淺談嶺澳核電站攔截網(wǎng)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

◎ 高迎歆 中交第四航務(wù)工程局有限公司

1.前言

近年來，隨著東部旅游業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，電站SEC/CRF系統(tǒng)取水口附近海域威脅電站運(yùn)營安全的小型海生物越來越多，現(xiàn)有攔截處置設(shè)施已不能應(yīng)對(duì)小型海生物爆發(fā)的威脅。因此，需要重新考慮小型海生物攔截、驅(qū)趕、監(jiān)測(cè)等冷源保障方案，以確保電站取水安全。

目前，由于現(xiàn)有規(guī)范不能完全覆蓋本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)內(nèi)容，設(shè)計(jì)小組通過參考國外項(xiàng)目相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，參閱相關(guān)期刊文獻(xiàn)，選取合適的計(jì)算模型，對(duì)取水口的攔截結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)類似工程有一定的參考意義。

2.項(xiàng)目概況

廣東嶺澳核電站位于大亞灣西南部的大鵬澳東北岸。工程海域北、西、南三面為陸地所包圍，東北至東南面為大亞灣海域，而大亞灣南部的中央列島及大、小辣甲等島嶼又大大阻擋了東北至東向的外海域波浪，該工程區(qū)具有一定的天然掩護(hù)條件。

本工程考慮在電站進(jìn)水渠前端建造一道海生物攔截裝置，受力結(jié)構(gòu)采用混凝土灌注樁，在樁間布置多道攔網(wǎng)對(duì)海生物進(jìn)行攔截。攔截網(wǎng)東端、西端與北端接堤岸位置采用重力式結(jié)構(gòu)進(jìn)行封堵，與原有防波堤結(jié)構(gòu)銜接。

3.自然條件

（1）氣象。深圳地區(qū)全年常風(fēng)向?yàn)镋SE向，出現(xiàn)頻率為15.3%；次常風(fēng)向?yàn)镋和SE向，出現(xiàn)頻率分別為12.6%和12.5%。強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镾E向，實(shí)測(cè)最大風(fēng)速29.0m/s（1985.9.6），次強(qiáng)風(fēng)向ESE、E 向，實(shí)測(cè)最大風(fēng)速分別為24.7m/s和23.0m/s。歷年平均風(fēng)速2.6m/s，平均風(fēng)速ESE向最大，達(dá)4.3m/s，其次為NNE向達(dá)3.8m/s。全年五級(jí)風(fēng)以下頻率98.0%，六級(jí)風(fēng)頻率1.06%，七級(jí)以上風(fēng)頻率僅為0.9%。大風(fēng)一般發(fā)生在夏秋臺(tái)風(fēng)季節(jié)，在珠江口附近登陸的臺(tái)風(fēng)對(duì)本地區(qū)影響較大。

（2）設(shè)計(jì)水位及設(shè)計(jì)波浪。本工程采用的設(shè)計(jì)波浪要素取值如下：

設(shè)計(jì)高水位+2.89m：H1%=5.82m，周期T=11.1s；

設(shè)計(jì)低水位-2.18m：H1%=4.47m，周期T=11.1s；

核島安全重要用水設(shè)計(jì)基準(zhǔn)水位SEC：-3.50m。

圖1 工程位置圖

圖2 攔截網(wǎng)及端部封堵布置圖

圖3 攔截網(wǎng)結(jié)構(gòu)典型斷面圖

圖4 端部結(jié)構(gòu)典型斷面圖

（3）工程地質(zhì)。根據(jù)鉆探揭示地層情況，擬建場(chǎng)區(qū)自上而下分為第四系沖洪積層（Q4al、Q4al+pl）、第四系殘積層（Q4el）和中泥盆系角巖化砂巖（D）。巖土分層依次為人工填石①、粉土①-1、粉質(zhì)粘土②、卵石③、粉土④、全風(fēng)化砂巖⑤-1、強(qiáng)風(fēng)化砂巖⑤-2、中風(fēng)化砂巖⑤-3。

