核電廠主廠房基坑降水分析與設(shè)計(jì)

李寶寧

(中國(guó)中原對(duì)外工程有限公司,北京 100044)

核電廠機(jī)型為“華龍一號(hào)”，廠址坐落在Punjab平原ThalDoab沙丘，地基是由細(xì)、中沙形成的沖積層，厚度超過(guò)200 m。距離主廠房東北方向約1 km處是寬150 m、深4 m的CJ-Link 和Zndus River。機(jī)組基礎(chǔ)位于地下水位以下4.5 m。由此可見(jiàn)機(jī)組基礎(chǔ)坐落在地下水位以下的中等透水地基之上，這也是該核電項(xiàng)目的特點(diǎn)及施工難點(diǎn)。

機(jī)組的主廠房筏基長(zhǎng)238 m、寬157 m、地下水位以下4.5 m，基坑降水規(guī)模(降水面積、井點(diǎn)數(shù)量、降水量等)較該區(qū)域以往項(xiàng)目明顯擴(kuò)大。核島和常規(guī)島降水屬于異性區(qū)域降水，加大了機(jī)組基坑降水的設(shè)計(jì)及施工難度。

本文根據(jù)廠址的地質(zhì)水文條件，結(jié)合該區(qū)域以往機(jī)組基坑降水經(jīng)驗(yàn)，對(duì)機(jī)組基坑降水進(jìn)行分析、策劃、設(shè)計(jì)，并對(duì)降水方案進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證，為后續(xù)主廠房的基坑開挖與降水施工提供技術(shù)支持，以及合同價(jià)格測(cè)算支持。

1 主廠房基坑降水分析

1.1 開挖與降水的關(guān)系

機(jī)組廠址標(biāo)高為：+200.2 m，基礎(chǔ)底標(biāo)高為：+187.2 m，地下水標(biāo)高為：+191.5 m，降水與開挖需穿插施工、統(tǒng)籌考慮。為滿足現(xiàn)場(chǎng)材料運(yùn)輸通道設(shè)置及基坑邊坡安全要求，并考慮盡量縮小降水區(qū)域、減少降水井點(diǎn)數(shù)量，采用分兩期開挖的方式進(jìn)行開挖。

第一期基坑開挖工程分為二個(gè)施工階段進(jìn)行，土方開挖與降水井點(diǎn)施工互相配合交叉作業(yè)，井點(diǎn)降水影響區(qū)域在降水滿足開挖要求后再進(jìn)行開挖施工。

1.2 聯(lián)合降水分析

本文通過(guò)計(jì)算核島降水引起的常規(guī)島地基區(qū)域的不均勻沉降來(lái)判斷是否存在聯(lián)合降水的必要性。

1.2.1 計(jì)算模型與參數(shù)的選取

地基上部荷載：地基上部荷載為筏板基礎(chǔ)的對(duì)地壓力，故為：P0=75 t/m3。

土地壓縮模量：根據(jù)規(guī)范Es=20 MPa，隨壓力越大，壓縮模量變大：Esi=(20+i)MPa。

1.2.2 不均勻沉降差的計(jì)算

圖1 核島筏基地基地下水抽水影響的應(yīng)力差計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.1 Stress difference calculation of Nuclear Island foundation

式中：εi、Hi、ΔPi、Esi分別為第i分層土的壓縮應(yīng)變、土的厚度(取1)、壓力差、壓縮模量；n=分層數(shù)。由于筏基地板寬度約50 m，根據(jù)彈性力學(xué)計(jì)算，取n=50為影響應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的計(jì)算范圍。計(jì)算得到不均勻沉降差為：S=0.69 cm。

1.2.3 聯(lián)合降水方案的判斷

根據(jù)《壓水堆核電廠核安全有關(guān)廠房地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求，建筑物廠房的整體傾斜度不超過(guò)1/1200。核島長(zhǎng)度為119.2 m，9.93 cm>S=0.69 cm，采用分部降水的形式產(chǎn)生的不均勻沉降不會(huì)超過(guò)規(guī)范要求。由于核島開挖降水施工周期較長(zhǎng)(約1～2年)，建議盡量采用核島與常規(guī)島聯(lián)合降水布置的方式進(jìn)行基坑降水施工。

