核电厂防冰与拦污设施设计研究

于 梅，刘 毅

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）



核电厂防冰与拦污设施设计研究

于 梅，刘 毅

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

针对核电厂日常运营中对取水水质的要求，在滨海核电厂海工设计中进行了防冰、拦污设施的设计。总结了设计思路和原理，针对具体工程实例，充分调查研究、收集基础资料，合理布置平面位置；结合工程水文、地质等自然条件，进行防冰、拦污工程的结构设计，并介绍了工程实例的结构设计方案、拦冰和拦污网片方案，以及相应的日常拆装工艺方案。从总平面布置、结构方案、工艺和造价等方面，表明防冰、拦污设施与核电厂的日常维护相结合，可以达到良好的控制水质效果。本文提出的防冰、拦污设施的布置和结构方案，可以为类似工程提供借鉴。

核电厂；防冰；拦污

引 言

国内核电厂厂址主要位于滨海地区，地处北方沿海的核电厂受寒潮侵袭的影响，每年冬季皆有程度不同的结冰现象。结合核电厂海工工程总体布局，取水构筑物区存在因海冰影响部分取水功能的可能；另外，如果采取明渠方案取水，工程建成运行后，可能会面临着各种漂浮污染物（如漂浮的桔梗、海生物）对核电厂取水安全构成的威胁，污染物堵塞取水口将影响核电厂取水，造成取水困难，核电厂停堆，可能引起巨大经济损失。因此在核电厂海工设计中设置导向、拦截建筑物对存在的海冰和漂浮物进行拦截，以保证核电厂取水的安全，是核电厂海工设计的重要任务之一。

某核电站作为国内核电站的典型工程，为满足机组建成后冷却水要求，避免冬季取水过程中，冰凌影响工程正常取水，在取水明渠部分设置了一系列防冰措施；另外吸取其他核电工程污染物堵塞取水口的教训，在取水明渠内布置了拦污网拦截可能对核电厂运行造成威胁的污染物。

1 海工工程取、排水平面布置

本核电厂采用取水明渠东部取水，排水明渠南部排水布置，取水口门位于厂区东部，水深约-7.0 m 的区域，排水口门位于厂区西部，水深约-6.0 m的区域。

取水明渠采用渐变渠底宽度的平底明渠，取水明渠底高程取为-6.5 m，一、二、三期工程进水口前渠底宽度分别为160 m、100 m和60 m。

取水明渠东北侧为一座民用码头工程，码头与取水南堤之间间距为300 m。取水明渠两侧导流堤为斜坡式防波堤结构。平面布置见图1。

图1　核电厂取、排水工程平面布置示意

2 防冰、拦污设施的设计思路和原理

工程建成运行后，在取水明渠南导流堤与东北侧码头之间形成一个浮冰和杂物涌入的通道，为满足机组冷却水要求，需在取水明渠设置一定的防冰、拦污设计。

避免大面积浮冰进入取水明渠的主要途径就是控制海上漂移浮冰的运动，尽量使大面积浮冰远离取水口流场控制范围。明渠两侧的导流堤可以沿主风向驱使大面积浮冰远离取水口，但在潮流和取水明渠内流场的作用下，仍可能有大面积浮冰通过码头与取水南堤之间300 m宽的通道，进入取水区域。在通道上设置防冰结构就成为十分必要的措施。防冰结构既要在海平面处能够阻挡海冰通过，又要保证水流的正常通过，以保障取水量的要求。透空的拦冰网结构，可以达到上述对海冰的控制要求。

但是，海上大面积浮冰具有极大的漂移能量，仅依靠拦冰网结构是无法阻挡大面积海冰的运动状态。因此，针对本项目实际工程情况，有必要在拦冰设施前设置有效的破冰结构，使整体浮冰破碎，分散其漂移能量。

另外，为阻挡漂浮污染物阻塞取水口，需要在取水明渠内设置柔性拦污网。

综上所述，本项目防冰、拦污系统的设计原则为：

1）先导冰，防冰设施的布置要基本与主要潮流方向一致，尽量将冰顺势导走；导不走的，先破冰，减少冰的漂移能量；最后再拦冰。

2）拦污网的布置考虑与厂区实体保卫结合，所以布置在取水明渠内，两端要位于核电厂实体保卫可以到达的位置。

3 防冰、拦污平面布置

3.1 防冰平面布置

图2　厂址破冰控冰系统布置及流冰向示意

如图2所示，在取水南堤和东北侧民用码头工程之间的300 m通道前设置破冰结构，破冰结构由11个破冰锥体组成，破冰锥体采用重力式沉箱基础结构，间距20.5 m布置。破冰结构与取水南堤头间布置一个宽约55 m的通道，有利于取水明渠北侧海域的海冰向外海域转移，也可以作为取水明渠内清淤等维护性船舶的进出通道。