（4）設(shè)計(jì)荷載。本工程設(shè)計(jì)荷載為攔截裝置所受風(fēng)荷載、水流力、波浪力以及地震力以及封堵位置的水流力、波浪力以及地震力。

4.設(shè)計(jì)思路

（1）根據(jù)業(yè)主提供過流量要求及與原防波堤結(jié)構(gòu)的銜接，確定總平面布置。

（2）樁基選型后根據(jù)荷載條件計(jì)算樁基內(nèi)力，確定樁基直徑、樁長(zhǎng)及樁基間距。

（3）對(duì)端部防波堤與樁基間的銜接處進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5.設(shè)計(jì)方案

（1）平面布置方案。嶺澳核電站對(duì)進(jìn)水渠前端小型海生物攔截裝置布置在現(xiàn)有進(jìn)水渠的前端，呈倒“T”型布置。其中，外側(cè)攔截網(wǎng)橫跨東側(cè)外防波堤與西側(cè)防波堤，軸線長(zhǎng)度345m；內(nèi)側(cè)攔截網(wǎng)與外側(cè)攔截網(wǎng)垂直并與內(nèi)防波堤連接，軸線長(zhǎng)度69m。

（2）水工結(jié)構(gòu)方案。攔截裝置主要由樁基承臺(tái)和樁間掛網(wǎng)組成。樁基承臺(tái)沿?cái)r截裝置軸線15m/20m間距布置，樁基采用Φ1200的混凝土灌注樁雙樁，樁間距4m，現(xiàn)澆承臺(tái)尺寸6.2m×2.2m×1.2m，承臺(tái)頂標(biāo)高4.2m。

樁間掛網(wǎng)采用“1m×1m鍍鋅鋼絲繩網(wǎng)片+50mm×50mm尼龍網(wǎng)片+5mm×5mm尼龍網(wǎng)片”三層網(wǎng)片結(jié)構(gòu)。其中，1m×1m鍍鋅鋼絲繩網(wǎng)片為受力網(wǎng)片，主要承受風(fēng)浪流對(duì)三層網(wǎng)片的作用力同時(shí)將該作用傳遞到樁基承臺(tái)。考慮到對(duì)攔截海生物的捕撈，在攔截裝置的上部連續(xù)布置50mm×50mm尼龍網(wǎng)兜。

樁基上部（+3.7m～-2.3m）迎水面沿進(jìn)水方向由前到后布置掛網(wǎng)如下：①50mm×50mm尼龍網(wǎng)片，網(wǎng)頂標(biāo)高+2.89m；②1m×1m鍍鋅鋼絲繩網(wǎng)片，網(wǎng)頂標(biāo)高+3.7m；③5mm×5mm尼龍網(wǎng)網(wǎng)兜，網(wǎng)頂標(biāo)高+3.7m，網(wǎng)底標(biāo)高-2.3m。

樁基下部（-2.3m～-7.5m）迎水面沿進(jìn)水方向由前到后布置掛網(wǎng)如下：①5mm×5mm尼龍網(wǎng)片，網(wǎng)頂標(biāo)高-2.3m，網(wǎng)底標(biāo)高-5.0～-8.0m；②50mm×50mm尼龍網(wǎng)片，網(wǎng)底標(biāo)高-5.0～-8.0m；③1m×1m鍍鋅鋼絲繩網(wǎng)片，網(wǎng)底標(biāo)高-4.3～-7.3m。

1m×1m鍍鋅鋼絲繩網(wǎng)片兩邊與前排樁基間距為1m的Φ40mm錨環(huán)連接；50mm×50mm尼龍網(wǎng)片和5mm×5mm尼龍網(wǎng)片三邊與前排樁基前側(cè)、錨梁及錨塊上的Φ25mm錨環(huán)連接。尼龍網(wǎng)片與鋼絲繩網(wǎng)片網(wǎng)面通過塑料鎖扣固定。攔船網(wǎng)為了方便清理、維護(hù)的船只進(jìn)出，兩側(cè)與樁基承臺(tái)采用活動(dòng)鎖扣連接。

