核电厂厂区防护构筑物设计标准浅析__墨水学术,论文发表,发表论文

所属栏目：电力论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:321

副标题#e#摘要:本文主要介绍核电厂厂区防护构筑物的设计标准,其中主要包括有关设计水位、波浪和抗震标准等。并以宁德核电厂厂区东护岸设计为例，简要介绍其设计标准的主要内容及其考虑的原则和方法。
　　关键词:核电厂；斜坡式构筑物；厂区防护构筑物；设计标准
　　DesignStandardAnalysisofRubbleMoundTypeSiteProtectionStructuresofNuclearPowerPlant
　　YANGXiao－di，WANGPei－nan，LIUHua
　　（TianjinCostalZoneEngineeringCO.,LTD,Tianjin300384,China）
　　Abstract:Themartimestructuresofrubblemoundtypesiteprotectionstructuresinnuclearpowerplants(NPP)ontheseasiteareveryimportantforthesateyandoperationtotheNPP.Thedesignstandardofthestructuresincludethestandardofwaterlevel，wave(flood)resistantdesign,seismicdesignandsoon.TakingtheinstanceofsiteeasternrevetmentofNingdeNPP,introducethedesignstandardoftherubblemoundtypesiteprotectionstructuresinbrief.
　　Keywords:nuclearpowerplant;rubblemoundstructure;siteprotectionstructure,designstandard
　　1.概述
　　核电厂海域工程是保障核电厂安全运行的重要组成部分之一。根据功能划分，国内核电厂海域工程通常主要包括以下四个组成部分：
　　（1）核电厂常规岛（CI）循环冷却水和核岛（NI）安全厂用水取水构筑物；
　　（2）核电厂常规岛循环冷却水和核岛安全厂用水排水构筑物；
　　（3）厂区防护工程构筑物；
　　（4）重件码头。
　　上述构筑物中的排水构筑物及重件码头通常与常规火电厂及水运工程设计标准相同，在此不再赘述。但取水构筑物及厂区防护构筑物由于涉及到对厂区核岛的防护、核电厂的正常运行及核岛的安全停堆，因此其结构在防浪及抗震性能方面的安全储备相对都较高，设计标准也随之提高。
　　2.构筑物结构型式的选择
　　国内、外核电厂只要条件允许，厂区防护构筑物几乎都采用消浪性能、抗震性能较好的抛石斜坡式结构。
　　斜坡式结构即斜坡式防波堤、护岸是在堤心石、垫层石外侧护以各种抗浪能力强，消波效果好的混凝土人工块体（扭工字、扭王字块等）。由于具有以下特点，斜坡式结构作为一种安全、经济的结构型式，通常作为核电厂厂区防护构筑物以及其他海工构筑物的首选结构。宁德核电厂海工构筑物中除重件码头外，全部采用斜坡式结构。
　　（1）由于波浪遇斜坡后大部分破碎，基本上不反射，波能被吸收和消散，所以斜坡堤外侧海面相对较平稳。
　　（2）斜坡式结构对地基不均匀沉降不敏感，对地基承载力要求较低。斜坡堤的施工又较为简单，不需大型起重设备，而且在施工过程及建成后，如有损坏，也易于修复。
　　（3）斜坡式结构是抛填的散体结构，是一种土工构筑物，其结构通常被视为柔性结构，结构抗震能力强，通过以往工程案例及抗震试验，斜坡式结构在设计及校核地震震动情况下，破坏相对较小，通常是护面块体的滚落，坡面局部滑移，但总体破坏是一种非摧毁性破坏，破坏后的结构仍具有一定的防护功能。
　　
　　图1宁德核电厂厂区东护岸典型结构断面图
　　3.设计标准的确定原则
　　核电厂海工构筑物的防护功能标准和结构安全标准应综合考虑以下因素：
　　（1）遵守国家已有的法律、法规；
　　（2）遵守《核安全导则》；
　　（3）借鉴以往核电厂海工构筑物的设计经验，安全稳妥，科学合理地确定海工构筑物的设计标准；
　　（4）满足核电厂总体布置及核电厂温排水等工艺要求。
　　4.设计标准的主要内容
