核電廠冷源攔截設(shè)施受力試驗(yàn)研究

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(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518172；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)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(guó)內(nèi)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(shè)備堵塞，進(jìn)而導(dǎo)致核電廠停機(jī)停堆的重大冷源事件，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，也給核電廠冷源安全帶來巨大挑戰(zhàn)，形勢(shì)嚴(yán)峻。目前，核電廠攔截細(xì)小海生物的有效手段為在取水明渠內(nèi)布設(shè)小孔徑網(wǎng)兜，通過網(wǎng)兜的攔截及清理維護(hù)，以降低海生物涌入取水口的風(fēng)險(xiǎn)。

本文結(jié)合某核電廠網(wǎng)兜式攔網(wǎng)對(duì)冷源攔截設(shè)施受力的物理模型試驗(yàn)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(diǎn)的受力變化規(guī)律，進(jìn)而對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)兜固定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

2 攔網(wǎng)布置方案

本研究的網(wǎng)具結(jié)構(gòu)主要為錐形網(wǎng)兜、掛網(wǎng)樁臺(tái)及系纜繩索，其中迎流側(cè)在張緊狀態(tài)下的垂直高度12.5 m、網(wǎng)口至尾部的距離30.0 m，尾兜長(zhǎng)度8.0 m。網(wǎng)兜的網(wǎng)目間距為5 mm，線徑為0.6 mm。網(wǎng)兜布置工藝采用3拼一跨形式，其中單個(gè)網(wǎng)兜的網(wǎng)口橫向間距為4.6 m。攔網(wǎng)平面和縱剖面示意見圖1、圖2。

圖1 攔網(wǎng)平面布置示意圖Fig.1 Layout diagram of block

圖2 攔網(wǎng)縱剖面示意圖Fig.2 Longitudinal section diagram of block

在正常使用中，網(wǎng)兜采用系纜繩索的形式固定于兩側(cè)樁臺(tái)上，樁臺(tái)采用圓樁形式，樁徑1.4 m，取水明渠底部標(biāo)高為-9.0 m。在樁臺(tái)上沿垂向布置多個(gè)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(gè)樁臺(tái)間設(shè)置底梁，并布設(shè)4個(gè)錨環(huán)。

3 試驗(yàn)方法

3.1 模型比尺

依據(jù)JTJ/T 231—2021《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》等規(guī)范[1-4]的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，結(jié)合模型波浪水槽的試驗(yàn)條件，試驗(yàn)幾何比尺選擇為1∶15。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)是在寬型波流水槽內(nèi)進(jìn)行，水槽總長(zhǎng)度90 m，寬度4 m、最大適宜試驗(yàn)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(cè)量?jī)x器包括波高采集系統(tǒng)、流速測(cè)量?jī)x、拉力傳感器等。

3.3 攔網(wǎng)模擬

本次試驗(yàn)研究主要關(guān)注攔網(wǎng)系纜點(diǎn)受力情況，而攔網(wǎng)同時(shí)受到水流和波浪的作用。因此，試驗(yàn)著重考慮以下幾個(gè)主要因素的相似模擬：水流運(yùn)動(dòng)相似、波浪傳播相似、重量相似、網(wǎng)衣透水率相同。

1）網(wǎng)衣透水率模擬

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

2）攔網(wǎng)模擬

試驗(yàn)采用解鳴曉等[8]提出的雙比尺模型相似準(zhǔn)則模擬網(wǎng)面，該相似準(zhǔn)則可以用于分析網(wǎng)面結(jié)構(gòu)在波浪、水流作用下的模型相似。由于不考慮攔網(wǎng)本身的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，因此本次實(shí)驗(yàn)對(duì)于攔網(wǎng)網(wǎng)面的制作，只考慮網(wǎng)面結(jié)構(gòu)的幾何相似及網(wǎng)本身的重力相似，而不考慮其彈性相似。

3.4 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)儀器及模型在寬型波流水槽中進(jìn)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(duì)單跨網(wǎng)衣的模擬中，為保證水流、波浪在沿寬度方向的均勻性，除測(cè)量跨以外，對(duì)整個(gè)水槽寬度方向均同步布置相同的墩臺(tái)和網(wǎng)衣。

4 結(jié)果分析

4.1 流速對(duì)結(jié)構(gòu)錨點(diǎn)受力分析

在波流聯(lián)合作用和網(wǎng)兜無封堵的工況下，根據(jù)不同流速對(duì)結(jié)構(gòu)的錨點(diǎn)受力情況進(jìn)行分析。圖4給出了5 mm網(wǎng)目網(wǎng)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(shí)，結(jié)構(gòu)各錨點(diǎn)的拉力大小和錨點(diǎn)拉力趨勢(shì)比較結(jié)果。