3處封堵處封堵墻體均采用沉箱結(jié)構(gòu)，墻體軸線長(zhǎng)度為18.3m，寬度為6.2m，頂面標(biāo)高為+3.0m基床為經(jīng)填石整平后的進(jìn)水渠東防波堤堤頭護(hù)面塊體，呈三級(jí)階梯狀，沉箱隔倉內(nèi)回填開山石渣，其上現(xiàn)澆鋼筋砼胸墻，兩側(cè)設(shè)置不少于2排10t扭王字塊體一層護(hù)面。

6.設(shè)計(jì)重難點(diǎn)分析

本次設(shè)計(jì)主要存在以下重點(diǎn)、難點(diǎn)問題需要進(jìn)行解決：

（1）樁基外力計(jì)算包括風(fēng)對(duì)網(wǎng)的作用力、水流對(duì)網(wǎng)的作用力、波浪對(duì)網(wǎng)的作用、水流對(duì)樁的作用力及波浪對(duì)樁的作用力。各作用力的荷載如何計(jì)算是本項(xiàng)目的重點(diǎn)之一。

（2）為對(duì)小型海生物進(jìn)行攔截，保障核電站取水安全，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了多層攔截網(wǎng)結(jié)構(gòu)，而攔截網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在國內(nèi)則鮮有先例。如何設(shè)計(jì)攔截網(wǎng)結(jié)構(gòu)保障核電站取水流量、選取合適的計(jì)算模型是本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。

（3）根據(jù)1#2#堵頭處兩條防波堤的走向，為保證核電站取水流量要求，1#2#堵頭處均應(yīng)為為帶轉(zhuǎn)角的沉箱結(jié)構(gòu)。如何確定各類型沉箱結(jié)構(gòu)尺寸，保障施工工期，是該設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的重點(diǎn)之一。

（4）現(xiàn)有防波堤為斜坡式結(jié)構(gòu)，坡度1:1.5，實(shí)測(cè)探摸結(jié)果顯示部分防波堤護(hù)面塊體滑落，由于原防波堤護(hù)面塊體重量較大較難起吊，且起吊后易引起上部護(hù)面塊體滑落，破壞原有防波堤和樁基結(jié)構(gòu)，因此如何在不破壞原有結(jié)構(gòu)的同時(shí)保障沉箱拋石基床的穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。

7.解決方案

針對(duì)上述重點(diǎn)難點(diǎn)問題，本次設(shè)計(jì)提出了下述解決方案：

（1）關(guān)于風(fēng)荷載的計(jì)算，《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范規(guī)范》(JTJD60-2004)[3]和《公路橋涵抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ.T_D60-01-2004)[5]中的規(guī)定有所不同，計(jì)算公式分別為，。

對(duì)比可知，《通用規(guī)范》考慮的參數(shù)比《抗風(fēng)規(guī)范》多考慮了地形和地理?xiàng)l件系數(shù)k3，而設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期換算系數(shù)、陣風(fēng)風(fēng)速系數(shù)均比《抗風(fēng)規(guī)范》取值略大，且相關(guān)系數(shù)不如《抗風(fēng)規(guī)范》考慮周全，而在新修訂的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范規(guī)范》(JTJD60-2015)[4]中，風(fēng)荷載的計(jì)算公式參照了《抗風(fēng)規(guī)范》。本次設(shè)計(jì)風(fēng)荷載選用《抗風(fēng)規(guī)范》的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

水流對(duì)攔截網(wǎng)的作用力標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）[2]，按下式計(jì)算：

波浪對(duì)網(wǎng)的作用力根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》（JTS 145-2015）[1]，靜水面處波浪壓力強(qiáng)度按下式計(jì)算：ps=γK1K2H。在本項(xiàng)目中，攔截網(wǎng)為柔性結(jié)構(gòu)，可忽略波浪垂直荷載的影響。在波浪水平荷載的作用下，由于攔截網(wǎng)結(jié)構(gòu)變形幅度較大，對(duì)波浪沖擊具有很大的緩沖和消能作用。參考文獻(xiàn)“桃源水電站錨鏈懸索攔污排研究”（《水力發(fā)電》2014年第40卷第6期）[7]，引入波浪壓力修正系數(shù)η=0.035。

