核電廠跌落井結構設計分析

王 芳，侯樹強

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

某核電廠跌落井位于核島廠房的東南側，包括跌落井、排水暗渠及閘門井等設施。跌落井是循環(huán)水系統(tǒng)的排水虹吸井，上游連接循環(huán)水系統(tǒng)的排水廊道，井內設有溢流堰，循環(huán)水排水經溢流堰，排至下游的排水暗渠，最后排入大海。

排水暗渠是循環(huán)后海水、低放廢水、廠區(qū)雨水的排出渠道，在排出口處設有閘門井，閘門用于跌落井和排水暗渠檢修。

本工程CC跌落井的平面尺寸為46.5 m（長）×37.5 m（寬），溢流堰頂標高為-9.99 m，溢流堰堰前深為-19.05 m，堰后深為-14.65 m，內部最高設計水位為-4.61 m。CC跌落井內分兩格設置，每格對應一臺機組的兩條管溝，管溝斷面為4 m（寬）×3.5 m（高），每格跌落井后與一條排水暗渠相連，排水暗渠斷面為6 m（寬）×4 m（高），深為-14.65 m。

根據(jù)《核電廠抗震設計規(guī)范》，跌落井可歸為Ⅲ類物項，即核電廠中，與核安全無關的物項，結構設計標準可采用民用建筑規(guī)范。根據(jù)勘查報告，跌落井地基持力層為微風化巖，地基條件較好；排水暗渠局部為淤泥混沙；抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g；設計地震分組為第二組。

1 方案設計

1.1 方案的優(yōu)化

結構方案的設計首先是滿足工藝的要求。最初的結構方案是跌落井溢流堰堰后及排水暗渠的底標高為-17.5 m。

考慮到排水暗渠所經區(qū)域為廠區(qū)回填區(qū)，淤泥厚度比較大，采用大開挖方式處理排水暗渠地基，廠區(qū)挖深要比較深，開挖面較大，而且排水暗渠兩側已經修建有鋼結構廠房，限制了開挖面的寬度。因此，在滿足工藝要求的前提下，抬高排水暗渠底標高，降低開挖深度，減小開挖面寬度，就具有很大的現(xiàn)實意義。同時，還可以減少廠區(qū)開挖量，加快施工進度。

經過多次工藝、結構、現(xiàn)場及施工單位的溝通，在充分考慮CC跌落井的使用功能及運行后可能出現(xiàn)的問題，并考慮現(xiàn)場施工條件、工期等因素，滿足設計標準的條件下，將跌落井（及排水暗渠）的底標高適當抬升。最終將堰后及排水暗渠的底標高設定為-14.65 m，在和排水明渠銜接處10 m左右范圍內，暗渠內底標高改為-15.15 m。優(yōu)化后一方面減少了投資、節(jié)約工期，另一方面也為后續(xù)類似項目的設計提供了參考依據(jù)。

1.2 結構方案

由于跌落井結構內部比較空曠，除了-7.0 m標高的連接井之外，沒有結構專業(yè)需要作為支撐的任何樓板和墻體，因此在結構布置和工藝專業(yè)等方面進行了多次協(xié)商。根據(jù)工藝專業(yè)方案，在跌落井溢流堰的前側以及溢流堰的上部，不允許進行任何結構布置；并且溢流堰的后方區(qū)域不允許布置墻體，只能布置滿足結構強度的梁，而且梁在水平和豎直方向上與溢流堰須保持一定的距離。綜合上述要求，在溢流堰后方布置一根大梁，用于支撐外墻的扶壁柱。

側向土壓力主要由跌落井的外墻承擔，溢流堰前方1～2軸之間外墻軸線距離為12.50 m，高為19.55 m。根據(jù)計算，需要沿墻體高度方向設置兩道腰梁，分別支撐在1軸線墻體和2軸線的溢流堰上。而溢流堰后方的外墻，由于高度在15 m左右，因此設置一道腰梁、3根扶壁柱，腰梁、扶壁柱和外墻共同構成梁板結構，共同承擔側向土壓力。這樣跌落井外墻被分成平面尺寸較小的板式單元，墻厚大大減小，裂縫也比較容易控制。由于在土壓力的作用下，腰梁將產生位移，故腰梁并不能作為扶壁柱的支點，扶壁柱的根部彎矩幾乎沒有得到改善。為此，在腰梁和扶壁柱交點處，設置大梁作為扶壁柱的支點。由于兩側土體的對稱作用，此大梁的受力比較簡單，只有軸力和本身的重力。