　　本例为宁德核电厂厂区东护岸工程，由于其与核电厂主体工程距离较近（小于200m），一旦损坏对核岛和常规岛威胁较大，故厂区东护岸按核安全相关物项考虑，其设计标准较高，主要内容如下：
　　#p#副标题#e#4.1.构筑物结构破坏准则
　　（1）在持久状况下，即在设计和校核情况下，结构断面的各部位不允许出现任何损坏；
　　（2）在短暂状况下，即在施工期，在波浪作用下，允许施工过程中的堤段局部受到损坏；在台风多发区，施工组织设计要考虑相应的防台措施，尽量减少台风造成的损失；
　　（3）在偶然状况下，即在设计基准洪水位（DBF水位）及相应波浪作用下，构筑物结构主体须保持稳定，局部损坏以不丧失总体防浪功能为原则。允许护面块体个别发生位移或滚落、顶部胸墙允许发生位移，堤顶路面和背坡允许局部损坏；护底块石允许少量失稳。
　　（4）在偶然状况下，即在斜坡堤在以SL-2级地面运动（安全停堆地震SSE）进行抗震校核时，允许坡面局部产生滑移。
　　4.2.设计水位标准
　　4.2.1.有关的规定
　　（1）我国《海港水文》规范中规定，对I、II级水工建构筑物，设计高、低水位可分别采用历时累积频率的1％和98％的潮位；校核高、低水位分别采用重现期为50年一遇的高、低潮位。
　　（2）英国《海工建筑物》标准中规定，大浪与高潮的出现是相关联的。应考虑同一重现期的波浪与高潮同时发生的不利情况。
　　（3）HAF0111标准中规定，对开敞式海岸要考虑可能发生的最大风暴潮与可能最大洪水同时发生的低超越概率的高潮相结合等不利情况。
　　4.2.2.宁德核电厂厂区东护岸设计水位的确定
　　宁德核电厂厂区东护岸设计水位的确定综合考虑了上述各种可能发生的不利情况，设计水位标准如下。
　　（1）设计基准洪水位（DBF）：可能最大风暴潮增水＋10％超越概率高潮位（8.85m，85国家高程基准面下同）；
　　（2）设计高水位：100年一遇高潮位（4.71m）；
　　（3）设计低水位：100年一遇低潮位（-3.87m）；
　　（4）极端高水位：最高天文潮位+100年一遇增水（6.11m）；
　　（5）极端低水位：最低天文潮位+100年一遇减水（－4.43m）。
　　4.3.设计波浪标准
　　4.3.1.设计波浪的重现期
　　（1）我国《港口工程技术规范》中规定，对一般港工建筑物规定为50年一遇；
　　（2）国外海工建筑物的标准一般为50年至100年；
　　（3）宁德核电厂厂区东护岸设计波浪重现期为100年。
　　4.3.2.设计波浪的累计频率
　　（1）我国《海港水文》规范对斜坡堤设计波浪累计频率规定如表1；
　　防波堤设计波浪累计频率表表1
　　结构型式    部位    设计内容    波高累计频率F(%)
　　斜坡式    胸墙    强度和稳定性    1
　　    护面块体    稳定性    13（注）
　　    护底块石    稳定性    5
　　注：当平均波高与水深的比值H/d<0.3时，F宜采用5％
　　（2）国外有关规范如英国《海工建筑物》（BS6349-7），对斜坡堤设计波浪的标准规定为H4％（即H1/10）；
　　（3）《滨海核电厂厂址设计基准洪水位的确定》（HAF0111）中，设计波浪的标准对一般安全物项按如下规定：刚性构筑物为H1/100（即H0.4％）；半刚性建筑物为H1/100～H1/3；柔性建筑物为H13％。但对核安全重要物项则规定设计波浪的标准均为H1/100的波浪；
　　（4）宁德核电厂厂区东护岸设计波浪的累计频率确定如表2；
　　宁德核电厂防波堤设计波浪的累计频率表表2
　　结构型式    部位    设计内容    波高累计频率F(%)
　　斜坡式    胸墙    强度和稳定性    1
　　  &#p#副标题#e#nbsp; 护面块体    稳定性    4
　　    护底块石    稳定性    4
　　4.3.3.施工期设计波浪的标准
　　由于本海域工程地处台风多发区，因此设计中规定在施工期，对斜坡式构筑物其设计波浪的重现期可按5年一遇，H13%；用以复核施工期防波堤断面的稳定性和控制施工速率及采取必要的防台措施。
　　4.4.越浪量标准
　　4.4.1.日本越浪量相关规定
　　日本合田良实提出的越浪极限破坏值，具体参数见下表：
　　和田良实越浪极限破坏值表表3
　　类别    护面设施    越浪量m3/m/s
　　防波堤    堤顶/里坡无护面设施
　　堤顶有护面层、里坡无护面层
　　外堤、堤顶内坡无护面设施    <0.005
　　0.02
　　0.05
　　护岸    堤顶无护面
　　堤顶无护面    0.05
　　0.2