圖4 錨點(diǎn)受力趨勢(shì)圖Fig.4 Stress trend diagram of anchor point

由不同流速下錨點(diǎn)所受拉力大小可以看出：錨點(diǎn)1—錨點(diǎn)8的8個(gè)拉力值中，位于樁臺(tái)上端的錨點(diǎn)1和錨點(diǎn)4以及底部錨梁上的錨點(diǎn)7和錨點(diǎn)8相對(duì)于其它錨點(diǎn)所受拉力要大。在流速為1.0 m/s時(shí)，錨點(diǎn)1和錨點(diǎn)4處拉力分別為41.52 kN和46.17 kN，錨點(diǎn)2、錨點(diǎn)3、錨點(diǎn)5及錨點(diǎn)6處拉力分別為10.27 kN、12.76 kN、13.17 kN和10.99 kN。錨點(diǎn)1和錨點(diǎn)4拉力值相對(duì)較大的可能原因?yàn)橛捎谄湮挥跇杜_(tái)上端，網(wǎng)兜頂部纜繩和兩處錨點(diǎn)受到波浪力的影響較樁臺(tái)水下其余錨點(diǎn)要大，因此其值相對(duì)較大，其結(jié)果比較符合實(shí)際工況。

在流速為1.0 m/s時(shí)，底部錨梁上的錨點(diǎn)7和錨點(diǎn)8處拉力分別為52.24 kN和45.52 kN，其值相對(duì)錨點(diǎn)2、錨點(diǎn)3、錨點(diǎn)5及錨點(diǎn)6處拉力值大的可能原因?yàn)榫W(wǎng)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(diǎn)7和錨點(diǎn)8，同時(shí)，網(wǎng)兜底部網(wǎng)片面積要大于網(wǎng)兜側(cè)面網(wǎng)片面積，因此錨點(diǎn)7和錨點(diǎn)8所受拉力相對(duì)其它點(diǎn)要大，比較符合網(wǎng)兜實(shí)際受力情況。

由不同流速下錨點(diǎn)受力大小趨勢(shì)可以看出：隨著流速的增大，錨點(diǎn)1、錨點(diǎn)4和錨點(diǎn)7、錨點(diǎn)8處的拉力隨著流速的變大，拉力增大趨勢(shì)較為顯著，同時(shí)可以看出4處錨點(diǎn)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(duì)結(jié)構(gòu)錨點(diǎn)受力分析

在波流聯(lián)合作用，網(wǎng)兜無封堵的工況下，根據(jù)不同波高對(duì)結(jié)構(gòu)的錨點(diǎn)受力情況進(jìn)行分析。圖5和圖6給出了5 mm網(wǎng)目的網(wǎng)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(shí)，不同流速下，結(jié)構(gòu)各錨點(diǎn)的拉力大小比較結(jié)果。

圖5 Hs=0.5 m（H=7.5 m）時(shí)錨點(diǎn)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(shí)錨點(diǎn)的拉力值Fig.6 Tension value of anchor point when Hs=1.0 m

由不同波高下錨點(diǎn)所受拉力大小可以看出：錨點(diǎn)1—錨點(diǎn)8的8個(gè)拉力值中，位于樁臺(tái)上端的錨點(diǎn)1和錨點(diǎn)4以及底部錨梁上的錨點(diǎn)7和錨點(diǎn)8相對(duì)于其它錨點(diǎn)所受拉力要大，且4個(gè)錨點(diǎn)受力隨著波高的增大而增大，可能原因?yàn)殄^點(diǎn)位置不同，影響因素不同而導(dǎo)致。

4.3 水深對(duì)結(jié)構(gòu)錨點(diǎn)受力分析

在波流聯(lián)合作用，網(wǎng)兜無封堵的工況下，根據(jù)不同水深對(duì)結(jié)構(gòu)的錨點(diǎn)受力情況進(jìn)行分析。圖5和圖7給出了5 mm網(wǎng)目的網(wǎng)兜，在水深7.5 m和10 m、Hs=0.5 m，不同流速時(shí)，結(jié)構(gòu)各錨點(diǎn)的拉力大小比較結(jié)果。

圖7 H=10.0 m時(shí)錨點(diǎn)的拉力值Fig.7 Tension value of anchor point when H=10.0 m

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

5 結(jié)語

由于網(wǎng)兜式攔網(wǎng)在海水中受力情況比較復(fù)雜，很難通過數(shù)值模擬的方法對(duì)攔網(wǎng)受力進(jìn)行計(jì)算。因此，在工程設(shè)計(jì)研究階段，需開展攔網(wǎng)受力物理模型試驗(yàn)，為攔網(wǎng)固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠的設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)。

本文通過對(duì)某濱海核電廠的網(wǎng)兜式攔網(wǎng)物理模型試驗(yàn)研究和分析得到，網(wǎng)兜纜繩系泊點(diǎn)受力和網(wǎng)兜對(duì)攔網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(diǎn)的受力隨著水深的增大，錨點(diǎn)力呈變小的趨勢(shì)。建議網(wǎng)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(duì)網(wǎng)兜的影響，方便電廠日常運(yùn)維作業(yè)。同時(shí)，如有條件可對(duì)網(wǎng)兜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)1∶1模型研究，以進(jìn)一步驗(yàn)證模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，建議在攔網(wǎng)纜繩處安裝拉力監(jiān)測(cè)裝置，設(shè)定拉力預(yù)警值，預(yù)防因錨點(diǎn)受力過大導(dǎo)致錨環(huán)拉斷。當(dāng)遇到臺(tái)風(fēng)天氣或風(fēng)暴潮等可能引起波高、流速變大的極端天氣時(shí)，應(yīng)及時(shí)清理網(wǎng)兜內(nèi)的攔截物，降低因網(wǎng)兜拉力過大導(dǎo)致網(wǎng)兜破損或纜繩斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。