水流對(duì)樁的作用力根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）13.0.1條，水流力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

波浪對(duì)樁的作用力根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》（JTS 145-2015），作用于水底面以上高度z處樁斷面上的正向波浪力按下式計(jì)算：

關(guān)于樁長(zhǎng)的確定，考慮樁基設(shè)計(jì)中彈性中長(zhǎng)樁的假定，其入土深度應(yīng)滿足下列條件：

（2）攔截網(wǎng)項(xiàng)目此前在國內(nèi)并不常見，對(duì)于設(shè)計(jì)組而言也是首次接觸，因此，設(shè)計(jì)組參照國外相關(guān)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，采用“1m×1m鍍鋅鋼絲繩網(wǎng)片+50mm×50mm尼龍網(wǎng)片+5mm×5mm尼龍網(wǎng)片”三層網(wǎng)片結(jié)構(gòu)。其中，1m×1m鍍鋅鋼絲繩網(wǎng)片為受力網(wǎng)片，主要承受風(fēng)浪流對(duì)三層網(wǎng)片的作用力同時(shí)將該作用傳遞到樁基承臺(tái)。

關(guān)于設(shè)計(jì)模型的選取，設(shè)計(jì)組通過查閱相關(guān)規(guī)范及技術(shù)論文，比較了謝才曼寧公式和格網(wǎng)過流量公式的計(jì)算方法和適用范圍，因現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況不符合明渠均勻流的特點(diǎn)，因此，謝才曼寧公式并不適用。設(shè)計(jì)組選取符合實(shí)際情況的格網(wǎng)流量公式進(jìn)行計(jì)算。但在5mm格網(wǎng)過流量計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)低水位時(shí)網(wǎng)不堵塞的情況下，過流量?jī)H為245.85m3/s，略大于設(shè)計(jì)流量230m3/s；SEC水位條件下過流量為184.85m3/s，不滿足取水量要求。

因此，設(shè)計(jì)組為保障設(shè)計(jì)取水流量，根據(jù)格網(wǎng)流量計(jì)算方法，考慮增加進(jìn)水口過水?dāng)嗝?，?jīng)過討論決定在攔截裝置的上部隔跨布置50mm×50mm尼龍網(wǎng)兜，網(wǎng)兜長(zhǎng)度約15m，經(jīng)計(jì)算，網(wǎng)口堵塞率在40%時(shí)的過流量滿足設(shè)計(jì)取水量要求。此外，網(wǎng)兜端部可開口及時(shí)進(jìn)行清理，也方便了對(duì)攔截海生物的捕撈。

格網(wǎng)過流量計(jì)算公式（《給水工程（第四版）》第198頁）[6]：Q=FK1K2ευ1。

采用不同公式及不同設(shè)計(jì)方案計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 過流量計(jì)算匯總表

（3）針對(duì)堵頭處帶轉(zhuǎn)角的問題，在項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)階段就方塊方案和沉箱方案進(jìn)行了比選，雖然方塊方案概算略低于沉箱方案，但經(jīng)過項(xiàng)目組內(nèi)討論及專家評(píng)審會(huì)意見，考慮到沉箱結(jié)構(gòu)整體性好，而方塊結(jié)構(gòu)施工程序繁瑣，工期難以保證等因素，確定了沉箱結(jié)構(gòu)方案。

施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，為保證施工工期可控，應(yīng)盡量減少異形沉箱數(shù)量。本次設(shè)計(jì)考慮將沉箱CX3和CX5平面設(shè)置成五邊形結(jié)構(gòu)，其余沉箱均為常規(guī)方形沉箱，并盡量保證平面尺寸一致，保證施工進(jìn)度。

（4）為避免碰樁或地基不均勻沉降使沉箱對(duì)已有樁基結(jié)構(gòu)受力的造成不利影響，沉箱起始位置距離樁基間距取為160mm，沉箱與樁基局部縫隙在樁側(cè)安裝彈塑性材料如橡膠條進(jìn)行封堵。