　　4.4.2.英国越浪量相关规定
　　英国《海工建筑物》BS6345对防波堤的越浪量相关规定，具体参数见下表：
　　BS6345防波堤的越浪量表表4
　　
　　类别    安全条件    越浪量m3/m/s
　　防波堤    对人员不便
　　对车辆不便
　　对人员危险
　　车辆不能通行    4X10-6
　　1X10-6
　　3X10-6
　　2X10-6
　　4.4.3.我国水运规范相关规定
　　我国《防波堤设计与施工规范》对防波堤越浪量未作明确规定，只是通过堤顶高程来定性分析，并借助模型试验进行量化。其具体规定如下：
　　（1）对允许少量越浪的斜坡堤，堤顶高程宜定在设计高水位以上不小于0.6~0.7倍设计波高值处;
　　（2）对基本不越浪的斜坡堤，堤顶高程宜定在设计高水位以上不小于1.0倍设计波高值处;
　　（3）对宽肩台抛石斜坡堤,堤顶高程宜按基本不越浪确定;
　　（4）对设胸墙的斜坡堤,胸墙顶高程宜定在设计高水位以上1.0~1.25倍设计波高值处;当堤顶不兼作通道时,胸墙顶高程可适当降低；
　　（5）对防护要求较高的斜坡堤，宜按波浪爬高计算确定其堤顶高程。
　　4.4.4.宁德核电厂厂区东护岸越浪量标准
　　宁德核电厂海工构筑物的越浪量标准通过参考国内外相关规定，结合以往工程经验，并通过构筑物波浪断面及平面局部整体物理模型试验验证后，确定其具体标准如下：
　　（1）在设计高水位、100年一遇波浪及风线形组合情况下，不越浪；
　　（2）在校核高水位、100年一遇波浪及风线形组合情况下，不越浪；
　　（3）厂区防护构筑物的越浪水体，通过设置排水沟，排出厂外。
　　4.5.构筑物结构抗震设防标准
　　由于海工构筑物中的厂区防护构筑物的破坏会危及核电厂主厂区的安全和核电厂的正常运行。因此，将海工构筑物中的厂区防护构筑物定为核安全相关构筑物。参照《HAF0102》及《核电厂抗震设计规范》的有关规定宁德核电厂厂区东护岸定为核电厂Ⅱ类（抗震）物项。既按SL-1级地面运动进行设计，SL-2级地面运动进行校核，其构筑物的结构抗震设计还需通过专题“结构抗震性能评价”进行验证。
　　4.5.1.对斜坡堤抗震性能的评价的内容及方法
　　4.5.1.1.土工试验
　　核电厂海工构筑物的地基一般是比较复杂的，广泛分布着海积土和残积土等，其变形和强度特性对构筑物稳定性的影响是非常大的，仅仅依据现场试验的结果不能充分把握土的力学特性，必须结合室内静、动三轴试验和现场试验的成果综合评价地基土的力学特性。室内试验一般包括静三轴试验和动三轴试验。
　　（1）室内静三轴试验分为固结排水剪试验和固结不排水剪试验。固结排水剪试验用于测定地基土和#p#副标题#e#筑堤堆石料骨架的变形参数和强度参数，这些参数可以用于计算构筑物和地基在震前的应力分布情况，其直接影响有限元稳定的计算结果，同样也影响地震时地基土的剪切模量，以至于影响结构的地震反应；固结不排水剪试验用于测定地基土不考虑排水时的变形和强度参数，在缺少动强度参数时，固结不排水剪的强度参数可用于计算稳定，计算结果在一般情况下是偏于保守的，变形参数可用于计算地震变形（应变势法）。
　　（2）室内动三轴试验包括动模量、阻尼比试验和动强度试验。动模量、阻尼比试验用于测定地基土和筑堤堆石料的动模量和阻尼比与动剪应变的变化规律，这对研究构筑物和地基土的地震反应是十分重要的；动强度试验可以测定地基土在地震时的强度和变形参数，用于计算稳定和永久变形，对于可液化土，动强度试验也可以测定其动剪应力比和孔隙水压力与振次的依赖关系，分别用于总应力法和有效应力法计算液化危险性。
　　（3）室内试验与现场试验的成果可以综合起来评价地基土的力学特性，防止出现没有代表性的试验成果，不利于正确分析结构和地基的稳定性。
　　4.5.1.2.振动台物理模型试验
　　通过振动台模型试验可以直观地观察模型的振动特性，有助于深入了解构筑物的破坏性态、破坏过程及其机理和变形规律，进而结合数值分析成果综合评价构筑物的抗震性能。
　　4.5.1.3.结构抗震数值分析
　　由于岩土材料是强非线性的散粒体材料，振动台模型试验很难满足全部的模型相似关系，因此只能给出定性或半定量的结论，需要采用数值分析进一步分析结构的抗震安全性。数值分析包括如下几方面的内容：
　　（1）地震反应分析
　　采用动力有限元法分析核电站厂斜坡式构筑物的地震反应，计算结果可为有限元稳定分析、液化分析和地震变形分析提供动应力、动应变和加速度分布等。其中，地基土和筑堤堆石料的材料特性应采用室内试验和现场试验的成果，计算模型采用等效线性粘弹性模型，计算边界可采用粘性边界或粘弹性边界，计算方法可采用时域分析或频域分析。
