某核電廠排水口消能設(shè)施優(yōu)化研究

王秉昌，王書昇，張 俊，夏悟民

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510230；2.中核霞浦核電有限公司，福建寧德 355199）

引言

核電廠廠址選擇多位于突出海岸的半島或孤島上，廠址周邊可能會(huì)存在著大范圍的超厚軟土層，例如寧德核電廠廠址處淤泥和淤泥質(zhì)粘土總厚度高達(dá)40～50 m。本工程核電廠廠址條件與寧德核電廠的情況類似，排水口附近的淤泥和淤泥質(zhì)土總厚度達(dá)40 m 左右。排水口附近的護(hù)岸、排水導(dǎo)流堤等地基處理方式采用爆破擠淤方案。排水暗涵下穿護(hù)岸接入排水明渠，排水口流速一般為2.5 m/s左右，對(duì)明渠兩側(cè)的排水導(dǎo)流堤和護(hù)岸形成長(zhǎng)期沖刷。根據(jù)核電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋：田灣核電廠排水構(gòu)筑物設(shè)置了約80 m 范圍的防沖刷結(jié)構(gòu)，近10 年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)顯示排水口前方明渠兩側(cè)爆破擠淤法成堤的導(dǎo)流堤坡腳穩(wěn)定性良好；而福清核電廠排水構(gòu)筑物未設(shè)置防沖刷結(jié)構(gòu)，試運(yùn)行階段顯示排水口前方明渠兩側(cè)打塑料排水板法地基處理的導(dǎo)流堤坡腳出現(xiàn)一定范圍的掏刷，需采取措施進(jìn)行修補(bǔ)。因此，電廠排水口防沖刷設(shè)計(jì)的可靠性十分重要。為確保本工程排水構(gòu)筑物的安全有效，開展了物理模型試驗(yàn)，并給出消能設(shè)施的優(yōu)化方案，試驗(yàn)成果可為類似核電廠或火電廠等排水口防沖刷工程提供參考。

1 工程概況

某核電廠先期建設(shè)的2 臺(tái)機(jī)組，取、排水量分別為33 m3/s、55 m3/s。排水系統(tǒng)由排水暗涵、排水口組成，由于工程區(qū)波浪較大，排水口由東、西防波堤和陸域護(hù)岸圍繞，形成排水渠道（圖1）。排水暗涵為矩形斷面，其內(nèi)底標(biāo)高為-6.45m，包括2條，內(nèi)徑尺度分別為3.5×4 m（寬×高）和6 m×4 m（寬×高）；排水口成擴(kuò)散式，擴(kuò)散角為15 度，由兩側(cè)翼墻、混凝土底板和消能坎組成。翼墻寬3.0 m，長(zhǎng)約28 m，消能坎寬1.0 m，頂高程-8.1 m。排水明渠長(zhǎng)150 m，渠底寬25 m，設(shè)計(jì)底高程-10.0 m，基本與海床底高程相同，排水口外區(qū)域開挖換填為中細(xì)砂，具體初步方案見圖2 和圖3。

圖1 排水口總平面布置圖

圖2 排水口大樣圖

圖3 排水口斷面圖

2 試驗(yàn)內(nèi)容和條件

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

1）在試驗(yàn)水位與流量組合運(yùn)行工況下，觀測(cè)暗涵排出口的流態(tài)，對(duì)暗涵出水口幾何尺寸及高程布置的合理性進(jìn)行驗(yàn)證；

2）在試驗(yàn)水位與流量組合運(yùn)行工況下，觀測(cè)排水明渠內(nèi)的流態(tài)變化情況，提出保證水流平穩(wěn)的工程措施；

3）在試驗(yàn)水位、流量組合運(yùn)行工況下，模擬研究機(jī)組暗涵出流對(duì)明渠底部的沖刷程度，據(jù)此給出排水出口區(qū)域防護(hù)措施及其防護(hù)范圍。

2.2 試驗(yàn)條件

1）試驗(yàn)水位（1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)）：100 年1 遇低水位：-3.86 m

2）流量工況：2 臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行：88 m3/s。

3 模型設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)采用正態(tài)模型，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型比尺為1：36。模型模擬了整個(gè)排水東堤、排水西堤、內(nèi)護(hù)岸1 段、內(nèi)護(hù)岸2 段、部分北護(hù)岸以及整個(gè)排水暗涵、排水口及消能坎和部分海域地形，模型總長(zhǎng)約25 m，最大寬度約20 m。

排水暗涵用塑料板制作，其糙率n=0.0079，基本與原型明渠混凝土糙率0.014 相同。排水口由翼墻、混凝土底板和消能坎組成，用塑料板制作，使其糙率與原型明渠混凝土糙率相同，并固定在地形上。排水堤和護(hù)岸均為斜坡堤，表層主要由扭王字塊體護(hù)面和護(hù)底塊石等。模擬時(shí)，對(duì)水上部分進(jìn)行了簡(jiǎn)化，且水下部分扭王字塊由相同重量的塊石代替。塊石按重力比尺挑選。由于模型試驗(yàn)采用的是淡水，試驗(yàn)中考慮ρ海水=1.025ρ淡水用來控制模型塊體重量。海域地形采用樁點(diǎn)法復(fù)制，按1.5×1.5 m布設(shè)樁點(diǎn)，平面尺寸偏差控制在1 cm 以內(nèi)，地形樁點(diǎn)高程用水準(zhǔn)儀精確控制，偏差在±1 mm 以內(nèi)。模型填沙后用水泥沙漿抹平壓光。