1.3 異形群井效應(yīng)分析

由于機(jī)組核島、常規(guī)島筏板基礎(chǔ)的聯(lián)合降水區(qū)域?yàn)楫愋稳壕畢^(qū)域，規(guī)范中參數(shù)h、S、r0、hm等取值無(wú)法準(zhǔn)確確定，涌水量將無(wú)法計(jì)算。針對(duì)上述問(wèn)題，本文分析異形群井效應(yīng)的影響，獲得能夠適用于機(jī)組異形群井降水的計(jì)算方法。

1.3.1 群井效應(yīng)分析

在四周存在補(bǔ)給水的狀態(tài)下，飽和土體中的單個(gè)井點(diǎn)降水形成的降水水位線為對(duì)稱漏斗形。群井情況下，單井外側(cè)仍能夠形成漏斗形狀；但內(nèi)側(cè)無(wú)法形成對(duì)稱的漏斗形狀。

相關(guān)研究表明：群井效應(yīng)下井點(diǎn)內(nèi)側(cè)的降水深度是非群井狀態(tài)下降水深度的幾倍甚至幾十倍[1]，主廠房周圍設(shè)置成排井點(diǎn)組成群井，而且降水區(qū)域中心為降水深度最淺的點(diǎn)。機(jī)組主廠房的降水的水源來(lái)自于運(yùn)河，井點(diǎn)布置中，北/東側(cè)應(yīng)較南/西側(cè)密集。

1.3.2 異形區(qū)域分析

核島、常規(guī)島的降水區(qū)域?yàn)殡p軸對(duì)稱的矩形，可以簡(jiǎn)化為垂直于橫軸、縱軸的二維的降水平面[2]，根據(jù)群井效應(yīng)分析，在核島與常規(guī)島連接處，處在二維降水平面內(nèi)，因此可以通過(guò)分別單獨(dú)計(jì)算核島和常規(guī)島涌水量，加和后作為總涌水量。數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 整排井形成的降水剖面圖Fig.2 Dewatering profile formed by whole row of wells

1.4 降水對(duì)周圍建筑物的影響

基坑降水對(duì)周圍建筑的影響主要體現(xiàn)在對(duì)周圍建筑物不均勻沉降的影響。常規(guī)島降水引起的核島筏板基礎(chǔ)的不均勻沉降僅為0.69 cm，滿足規(guī)范要求，且降水對(duì)周圍建筑物不均勻沉降的影響會(huì)隨與建筑物的距離增大而減小，故定性分析降水對(duì)周圍建筑物影響不予考慮。

2 主廠房基坑降水設(shè)計(jì)

2.1 基坑開挖設(shè)計(jì)

根據(jù)上述基坑開挖與降水的關(guān)系分析，設(shè)計(jì)開挖圖如圖3所示。

圖3 核島開挖圖Fig.3 Excavation of the nuclear island

第一期開挖至+193.2 m(-9.5 m)，開挖底標(biāo)高為地下水位以上1.7 m，該標(biāo)高設(shè)置施工環(huán)形通道，由于挖機(jī)能力局限性，該期開挖分三層完成。第二期開挖至-16.4 m，該期開挖底標(biāo)高位于地下水位以下。第二期開挖分為四層，每層分別開挖至-10.7 m、-11.9 m、-14.6 m、-16.4 m。環(huán)形通道設(shè)置在+193.5 m，考慮施工運(yùn)輸和材料堆放的要求，環(huán)形通道寬度設(shè)置為9 m，在環(huán)形通道的內(nèi)邊緣設(shè)置降水井點(diǎn)，既能夠充分利用環(huán)形通道的工作面，又能夠盡最大限度縮小降水范圍，減少降水成本。

鑒于在以往項(xiàng)目核島基坑開挖放坡的可行性，采用1∶1.5的放坡比例，放坡開挖完成后，在坡面敷設(shè)紅磚進(jìn)行護(hù)坡，此放坡方式能夠在滿足要求的情況下極大地減少成本。通過(guò)計(jì)算得到主廠房開挖總土方量為41萬(wàn)立方米。

2.2 井點(diǎn)降水的策劃

2.2.1 降水類型選取

通常情況下，基坑降水方法主要有：明溝加集水井降水、噴射井點(diǎn)降水、電滲井點(diǎn)降水、井管井點(diǎn)降水、輕型井點(diǎn)降水、深井井點(diǎn)降水等。

其中深井井點(diǎn)降水適用于土層滲透系數(shù)為10～250 m/d、降低水位深度可大于15 m。該降水方法適用于現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件，主廠房基坑降水選用深井井點(diǎn)降水的方法。