對于1軸線和7軸線的橫墻，在相同標高的位置也布置一道腰梁，和A、B軸線的腰梁封閉在一起組成環(huán)狀，增加結構的整體性能。大梁的位置對于減小扶壁柱的內力有著關鍵性的作用，綜合考慮各種因素，將大梁布置在-7.0 m處。

考慮地下水的水位較高，跌落井自身的抗浮穩(wěn)定性驗算也是必不可少的。根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》，建筑物自重和浮力的標準值之比大于等于1.05。采用加大跌落井底板外伸長度，利用外伸板上的土體自重作為配重的方法來滿足抗浮要求，并驗算浮力對底板的沖切力。

排水暗渠部分基礎采用高壓旋噴樁加固。

2 跌落井的內力分析

2.1 模型建立

跌落井的計算采用有限元軟件ANSYS建立三維模型進行分析，墻、板采用shell181單元，梁、柱采用beam4單元，底板采用固定支撐。在海水氯化物環(huán)境下，混凝土采用C40，抗?jié)B標號S10，彈性模量3.25×104MPa，泊松比0.2，重力密度25 kN/m3。

與結構施工圖紙相對應，模型總體坐標系的X方向為數(shù)字軸方向，Y方向與字母軸方向一致，Z方向與跌落井高度方向一致。軸力以受壓為負，受拉為正。有限元模型如圖1所示。

圖1 跌落井三維有限元整體模型Fig.1 Three dimensional finite model of water discharge surge tank

圖2 X方向彎矩云圖（M11）Fig.2 X direction moment (M11)

所受的荷載包括恒荷載和作用于頂板上的活荷載。其中恒荷載包括結構自重、側向土壓力、跌落井內的水壓力以及地下水壓力。

2.2 內力分析

以跌落井澆筑完成，外部有回填土但內部無水時的工況為例來分析。

圖2和圖3分別為A軸線墻體X方向和Y方向的彎矩云圖?？梢钥闯觯捎趥认蛲翂毫橹饕奢d，墻體的上半部分內力較小。墻體的X方向和Y方向最大正彎矩均出現(xiàn)在1～2軸之間的墻體中下部，X方向最大正彎矩為340.445 kN·m，對應的軸力為-461.42 kN；Y方向最大正彎矩為498.03 kN·m，對應的軸力為-556.57 kN。由于局部應力，X方向和Y方向最大負彎矩出現(xiàn)在頂板上的梁與墻體的交接處。

圖3 Y方向彎矩云圖（M22）Fig.3 Y direction moment (M22)

3軸線扶壁柱為受力最不利的扶壁柱，圖4為此扶壁柱沿截面高度方向的彎矩圖，可見最大正彎矩出現(xiàn)在扶壁柱的底部，為114.9 kN·m，對應的軸力為-1 894 kN。根據(jù)結構力學概念可知內力分布規(guī)律合理。

對模型的所有工況進行計算并進行對比，類似方法和步驟即可得到跌落井所有構件控制截面的內力，根據(jù)內力情況進行跌落井的設計和配筋，并對配筋進行裂縫驗算，滿足最小裂縫寬度0.2 mm的要求。

圖4 3軸線扶壁柱的內力圖Fig.4 Internal force of buttress column at 3 axes

3 結束語

1）幾乎所有在建的核電廠中都有跌落井這個子項，雖然每個核電廠的跌落井結構布置大不相同，但跌落井結構本身的共性就是空間大，受力條件復雜。常規(guī)的結構力學方法不能滿足結構設計的要求，需要采用數(shù)值分析的方法進行三維整體建模分析。

2）由于跌落井內部墻體和樓板較少，在結構設計概念上，對跌落井結構空間上的傳力體系必須清楚。內部大梁和墻體外側扶壁柱的位置對于結構是最為重要的，甚至需要進行多次試算。

3）在核電廠廠房中，結構設計需要在滿足工藝要求的基礎上，保證建筑物的結構安全，因此，作為一名結構設計人員，了解工藝的要求和現(xiàn)場實際情況是非常必要的。進行結構設計時，需要及時和工藝專業(yè)進行溝通和協(xié)商，和施工現(xiàn)場保持密切聯(lián)系，盡早地了解施工方式和施工中的新技術，才能使結構設計更加合理，得到更為優(yōu)化的結構方案。

[1] G B 50010—2010 混凝土結構設計規(guī)范[S].（GB 50010—2010 Code for design of concrete structures[S].）

[2] GB/T 50476—2008 混凝土結構耐久性設計規(guī)范[S].（GB/T 50476—2008 Code for durability design concrete structures[S].）

[3] G B 50007—2011 建筑地基基礎設計規(guī)范[S].（GB 50007—2011 Code for design of building foundation[S].）