在破冰设施后侧约10 m处，设置第一道拦冰结构，每隔10.5 m设置一座为拦冰网提供固定约束的拦冰墩，共由19个拦冰墩组成，成“一”字形布置；采用嵌岩钢管桩墩台式结构，拦冰墩中心距10.5 m。

第二道拦冰结构与拦污结构结合布置，位于取水北堤堤根和中隔堤之间，成“一”字形布置，轴线长度约260 m。共布置7个墩台，其中2个位于堤体上，5个位于取水明渠中。堤体上的墩台与明渠内相邻墩台间距为 50 m，明渠内其他墩台间距为40 m。

3.2 拦污平面布置

拦污结构与第二道拦冰结构结合布置，位于取水北堤堤根和中隔堤之间，共用第二道拦冰结构的墩台结构，分别在墩台的后侧和前侧布置拦污网和拦冰网。拦污网随时可拆装，拦冰网要在冰期来临前安装，冰期结束后拆下。

4 防冰设施物理模型试验

本工程针对防冰设施方案进行了物理模型试验验证。根据冰情调查结果和项目使用要求，厂址区域防冰级别针对包含多种冰参数联合出现概率的 50年一遇重现期，确定以下冰参数取值作为厂址海域冰情特征参数：

1）冰厚：平整冰厚度33 cm；

2）冰强度：抗弯强度 627 kPa、抗压强度1.99 MPa；

3）浮冰尺寸：100～300 m；

4）浮冰漂移速度：0.5 m/s。

5）设计水位：极端高水位 2.19 m；极端低水位-2.74 m；设计高水位 1.35 m；设计低水位-0.90 m。

在核电厂取水口防冰设施模型试验每组次试验的进行中，海冰防控系统各构件上的冰荷载均得到了测量。测试结果显示，在 50年一遇冰厚的平整冰条件下，当海冰沿主落潮向行进时，首先与海冰发生作用的破冰锥体上经受的冰力最大。破冰锥体上的最大冰荷载随水位变化关系在表1中列出。

第一道拦冰结构上的最大冰荷载为850.4 kN，其中，拦冰网上冰荷载的为490.4 kN。第二道拦冰结构上的最大冰荷载为765.4 kN，其中，拦冰网上冰荷载的为441.4 kN。

表1　最大冰荷载随水位变化关系

5 结构设计

5.1 破冰结构设计

采用一定间距的锥体结构可将整体冰排破碎成众多的碎冰块，从而达到高效消减和分散海冰漂移能量的目的。

1）锥体高度

核电站厂址海域的潮流为正规半日潮，最大水位差为 5.14 m，厂址海域的百年一遇平整冰厚为41 cm，锥体顶部高程应不低于：2.19 m+0.41 m= 2.60 m。

漂浮冰的水下体积约占其总体积的90 %，由此可得到锥体底部高程应低于：-2.74 m-0.9× 0.41 m=-3.11 m。

2）锥体角度

经实验验证，采用 60°破冰锥角可以取得较好的破冰效果。

3）结构型式

在破冰锥体的顶部设一段直立柱型结构。直立柱直径定为0.5 m。

图3　第一层预制混凝土方块布置

如图3所示，结合工程实际，破冰锥体底高程定为-3.96 m，顶高程定为2.88 m，上设0.5 m高直立柱，所以破冰锥体顶高程取3.38 m，锥体角度取为60°。

破冰锥体采用预制混凝土方块和现浇混凝土锥体组成，在施工水位下设两层预制混凝土方块，第一层由4块预制混凝土方块组成，第二层由2块预制混凝土方块组成，预制混凝土方块中间预留正方形孔。预制混凝土方块排列见图4。

图4　第二层预制混凝土方块布置

两层预制混凝土方块安装完成后，在预留的正方形孔中放置钢筋笼，并与上部现浇混凝土锥体一起浇注，形成整体，从而使破冰锥体具有良好的整体性，详见图5。

图5　破冰锥体预留孔配筋断面

破冰锥体下布置钢筋混凝土沉箱作为破冰结构的基础，沉箱内回填块石，沉箱下设2 m厚抛石基床，并在沉箱四周设100～150 kg大块石护底，如图6所示。

图6　破冰结构断面

5.2 拦冰结构设计

由于码头与取水南堤之间间距长约300 m，为保障拦冰网在拦截浮冰时具有良好的悬链线形状和张紧特性，应该每隔一段距离设置为拦冰网提供固定约束的嵌岩钢管桩和拦冰墩，如图7所示。

图7　拦冰—导向结构立面

拦冰网下边界的高程确定为-5.0 m。将冰网上边界的高程设定为与前方破冰装置顶高程保持一致，即3.38 m。

拦冰网采用直径为20 mm的钢绞线编制，矩形网格尺寸为400 mm×200 mm，长边沿水平向，短边沿垂向，单片尺寸为10.5 m×8.38 m，共18片。具体施工时，在拦冰墩台和钢管桩上焊接拉环，网片吊装到位后，采用卸扣将网片与墩台连接成一个连续的拦冰网结构。

