核电厂跌落井结构设计分析

王 芳，侯树强

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

某核电厂跌落井位于核岛厂房的东南侧，包括跌落井、排水暗渠及闸门井等设施。跌落井是循环水系统的排水虹吸井，上游连接循环水系统的排水廊道，井内设有溢流堰，循环水排水经溢流堰，排至下游的排水暗渠，最后排入大海。

排水暗渠是循环后海水、低放废水、厂区雨水的排出渠道，在排出口处设有闸门井，闸门用于跌落井和排水暗渠检修。

本工程CC跌落井的平面尺寸为46.5 m（长）×37.5 m（宽），溢流堰顶标高为-9.99 m，溢流堰堰前深为-19.05 m，堰后深为-14.65 m，内部最高设计水位为-4.61 m。CC跌落井内分两格设置，每格对应一台机组的两条管沟，管沟断面为4 m（宽）×3.5 m（高），每格跌落井后与一条排水暗渠相连，排水暗渠断面为6 m（宽）×4 m（高），深为-14.65 m。

根据《核电厂抗震设计规范》，跌落井可归为Ⅲ类物项，即核电厂中，与核安全无关的物项，结构设计标准可采用民用建筑规范。根据勘查报告，跌落井地基持力层为微风化岩，地基条件较好；排水暗渠局部为淤泥混沙；抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g；设计地震分组为第二组。

1 方案设计

1.1 方案的优化

结构方案的设计首先是满足工艺的要求。最初的结构方案是跌落井溢流堰堰后及排水暗渠的底标高为-17.5 m。

考虑到排水暗渠所经区域为厂区回填区，淤泥厚度比较大，采用大开挖方式处理排水暗渠地基，厂区挖深要比较深，开挖面较大，而且排水暗渠两侧已经修建有钢结构厂房，限制了开挖面的宽度。因此，在满足工艺要求的前提下，抬高排水暗渠底标高，降低开挖深度，减小开挖面宽度，就具有很大的现实意义。同时，还可以减少厂区开挖量，加快施工进度。

经过多次工艺、结构、现场及施工单位的沟通，在充分考虑CC跌落井的使用功能及运行后可能出现的问题，并考虑现场施工条件、工期等因素，满足设计标准的条件下，将跌落井（及排水暗渠）的底标高适当抬升。最终将堰后及排水暗渠的底标高设定为-14.65 m，在和排水明渠衔接处10 m左右范围内，暗渠内底标高改为-15.15 m。优化后一方面减少了投资、节约工期，另一方面也为后续类似项目的设计提供了参考依据。

1.2 结构方案

由于跌落井结构内部比较空旷，除了-7.0 m标高的连接井之外，没有结构专业需要作为支撑的任何楼板和墙体，因此在结构布置和工艺专业等方面进行了多次协商。根据工艺专业方案，在跌落井溢流堰的前侧以及溢流堰的上部，不允许进行任何结构布置；并且溢流堰的后方区域不允许布置墙体，只能布置满足结构强度的梁，而且梁在水平和竖直方向上与溢流堰须保持一定的距离。综合上述要求，在溢流堰后方布置一根大梁，用于支撑外墙的扶壁柱。

侧向土压力主要由跌落井的外墙承担，溢流堰前方1～2轴之间外墙轴线距离为12.50 m，高为19.55 m。根据计算，需要沿墙体高度方向设置两道腰梁，分别支撑在1轴线墙体和2轴线的溢流堰上。而溢流堰后方的外墙，由于高度在15 m左右，因此设置一道腰梁、3根扶壁柱，腰梁、扶壁柱和外墙共同构成梁板结构，共同承担侧向土压力。这样跌落井外墙被分成平面尺寸较小的板式单元，墙厚大大减小，裂缝也比较容易控制。由于在土压力的作用下，腰梁将产生位移，故腰梁并不能作为扶壁柱的支点，扶壁柱的根部弯矩几乎没有得到改善。为此，在腰梁和扶壁柱交点处，设置大梁作为扶壁柱的支点。由于两侧土体的对称作用，此大梁的受力比较简单，只有轴力和本身的重力。