擬建工程排水口區(qū)域開挖換填中細(xì)砂，平均中值粒徑為0.25 mm，不同試驗(yàn)水位條件下的泥沙起動(dòng)流速為0.43～0.59 m/s，泥沙起動(dòng)流速比尺為6.0，即要求模型沙的起動(dòng)流速為7.17 cm/s～9.83 cm/s。通過對(duì)不同輕質(zhì)沙進(jìn)行的特性試驗(yàn)結(jié)果，選擇D50=0.030 mm，比重1.25 t/m3的輕質(zhì)沙作為模型底沙，該模型輕質(zhì)沙的起動(dòng)流速為6～11 cm/s。

4 試驗(yàn)方法和量測(cè)設(shè)備

4.1 試驗(yàn)方法

為了解排水口及排水明渠內(nèi)的流速、流態(tài)變化情況，在模型試驗(yàn)區(qū)（排水口、明渠中）布設(shè)了多個(gè)測(cè)流斷面，流速測(cè)點(diǎn)布置見圖4，分別測(cè)量了表層流速和底部流速情況。根據(jù)流速的分布結(jié)果，分析并評(píng)估排水口的設(shè)計(jì)尺寸的合理性，以及排水口外明渠底部防沖措施優(yōu)劣。

圖4 流速測(cè)點(diǎn)布置圖

4.2 量測(cè)設(shè)備

排水流量采用矩形量水堰量測(cè)，節(jié)門調(diào)節(jié)；水位用測(cè)針測(cè)量；高程用水準(zhǔn)儀測(cè)量；流速采用多普勒三維流速測(cè)試系統(tǒng)（挪威小威龍）進(jìn)行流速、流向的測(cè)量，底部沖刷地形通過照相記錄，并量測(cè)沖刷深度和范圍。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 設(shè)計(jì)方案

本試驗(yàn)是在原初步方案（圖2、圖3）的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)成果，進(jìn)行消能坎、消力墩、消力池、護(hù)底混凝土板等多種消能和防沖刷措施的不同組合布置的方案優(yōu)化。試驗(yàn)中優(yōu)化方案較多，本文主要給出以下三個(gè)優(yōu)化方案進(jìn)行說明：優(yōu)化方案一：取消臺(tái)階，改為1:1 斜坡；在消力池內(nèi)設(shè)置高6.6 m，寬1.8 m 的消力墩3 座進(jìn)行分流，消力墩呈扇形布置；尾坎加高，高程至-6.0 m，呈弧形布置；兩側(cè)翼墻加高至-3.0～-6.0 m。優(yōu)化方案二：在優(yōu)化方案一的基礎(chǔ)上增加尾坎長(zhǎng)度，并取消了兩側(cè)翼墻。優(yōu)化方案三：在優(yōu)化方案一的基礎(chǔ)上，恢復(fù)臺(tái)階跌水，尾坎降低1.6 m。

圖5 排水口優(yōu)化方案平面布置圖

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

1）流態(tài)及流速測(cè)量結(jié)果

原方案排出水流基本呈射流狀，主流帶兩側(cè)形成較大范圍的回流區(qū)，且回流并不十分穩(wěn)定。回流與主流相互作用，也造成主流不穩(wěn)，但大多數(shù)情況下，主流出消力尾坎后，逐漸向左偏轉(zhuǎn)?；炷磷o(hù)底板以外底部流速大于中細(xì)沙起動(dòng)流速0.43 m/s 的最遠(yuǎn)斷面為12#測(cè)流斷面。由于翼墻高程低于水位，翼墻兩側(cè)的表層回流流入排水口，擠壓主流向兩翼墻擴(kuò)散。

表1 原方案排水口流速

圖6 原方案流態(tài)圖

優(yōu)化方案一的新增消力墩有效的起到了阻流和分流作用，使得排水水流基本沿著翼墻兩側(cè)擴(kuò)散，弧形尾坎也使得排水口的出流向更大范圍的擴(kuò)散。由于擴(kuò)散充分，沒有形成主流帶，故向前影響的范圍明顯縮短，至7#斷面，流速減幅很大，至9#斷面，流速已不大。優(yōu)化方案二消能和擴(kuò)散情況略優(yōu)于優(yōu)化方案一，底部流速達(dá)到泥沙起動(dòng)流速的測(cè)點(diǎn)為6#斷面的右2 點(diǎn)，與優(yōu)化方案一相同。優(yōu)化方案三雖然增加了臺(tái)階跌水，但是降低了一定的尾坎高度，消能和擴(kuò)散情況略劣于優(yōu)化方案一，底部流速達(dá)到泥沙起動(dòng)流速的測(cè)點(diǎn)為8#斷面的中間點(diǎn)。

