范[1]中只對(duì)泵房前池的波高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)定，尚未明確波動(dòng)周期。因此，研究泵房前池的波浪特性，對(duì)于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的意義。實(shí)測(cè)明渠內(nèi)特征點(diǎn)歷時(shí)波動(dòng)情況見(jiàn)圖6。

圖6 明渠內(nèi)特征點(diǎn)歷時(shí)波動(dòng)情況Fig.6 Duration wave-level fluctuation of feature points in open channel

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)明渠內(nèi)存在明顯的長(zhǎng)周期波動(dòng)現(xiàn)象，口門(mén)位置（Q6）的波動(dòng)周期明顯小于泵房前池的波動(dòng)周期（Q1）。

采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）[4]方法對(duì)泵房前池波動(dòng)以30 s為界限進(jìn)行長(zhǎng)短周期波分離，以SE方向?yàn)槔?種方案下泵房前池波動(dòng)分離結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 SE向泵房前池波浪長(zhǎng)短周期分離統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of long and short period separation of waves in the forebay of pump house(SE direction)

由結(jié)果分析可知：泵房前池的波動(dòng)以長(zhǎng)周期為主，周期大多在200～400 s之間，相應(yīng)各方案下波高值均大于1 m；而對(duì)于短周期波動(dòng)，周期大多在20～30 s之間，除直立堤方案外，其余方案的短周期波高均小于0.5 m?？傮w來(lái)看，斜坡堤方案情況下，短周期波動(dòng)較小，而長(zhǎng)周期波動(dòng)較大。在增加擋浪墻后，對(duì)短周期的波動(dòng)抑制作用較明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

由于核電廠取水防波堤沿岸布置，且明渠呈狹長(zhǎng)形態(tài)，不同結(jié)構(gòu)形式的防波堤對(duì)泵房前池波高影響較大，波浪數(shù)學(xué)二維模型很難對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的防波堤進(jìn)行模擬分析，因此，在工程設(shè)計(jì)階段，除了開(kāi)展相關(guān)波浪數(shù)學(xué)模型外，有必要開(kāi)展物理模型試驗(yàn)，為防波堤結(jié)構(gòu)方案的確定提供可靠的依據(jù)。

本文通過(guò)對(duì)某濱海核電廠取水防波堤整體物理模型試驗(yàn)研究和分析得到，取水明渠北防波堤段斜坡堤+擋浪墻方案較直立堤+擋浪墻方案更優(yōu)，前者在100 a一遇高水位+100 a一遇波浪作用下，泵房前池波高均小于0.5 m，滿足泵房前池波高要求。同時(shí)，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）法對(duì)前池波動(dòng)分離結(jié)果表明，泵房前池以長(zhǎng)周期波動(dòng)為主，周期在200～400 s之間，建議評(píng)估長(zhǎng)短周期波動(dòng)對(duì)取水工藝的影響，以優(yōu)化明渠前端的擋浪墻結(jié)構(gòu)，降低海工工程費(fèi)用和施工難度。