沉管在核电排水工程中的应用

谢乔木，陈波，杨云兰，司银云

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

随着对环保的重视，核电厂的排水工程逐渐由明渠排水方案改为管涵或箱涵深排水方案。海南昌江核电排水工程从闸门井至深海排放点总长大约为2 260 m，本工程在前期研究和方案设计过程中，采用的是海底隧道排水方案，不仅存在施工安全风险，而且排水工程投资高达4.99亿元。为了解决核电海工排水工程高投资、高施工风险问题，对于沉管排水方案，提供另外一种设计思路。根据维护要求，排水沉管在使用期间采用湿检修方式。虽然沉管在过江过海隧道工程中使用较为广泛，也积累了一定的经验，但在核电领域向外海深排的沉管设计仍比较少见，没有相应的设计标准和验收标准，同时外海施工，波浪大，施工工况较为恶劣，需要设计与施工紧密结合。因此本文在现有资料基础上，通过工程研究，解决核电排水沉管关键设计技术问题。

1 沉管方案介绍

根据原泥面地形走势，从闸门井至排水头部之间设置13段不同坡度的沉管段（E1～E13段），由74个预制管段、1个现浇管段和2个预制排水头部构筑物组成，沉管混凝土强度为C30，抗渗等级为P6，管节直接连接采用承插式，并在接头设置防漏砂、漏水G型橡胶止水带。其中长度30 m标准段69节；长度15 m沉管4节；长度26.636 m沉管1节。沉管过流断面采用单机单孔、两孔共壁布置；断面结构的顶板、底板、侧壁均为40 cm，中隔板为30 cm。沉管两侧回填开挖料，顶面覆盖石料层厚1.5 m，从上往下依次为150～200 kg厚85 cm，重量＜80 kg的礁渣石料厚30 cm，重量＜50 kg的礁渣石料厚35 cm，覆盖石料层向两侧设置1∶3的边坡，沉管典型断面图见图1。

图1 沉管典型断面图

排水头部构筑物采用沉管结构，长约20.0 m，壁厚及内径与排水沉管一样，顶板、底板、侧壁均为60 cm，中隔板为30 cm。在沉管顶部设置2个戽头，每个戽头设3个排水窗口。沉管过水断面尺寸为4.4m×4.4m，过水孔道顶高程为-18.70 m；排水窗口的尺寸为3.5 m×2.0 m，排水窗口底部高程为-13.0 m。

排水头部结构见图2。

图2 排水头部结构图

由于核电行业对管节的连接要求比较高，管节安装错位偏差允许的范围为±20 mm，且不能漏水、漏砂，因此设计上采取不同于目前水运工程常规的设计方法。每段预制沉管下方设置宽5.0 m的碎石垫层支墩进行初步定位。管节对接采用顶面搭接式，底面和侧面承插式，并在接头设置防漏砂、漏水G型橡胶止水带。沉管的水平向定位可以通过已安装的预制沉管端部的导向构件，并结合顶部的搭接榫以及侧面和底部的凹凸槽进行精确定位。沉管定位好后，将对拉千斤顶安装在预埋的拉合座上进行对拉，使沉管管节之间紧密结合，见图3。对接完后通过预留在沉管隔板上的灌砂孔进行高压灌熟料砂充实沉管底部。通过上述措施使管节对接精度达到设计要求。

图3 沉管之间连接结构图

2 排水沉管结构设计计算方法

目前国内尚无任何设计和科研单位对核电排水沉管结构进行过计算方法研究，排水沉管所需要计算的工况如何确定，以及计算模式如何考虑，这就需要对沉管从预制到使用运营、检修，并紧密结合现场施工进行分析。排水沉管结构的计算模式根据各个阶段的具体情况分别为：1）沉管预制阶段按四点支撑连续梁计算；2）沉管沉放阶段按空间有限元模型计算，单件沉管沉放时采用8点吊，假设沉放过程是一个静态平衡关系，则对每个吊点的x、y、z三个自由度进行约束；3）沉管对接时一端搁置在安装好的沉管上，一端搁置在碎石墩上，为两点支撑，则按两点简支梁计算；4）沉管覆土、运营、检修阶段横向采用平面有限元计算，纵向采用弹性地基梁计算。平面有限元计算模型计算域宽度采用侧向变形近乎零处为左右边界面，计算域深度取大于地基压缩层厚度，左右边界面约束水平向位移，底边界约束水平和竖向位移。弹性地基梁计算时将所有管节进行模拟，管节之间采用铰接处理，地基用弹簧模拟，采用文革勒地基模型即p=ks，式中：比例常数k为地基反力系数；s为沉降值；5）地震工况时采用平面框架计算，假设地震惯性引起水平力由底板的反力及摩擦力提供，地基采用文革勒地基模型，用弹簧模拟，对底板两端节点水平向的位移进行约束。各个阶段的有限元分析如下：