5.3 拦污结构设计

拦污网堤体上的墩台，采用重力式墩台结构，取水明渠中的墩台，采用高桩墩台结构，桩基采用钢管桩嵌岩。拦污结构立面如图8所示。

图8　拦污结构立面

拦污设施主要由墩台、主钢缆、网片、网坠、绞车、钢支架与滑轮、定位锚块等组成。拦污网顶部至少应高出设计高水位1.5 m，底部用锚链绑扎，使之可以垂于渠底，网片总高度约为15 m。

1）主钢缆

主钢缆采用Φ40 mm的镀锌钢丝绳。

2）网片

为有效拦住水母和杂物，考虑在主钢缆上挂设2张网片，规格如下：

一级网片总长度约为260 m，高度约为15 m；材料采用锦纶，网眼为2 500 mm×2 500 mm，四周边绳Φ30 mm，纵横肋绳Φ20 mm。网片悬挂在主钢缆上。

二级网片分为两种规格，一种网眼大小为50 mm×50 mm，另一种为30 mm×30 mm。材料采用聚乙烯，单个大小为2 500 mm×2 500 mm，四周边绳 Φ10 mm，纵横肋绳 Φ3 mm；二级网片用Φ6 mm绳子绑扎在一级网片上。

3）网坠

为使网片能垂于渠底，考虑在网片下端挂锚链，锚链Φ26 mm。

4）绞车

北堤墩台和中隔堤墩台各设一台5 t绞车，共2台。其它墩台各设一台2 t绞车，共5台。

5）钢支架与滑轮

钢支架主要用于安装滑轮和固定主钢丝绳。钢支架安装在墩台上，滑轮则安装在钢支架上。

6）定位锚块

为使锚链定位，每间隔一定距离设置一个混凝土锚块。

为了节省工程造价，将第二道拦冰结构与拦污结构相结合，拦冰网直接共用拦污网的墩台结构进行布置；拦冰网设置在拦污网前端，网片采用Φ20 mm钢绞线编制，单片尺寸为40 m×8.38 m，共4片，网眼尺寸为400 mm×200 mm。墩台上设启闭机系统，网片用卸扣连接在启闭机闸门上，升降启闭机就可带动网片一起升降；冰期来临前安装，冰期结束后拆除。

6 结 语

经过本工程对防冰、拦污系统的设计研究，今后在核电厂及其他一些需要防冰、拦污的工程中可按以下思路开展工作：

1）充分调查研究、收集基础资料，确定设计标准后，合理布置平面位置。

2）防冰拦污设施的设计应首先分析潮流对污染物的作用，在顺势的前提下布置水工结构，力求以最少的工程造价防止污染物的入侵；正如本工程的防冰设计先导冰，导不走的，先破冰，再拦冰。

3）防冰、拦污设施应避开强浪向布置，避免因为拦污网上堆积污染物后，整体结构受波浪力较大，从而增加工程费用。

4）拦冰网和拦污网结构要考虑可拆卸性，以便于拦冰网和拦污网的日常维护和检修。

［1]JTS167-2-2009 重力式码头设计与施工规范［S］.

［2]JTS147-1-2010 港口工程地基规范［S］.

［3]JTS151-2011 水运工程混凝土结构设计规范［S］.

［4]JTS167-1-2010 高桩码头设计与施工规范［S］.

［5]JTS167-4-2012 港口工程桩基规范［S］.

［6]天津大学前沿技术研究院有限公司， 水利工程仿真与安全国家重点实验室. 徐大堡核电厂取水口防冰设施模型试验研究［R］.

Research and Design of Anti-icing and Pollutant Barrier Facilities in Nuclear Power Plant

Yu Mei， Liu Yi
（CCCC-FHDI Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou Guangdong 510230， China）

The anti-icing and pollutant barrier facilities have been considered in the design of maritime work of Binhai nuclear power plant in order to meet the requirement for water quality in the daily operation of nuclear power plant. The relevant design ideas and principles have been summarized. A project is fully investigated and researched， basic data are collected and reasonable layout is decided. The engineering hydrology， geology and other natural conditions are studied to carry out the structural design of anti-icing & pollutant barrier project， and an introduction is given to the structural design option， anti-icing & pollutant meshwork option and daily disassembly/assembly process option for the above project. The general layout， structure option， technology and cost are analyzed to show that the combination of anti-icing & pollutant barrier facilities and routine maintenance of nuclear power plant can control water quality effectively. The layout and structure of the anti-icing and pollutant barrier facilities will provide a reference for similar projects.

nuclear power plant； anti-icing； pollutant barrier

U657.1

A

1004-9592（2016）03-0044-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160312

2015-10-26

于梅（1983-），女，工程师，主要从事港口工程结构设计工作。