　　（2）稳定分析
　　对于核电厂I类、II类物项，应采用拟静力极限平衡法、静力有限元法和动力有限元法等多种方法来评价岩土边坡和地基的抗震稳定性。
　　斜坡式结构的抗震稳定通常采用拟静力极限平衡法即滑动面法，以滑动面上抗滑力矩之和与滑动力矩之和的比值作为抗滑安全系数，将地震作用简化为拟静态的地震力，力的大小和方向不随时间变化。这种做法忽略了地震作用瞬态和往复多变的特点，所以计算出的安全系数并不代表真正的安全程度。
　　静力有限元法对地震作用采用拟静力极限平衡法相同的假定，它的优点是便于考虑岩土材料的不均匀性以及其非线性的应力～应变特性。
　　动力有限元法则进一步考虑了地震作用的时间过程以及岩土材料的动模量和阻尼随动剪应变幅值和围压的变化。若采用有效应力分析时，还能够反映土中孔隙水压力的变化过程及其对土的动力性质的影响。从合理性而言，动力有限元法优于静力有限元法，并优于拟静力极限平衡法。
　　（3）地震变形分析和液化流动分析
　　地震变形的计算成为抗震安全评价中比较关键的问题。在美国、欧洲、日本等国家新修订的大坝抗震安全导则中一般都建议采用Newmark的滑块法进行分析，这一方法计算简便，并得到一些实际工程地震变形的检验。
　　4.5.2.宁德核电厂厂区东护岸的结构抗震数学模型主要计算结果如下表
　　宁德核电厂厂区东护岸的抗震数学模型计算结果表表5
　　计算方法    计算水位（m）    工况    要求的安全系数
　　        SL－1    SL－2    
　　滑动#p#副标题#e#面法    瑞典法    -3.87    1.381    1.077    3倍常规地震力SL-1:1.5
　　SL-2:1.0
　　        4.71    1.446    1.085    
　　    简化Bishop法    -3.87    1.664    1.244    
　　        4.71    1.720    1.242    
　　静力有限元法    采用与滑动面法相同的惯性力加速度    -3.87    1.580    1.240    SL-1:1.5
　　SL-2:1.0
　　        4.71    1.640    1.210    
　　    根据动力有限元反应分析各结点的最大加速度(AMAX),并将0.65(AMAX)作为惯性力加速度    -3.87    1.470    1.120    
　　        4.71    1.480    1.10    
　　动力有限元法        -3.87    1.22    0.82    SL-1:1.2
　　
　　        4.71    1.22    0.81    
　　注：①表中所有工况的最危险滑动面均为深层圆弧滑动面；
　　②动力有限元法在设计低水位，SL－2情况下，安全系数小于1.0的累积时间为0.2S，累积滑动量为0.67cm；设计高水位，SL－2情况下，安全系数小于1.0的累积时间为0.3S，累积滑动量为0.65cm。
　　
　　根据上述模型试验的计算结果，可以证明宁德核电厂厂区东护岸的结构设计是安全可靠的，是满足核电厂抗震设计要求的。同是也再次证明斜坡式结构具有较高的抗震稳定性。
　　5.结语
　　核电厂厂区防护工程由于其安全性要求高，工程系统性强，因此构筑物设计标准与一般港工构筑物不同。“核安全相关物项”的设计标准更高于一般港工构筑物。至于构筑物的结构选型，只要条件允许，国内外几乎都是以最为传统的、常见的及建造技术和经验最为成熟的斜坡式结构作为基本型式。斜坡式构筑物在其防浪、抗震和对地基适应性及施工方法等方面的独特优点，是其他结构型式所无法比拟的。此外，用最成熟、最安全的工程方法解决复杂的核电厂海域工程是近年来多个核电厂海域工程实践得出的宝贵经验。
　　参考文献：
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　　【2】《核电》王美茹，谢善文岭澳核电站海域工程防波堤设计，1997。
　　【3】美国土木标准（ASCESTANDARD），N－725核安全土工构筑物设计与分析原则，1986。
　　【4】孔宪京、邹德高核电厂海域工程堤防构筑物抗震安全评价，2009。
　　【5】天津市海岸带工程有限公司宁德核电厂一期工程厂区东护岸初步设计，2008。