2.1 沉管预制阶段

沉管预制时为便于沉管出运在底胎底部制作顶升块，作用荷载为自重，用有限元软件ANSYS按四点支承连续梁计算，取q=323.5 kN/m。

2.2 沉管下沉阶段

施工采用了创新的施工工艺即采用半潜驳与浮吊安装相结合的安装工艺。浮箱浮于水面，当沉管下沉到其顶板的下表面高于浮箱顶面约0.5 m时，用工作艇将两个浮箱分别推入沉管的两个排水孔内，居中放置。半潜驳继续下潜，浮箱逐步提供浮力，当浮箱完全浸没水中时，每个浮箱可提供200 t浮力，硬杂木板与顶板的接触宽度为0.5 m，如图4所示。

此阶段作用荷载为：助浮钢浮箱向上浮力+起吊荷载。利用有限元软件ANSYS进行空间结构计算。

图4 浮箱及其装配方式

2.3 沉管对接阶段

沉管对接安装时是采用两点支撑安装，在沉管拉合完成后，仍保持两点支撑状态，但在这个安装工序里，沉管内的钢浮箱是不拆除的，在拉合工序完成后，将通过预留在沉管侧壁和中隔墙内的灌砂孔道进行沉管基础灌熟料砂施工，待沉管底部灌满熟料砂体，再拆除沉管内的钢浮箱，沉管底部将转换为整体均匀受力。

此阶段作用荷载为：助浮钢浮箱向上浮力+沉管浮重。利用有限元软件ANSYS按两点简支梁计算。

2.4 沉管覆土、运营、检修阶段

沉管对接完毕后，进行回填覆土。在沉管覆土、使用、检修阶段沉管横向采用平面有限元计算，纵向采用弹性地基梁计算。平面有限元计算采用MIDAS/GTS软件，土体采用平面应变单元，模型采用摩尔库仑，板采用梁单元模拟。弹性地基梁采用四航院弹性地基梁软件计算。沉管覆土阶段作用荷载为：自重（混凝土+水重）+回填覆盖土压荷载+侧向土压力+地基反力；沉管运营阶段作用荷载为：自重（混凝土+水重）+回填覆盖土压荷载+侧向土压力+地基反力+沉管工作水压力+温度荷载（考虑8℃，按温排放数模试验报告取值）；沉管检修阶段作用荷载为：自重（混凝土+水重）+回填覆盖土压荷载+侧向土压力+地基反力+沉管工作水压力+温度荷载（考虑8℃，一孔通海水，一孔通热水）。各个阶段计算结果如图5～图 7。

图5 沉管覆土阶段横向弯矩

图6 沉管营运阶段横向弯矩

图7 沉管检修阶段横向弯矩

2.5 地震工况

地震荷载所产生内力采用地震系数法作为基本计算方法，地震引起的水平惯性力的反力由底板的地基反力及摩擦力提供。地震加载模型如图8，计算结果如图9。

图8 地震工况加载模型

图9 地震工况横向弯矩

2.6 沉管结构内力计算结果汇总

1）沉管横向内力见表1。

表1 横向承载能力极限状态内力kN·m

2）沉管纵向内力见表2。

表2 纵向承载能力极限状态内力kN·m

根据分析计算结果，弯矩控制沉管的配筋。横向计算时检修工况（一孔通海水，一孔排热水）为控制工况，温度荷载对沉管的内力产生较大影响，同样的温度荷载壁厚越大，产生的内力越大，因此不可忽略温度荷载；纵向计算时沉管底部受弯的控制工况为对接阶段，顶部受弯的控制工况为预制阶段，覆土、运营、检修期时由于沉管底部充实熟料砂，且地基均为强风化或中风化花岗岩，不均匀沉降很小，对纵向配筋不起到控制作用。

3 结语

1）在国内已建的核电海工工程中，尚无采用排水沉管进行外海深排的工程实例，本工程沉管对接安装施工采用了创新的施工工艺，即钢浮箱与浮吊安装相结合的安装工艺。由于钢浮箱的存在，沉管吊装、安装时的重力仅180 t，沉管的纵向配筋率大幅度降低。

2）为了达到沉管管节的对接精度，沉管基础采用灌熟料砂基础，对接采用顶面搭接式，底面和侧面承插式，并在接头设置G型橡胶止水带，通过对拉千斤顶进行拉合管节，实现了核电排水沉管不漏水、不漏砂的功能要求。

3）采用国际通用有限元软件对沉管结构在各种工况下的内力进行计算，为排水沉管设计提供了借鉴经验。

[1]陈韶章，陈越，张弥.沉管隧道设计与施工[M].北京：科学出版社，2002.

[2]钟辉虹，李树光，刘学山，等.沉管隧道研究综述[J].市政技术，2007，25（6）：490-494.

[3]陈海军.沉管隧道主体结构设计关键技术分析研究[J].隧道建设，2007，27（1）：46-50，69.

[4]杨位洸.地基及基础[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[5]DL/T 5339—2006，火力发电厂水工设计规范[S].