对于1轴线和7轴线的横墙，在相同标高的位置也布置一道腰梁，和A、B轴线的腰梁封闭在一起组成环状，增加结构的整体性能。大梁的位置对于减小扶壁柱的内力有着关键性的作用，综合考虑各种因素，将大梁布置在-7.0 m处。

考虑地下水的水位较高，跌落井自身的抗浮稳定性验算也是必不可少的。根据《建筑地基基础设计规范》，建筑物自重和浮力的标准值之比大于等于1.05。采用加大跌落井底板外伸长度，利用外伸板上的土体自重作为配重的方法来满足抗浮要求，并验算浮力对底板的冲切力。

排水暗渠部分基础采用高压旋喷桩加固。

2 跌落井的内力分析

2.1 模型建立

跌落井的计算采用有限元软件ANSYS建立三维模型进行分析，墙、板采用shell181单元，梁、柱采用beam4单元，底板采用固定支撑。在海水氯化物环境下，混凝土采用C40，抗渗标号S10，弹性模量3.25×104MPa，泊松比0.2，重力密度25 kN/m3。

与结构施工图纸相对应，模型总体坐标系的X方向为数字轴方向，Y方向与字母轴方向一致，Z方向与跌落井高度方向一致。轴力以受压为负，受拉为正。有限元模型如图1所示。

图1 跌落井三维有限元整体模型Fig.1 Three dimensional finite model of water discharge surge tank

图2 X方向弯矩云图（M11）Fig.2 X direction moment (M11)

所受的荷载包括恒荷载和作用于顶板上的活荷载。其中恒荷载包括结构自重、侧向土压力、跌落井内的水压力以及地下水压力。

2.2 内力分析

以跌落井浇筑完成，外部有回填土但内部无水时的工况为例来分析。

图2和图3分别为A轴线墙体X方向和Y方向的弯矩云图。可以看出，由于侧向土压力为主要荷载，墙体的上半部分内力较小。墙体的X方向和Y方向最大正弯矩均出现在1～2轴之间的墙体中下部，X方向最大正弯矩为340.445 kN·m，对应的轴力为-461.42 kN；Y方向最大正弯矩为498.03 kN·m，对应的轴力为-556.57 kN。由于局部应力，X方向和Y方向最大负弯矩出现在顶板上的梁与墙体的交接处。

图3 Y方向弯矩云图（M22）Fig.3 Y direction moment (M22)

3轴线扶壁柱为受力最不利的扶壁柱，图4为此扶壁柱沿截面高度方向的弯矩图，可见最大正弯矩出现在扶壁柱的底部，为114.9 kN·m，对应的轴力为-1 894 kN。根据结构力学概念可知内力分布规律合理。

对模型的所有工况进行计算并进行对比，类似方法和步骤即可得到跌落井所有构件控制截面的内力，根据内力情况进行跌落井的设计和配筋，并对配筋进行裂缝验算，满足最小裂缝宽度0.2 mm的要求。

图4 3轴线扶壁柱的内力图Fig.4 Internal force of buttress column at 3 axes

3 结束语

1）几乎所有在建的核电厂中都有跌落井这个子项，虽然每个核电厂的跌落井结构布置大不相同，但跌落井结构本身的共性就是空间大，受力条件复杂。常规的结构力学方法不能满足结构设计的要求，需要采用数值分析的方法进行三维整体建模分析。

2）由于跌落井内部墙体和楼板较少，在结构设计概念上，对跌落井结构空间上的传力体系必须清楚。内部大梁和墙体外侧扶壁柱的位置对于结构是最为重要的，甚至需要进行多次试算。

3）在核电厂厂房中，结构设计需要在满足工艺要求的基础上，保证建筑物的结构安全，因此，作为一名结构设计人员，了解工艺的要求和现场实际情况是非常必要的。进行结构设计时，需要及时和工艺专业进行沟通和协商，和施工现场保持密切联系，尽早地了解施工方式和施工中的新技术，才能使结构设计更加合理，得到更为优化的结构方案。

[1] G B 50010—2010 混凝土结构设计规范[S].（GB 50010—2010 Code for design of concrete structures[S].）

[2] GB/T 50476—2008 混凝土结构耐久性设计规范[S].（GB/T 50476—2008 Code for durability design concrete structures[S].）

[3] G B 50007—2011 建筑地基基础设计规范[S].（GB 50007—2011 Code for design of building foundation[S].）