基床拋石由于石料規(guī)格較小，受水流、風(fēng)、波浪和水位影響較大，因此本項(xiàng)目應(yīng)進(jìn)行試拋，拋石船位宜根據(jù)試拋確定。拋石時(shí)根據(jù)實(shí)際探摸的海床坡面，采用就高不就低原則，利用10-50kg碎石進(jìn)行整平，形成拋石基床，供沉箱CX1安放，避免了原防波堤護(hù)面結(jié)構(gòu)的破壞，并利用袋裝混凝土對(duì)拋石基床進(jìn)行護(hù)底。當(dāng)施工時(shí)遇孤立塊石無法整平時(shí)，設(shè)計(jì)組及時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，調(diào)整了基床頂面標(biāo)高和胸墻底高程。而后利用沉箱CX1形成的直立墻壁拋填10-50kg碎石，整平后安放沉箱CX2，沉箱CX3施工過程同理。

在基床拋石整平后，應(yīng)立即在原有防波堤坡面上安放10t扭王字塊體護(hù)面，對(duì)于涌浪較大的3#堵頭處，將基床邊坡由1:1.5調(diào)整為1:3。通過設(shè)置袋裝混凝土及扭王字塊體，可有效消減波浪力對(duì)沉箱的作用，保證了沉箱的抗傾抗滑穩(wěn)定性，同時(shí)也有效地保障了拋石基床的穩(wěn)定性。

此外，由于沉箱基床結(jié)構(gòu)情況較為復(fù)雜，沉箱及胸墻施工過程中應(yīng)設(shè)置沉降位移觀測(cè)點(diǎn)，一旦沉降、變形有異常情況，應(yīng)立即停止施工，并采取有效的緊急處理措施。永久的位移觀測(cè)和沉降觀測(cè)成果應(yīng)系統(tǒng)積累、完整積累。

在基床護(hù)底及引墩下墊層采用了袋裝混凝土方案，袋裝混凝土為混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一條新思路，目前在臨時(shí)碼頭工程設(shè)計(jì)、施工中已多次采用，在實(shí)際應(yīng)用上取得了很好的效果。設(shè)計(jì)組根據(jù)其具有提高效益，降低工程造價(jià),節(jié)省工期等特點(diǎn)，選用袋裝混凝土設(shè)計(jì)方案，并通過查閱相關(guān)資料，對(duì)砼袋拉力進(jìn)行了計(jì)算，確定了砼袋規(guī)格及斷裂強(qiáng)度等指標(biāo)[8]。

8.結(jié)語

（1）本項(xiàng)目攔截網(wǎng)采用“1m×1m鍍鋅鋼絲繩網(wǎng)片+50mm×50mm尼龍網(wǎng)片+5mm×5mm尼龍網(wǎng)片（兜）”三層網(wǎng)片結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)模型選用格網(wǎng)過流量公式，在平面過網(wǎng)流量不滿足核電站取水要求時(shí)，設(shè)計(jì)組采用在攔截裝置的上部布置50mm×50mm尼龍網(wǎng)兜，保證了堵塞率在40%時(shí)仍能滿足設(shè)計(jì)取水量要求。該方案施工簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有一定的創(chuàng)新性。

（2）端部封堵部分沉箱和基床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效避免碰樁或地基不均勻沉降使沉箱對(duì)已有樁基結(jié)構(gòu)受力的造成不利影響，在保護(hù)原有防波堤及樁基結(jié)構(gòu)的同時(shí)，消減了波浪力的作用，保證了沉箱的抗傾抗滑穩(wěn)定性和拋石基床的穩(wěn)定性。同時(shí)該設(shè)計(jì)對(duì)非常規(guī)的重力式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，基床和袋裝混凝土的設(shè)計(jì)避免了底面為斜面的異形沉箱方案，有效縮減施工工期，降低施工成本，具有一定的創(chuàng)新性。

（3）本工程設(shè)計(jì)充分考慮了施工的可行性，也為業(yè)主最大化地創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，可在類似項(xiàng)目中借鑒。