2.2.2 以往項(xiàng)目的降水經(jīng)驗(yàn)

滲透系數(shù)：根據(jù)以往機(jī)組降水觀測(cè)井實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，滲透系數(shù)取值為89.42 m/d。

井點(diǎn)間距：由于基坑?xùn)|/北側(cè)靠近補(bǔ)給水源，東/北側(cè)：西/南側(cè)間距比值為1∶1.5。

井點(diǎn)檢修備用比例：降水過(guò)程中，存在抽水電機(jī)發(fā)熱、抽水水泵檢修等無(wú)法預(yù)計(jì)的故障，為避免降水后地下水回流，檢修備用率為20%。

基坑降水動(dòng)水位：根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，基坑降水動(dòng)水位需在施工底標(biāo)高以下0.5～1 m，由于核電施工的特殊性，計(jì)算時(shí)取地下水位降至基坑設(shè)計(jì)標(biāo)高下1.5～2 m。

潛水泵型號(hào)：根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，選用抽水能力為210 m3/h 的潛水泵。

2.3 深井井點(diǎn)降水涌水量計(jì)算

井點(diǎn)降水的涌水量與井點(diǎn)的布置有關(guān)，經(jīng)過(guò)上文的分析，涌水量由核島區(qū)域和常規(guī)島區(qū)域分別計(jì)算提供。首先通過(guò)規(guī)范中給出的規(guī)則區(qū)域井點(diǎn)降水涌水量公式得到核島區(qū)域和常規(guī)島區(qū)域的涌水量，得到總涌水量；再通過(guò)涌水量總和及單井允許抽水能力確定井點(diǎn)數(shù)量、井點(diǎn)間距，布置降水井點(diǎn)；最后確定降水井點(diǎn)的設(shè)計(jì)、施工參數(shù)。

2.3.1 核島、常規(guī)島涌水量計(jì)算

經(jīng)上述分析，使用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ120的附錄F第F.0.2條提供的基坑涌水量公式進(jìn)行核島涌水量計(jì)算，公式如下：

核島區(qū)域總涌水量：127 267 m3/d。同理，常規(guī)島區(qū)域總涌水量：114 861 m3/d。

2.3.2 機(jī)組主廠房基坑降水總涌水量

主廠房井點(diǎn)降水總涌水量為核島、常規(guī)島涌水量之和，即242 128 m3/d。

2.4 單井允許進(jìn)水能力計(jì)算

在降水時(shí)，地下水通過(guò)井管進(jìn)入降水井內(nèi)，受管段長(zhǎng)度的限制，最大允許進(jìn)水能力：

2.5 井點(diǎn)個(gè)數(shù)計(jì)算

通過(guò)單井允許進(jìn)水能力選擇井點(diǎn)個(gè)數(shù)：n1=Q/q=28。

按照井的進(jìn)水能力計(jì)算得，最少需28口井，流量應(yīng)小于8 963.98 m3/d，選用210 m3/h的潛水泵(揚(yáng)程42 m、功率37 kW、涌水量5040 m3/d)。

n=Q/q=242 128/5040=49，考慮20%的檢修需要，至少配備59口井。

2.6 井點(diǎn)間距計(jì)算

井點(diǎn)平均間距為14.7 m。核島北側(cè)間距為12 m，核島西側(cè)/南測(cè)為18 m。常規(guī)島東側(cè)/北側(cè)間距為10 m，南側(cè)間距為16 m。

2.7 機(jī)組主廠房聯(lián)合降水井點(diǎn)布置圖

機(jī)組主廠房聯(lián)合降水井點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖4。

圖4 機(jī)組降水井點(diǎn)布置圖Fig.4 Layout of dewatering well points注:共59口井，核島周圍33口；常規(guī)島周圍26口。

2.8 井點(diǎn)參數(shù)計(jì)算

核島周圍共33口井的參數(shù)：1.5 m沉砂管+15.2 m濾管+0.3 m大小頭=17 m，潛水泵在大小頭上方4 m，潛水泵在穩(wěn)定動(dòng)水位下4 m，則井底到動(dòng)水位的距離： 25 m，井內(nèi)動(dòng)水位標(biāo)高為：+179.0 m，降水深度12.3 m，環(huán)形通道的標(biāo)高為-9.5 m，井底標(biāo)高為+154.0 m，井深： 40 m(井深度)。井口直徑：0.7 m，井管直徑：0.45 m，井管長(zhǎng)度：23 m。同理，常規(guī)島26口井參數(shù)：井深：37 m。井口直徑：0.7 m，井管直徑：0.45 m，井管長(zhǎng)度：37-17=20 m。