表2 優(yōu)化方案一排水口流速

圖7 優(yōu)化方案一流態(tài)圖

表3 優(yōu)化方案二排水口流速

圖8 優(yōu)化方案二流態(tài)圖

表4 優(yōu)化方案三排水口流速

圖9 優(yōu)化方案三流態(tài)圖

圖10 原方案的泥沙沖淤情況

2）泥沙動(dòng)床沖刷試驗(yàn)成果

泥沙動(dòng)床沖刷試驗(yàn)首先在百年低水位下沖刷2個(gè)小時(shí)，然后依次調(diào)節(jié)至平均低水位和平均海平面，在這兩個(gè)水位下分別沖刷1 個(gè)小時(shí)。

原方案消能不充分，主流帶流速較大，對(duì)排水口前方的泥沙沖刷較強(qiáng)，翼墻兩側(cè)的沖刷則較少；在消能尾坎前形成兩個(gè)沖刷坑，其中右側(cè)沖刷坑較大，為64×26 m（長(zhǎng)×寬），最大沖深4.3 m，左側(cè)沖坑范圍相對(duì)較小，為13×12 m（長(zhǎng)×寬），最大沖深2.1 m，左、右沖坑之間存在泥沙的局部淤高，淤高約0.48 m；沖刷坑外形成沙紋，最大沙紋高度0.88 m。

優(yōu)化方案一尾坎及翼墻外受紊動(dòng)水流作用形成沖坑，沖坑主要在尾坎和翼墻的交匯處，被沖出的泥沙向前和兩側(cè)淤積，其中尾坎前的泥沙堆積最大，堆積高度約0.87 m；左側(cè)沖坑深約0.86 m，范圍約3.9×3.2 m；右側(cè)沖坑深約1.12 m，范圍約11.9×14.6 m；左、中、右側(cè)均形成沙紋，其中右側(cè)沙紋最高，為0.96 m，范圍約34×52 m；左側(cè)沙紋高度約0.25 m，范圍約15×33 m。

圖11 優(yōu)化方案一的泥沙沖淤情況

優(yōu)化方案二尾坎外受紊動(dòng)水流作用，左右兩側(cè)形成沖坑，中部局部泥沙有堆積，堆積高度約1.22 m；左側(cè)沖坑深約0.97 m，范圍約11×6.9 m；右側(cè)沖坑深約1.43 m，范圍約28.0×17.4 m；尾坎前形成較大范圍的沙紋，沙紋向左偏，沙紋最大高度0.74 m，沙紋范圍約54×74 m。

圖12 優(yōu)化方案二的泥沙沖淤情況

優(yōu)化方案三尾坎外同樣左右兩側(cè)形成沖坑，沖出的泥沙在兩沖坑之間及前方淤積，其中尾坎前的泥沙堆積最高，高度約1.18 m；左側(cè)沖坑深約1.68 m，范圍約10.2×12.8 m；右側(cè)沖坑深約2.67 m，范圍約14.4×20.2 m；尾坎前形成較大范圍的沙紋，沙紋略向左偏，沙紋最大高度1.08 m，沙紋范圍約39×62 m。

圖13 優(yōu)化方案三的泥沙沖淤情況

6 結(jié)語

1）原方案靠“小跌水+消力池+低尾坎”組合消能，效果不佳，水流形成主流帶，易產(chǎn)生池壁效應(yīng)，使主流偏向左側(cè)。同時(shí)翼墻頂?shù)陀诎倌甑退?，兩?cè)的表層回流流入排水口，擠壓主流向兩翼墻擴(kuò)散。排水口外泥沙沖刷較大，最大沖深達(dá)4.3 m，原方案防沖刷范圍未全部覆蓋高流速區(qū)。

2）優(yōu)化方案的主要思路是在排水口內(nèi)設(shè)置消力墩、提高尾坎高度，使得水流在排水口內(nèi)盡量消能充分。試驗(yàn)表明，合理的采取上述措施，可達(dá)到分流、擴(kuò)散、消能的效果，并能為防沖刷范圍設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。優(yōu)化方案中，優(yōu)化方案一在消力墩頂高程-3.0 m，長(zhǎng)度2.0 m，寬度1.8 m，并呈扇形布置，距離暗涵出口約 11.0 m，尾坎高程-6.0 m 時(shí)，消能方案最優(yōu)。此時(shí)，護(hù)底措施范圍為：沿尾坎和翼墻長(zhǎng)約60 m，尾坎以外寬約15 m。

3）大多數(shù)核電廠采用暗涵將虹吸井的循環(huán)冷卻水接入排水明渠，排放水體對(duì)明渠的沖刷安全以及流態(tài)穩(wěn)定很少做試驗(yàn)研究，基本上是參考水利電力行業(yè)的常規(guī)消能和防沖刷設(shè)施，設(shè)計(jì)相對(duì)保守。本研究結(jié)果為排水口消能設(shè)施設(shè)計(jì)提供優(yōu)化思路和方向，為類似核電廠或火電廠等排相口防沖刷工程提供工程參考。