3 機(jī)組主廠房基坑降水方案驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行模擬驗(yàn)證。本文使用工程常用的流固耦合計(jì)算軟件ABAQUS進(jìn)行有限元分析[3]。

3.1 機(jī)組主廠房基坑降水?dāng)?shù)值模擬模型建立

3.1.1 計(jì)算模型簡(jiǎn)化分析

考慮到計(jì)算機(jī)配置局限，并通過(guò)1.3.1和1.3.2中的分析，將核島、常規(guī)島的基坑群井降水簡(jiǎn)化為過(guò)基坑中心斷面的二維降水模型。分析模型簡(jiǎn)圖及數(shù)值分析模型如圖5所示。

圖5 核島典型降水?dāng)嗝娣治瞿Ｐ虵ig.5 The analysis model for the typical dewatering section of the nuclear island

3.1.2 模型的建立

輸入井點(diǎn)降水深度、井點(diǎn)間距、井點(diǎn)口徑等數(shù)據(jù)，建立數(shù)值模擬圖如圖6所示。

圖6 數(shù)值模擬模型Fig.6 The Nnumerical simulation model

3.2 機(jī)組主廠房基坑降水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果及分析

3.2.1 核島數(shù)值模擬結(jié)果

選用勘察報(bào)告及以往項(xiàng)目降水經(jīng)驗(yàn)輸入計(jì)算參數(shù)，得到核島廠房典型斷面基坑降水滲流圖,如圖7、圖8所示。

圖7 核島降水?dāng)嗝娼邓疂B流圖 Fig.7 The precipitation seepage of nuclear island dewatering section

圖8 常規(guī)島降水?dāng)嗝娼邓疂B流圖Fig.8 The precipitation seepage of conventional island dewatering section

如圖7、圖8所示，左上角為空隙水壓力的等級(jí)圖。從數(shù)據(jù)看出，藍(lán)色為孔隙水壓力為0的部分，該部分土體在地下水位以上；從藍(lán)色到紅色的過(guò)度(分為1～15色段)，孔隙水壓力逐漸增大，色段右側(cè)的數(shù)值為孔隙水壓力的計(jì)算值。

3.2.2 核島、常規(guī)島數(shù)值模擬結(jié)果分析

從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，在基坑內(nèi)部，越靠近降水井，地下水位越低，基坑中心為降水深度最淺的位置。1號(hào)色段與2號(hào)色段的交界處水利坡度為0，交界處地下水位降水線。通過(guò)模型截面尺寸如圖9、圖10所示，進(jìn)行切割可以看到基坑降水地下水位線以下6.5 m(+185 m)，而核島筏板基礎(chǔ)的底標(biāo)高為+187.2 m，基坑降水在基坑標(biāo)高下2.2 m>2 m，滿足施工要求；常規(guī)島基坑降水在基坑標(biāo)高下2.7 m>2 m，滿足施工要求。

圖9 核島基坑中心降水標(biāo)高截面圖Fig.9 The cross-section of the dewatering elevation in the center of the foundation pit of the nuclear island

圖10 常規(guī)島基坑中心降水標(biāo)高截面圖Fig.10 The cross-section of the dewatering elevation in the center of the foundation pit of the conventional island

4 結(jié)論

本文根據(jù)廠址的地質(zhì)水文資料，結(jié)合以往核電項(xiàng)目基坑降水的經(jīng)驗(yàn)，分析計(jì)算得到機(jī)組主廠房基坑降水設(shè)計(jì)方案，確定了井點(diǎn)個(gè)數(shù)、井點(diǎn)間距、井點(diǎn)布置、涌水量、井點(diǎn)施工參數(shù)等。本文還通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)降水方案進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果顯示設(shè)計(jì)方案能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工。同時(shí)通過(guò)水位降深看出，該方案的布置方法產(chǎn)生的基坑降深接近預(yù)設(shè)降深，從經(jīng)濟(jì)角度分析能使得降水費(fèi)用得到優(yōu)化，為后續(xù)主廠房的基坑開挖與降水施工提供技術(shù)支持，以及合同價(jià)格測(cè)算支持。