某核电厂取水拦污设施波浪力试验研究

黄宣军，郭朝禹，孙运佳，张先波

1　概述

近年来，国内多个在运核电机组相继出现了水草、垃圾、海生物等污染物堵塞拦污网的事件，不仅严重影响了电站的取水安全，也对取水拦污设施的结构安全构成危害。

本文通过某核电厂取水拦污设施波浪物理模型试验，对取水明渠口门处拦污网的结构受力进行测试和研究，包括不同拦污网堵塞率条件下拦污网主缆绳拉力及高桩承台波浪力等参数，为类似取水拦污设施的结构设计与选型提供参照与指导。

2　拦污网平面布置方案

本次研究拦污设施位于取水口门处，拦污网轴线呈“一字形”布置，详见图1。在两侧的防波堤堤头和岸上分别设置混凝土锚块M1和M2，锚块之间每隔35 m布置1座三桩承台Y1—Y5，靠近岸边设置2座九桩承台Y6—Y7，2座九桩承台之间设置间距30 m的过船口。

图1　“一字形”拦污网布置形式Fig.1　The trash blocking net with in-line layout

拦污网由主缆绳、一级网片和二级网片组成，拦污网平面结构如图2所示。主缆绳采用φ40 mm迪尼玛缆绳；一级网片采用φ20 mm迪尼玛缆绳，并通过锚环与高桩承台连接；二级网片为50 mm×50 mm的合金网片，直接悬挂在一级网片上，便于拆卸和更换。

图2　拦污网平面结构图Fig.2　Plane structurediagram of trash blocking net

3　试验方法

1）模型比尺：试验模型按JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》等规范[1-3]的要求进行设计，模型比尺为1∶40。

2）拦污网模拟：理论上对于拦污网的模拟应满足几何相似、阻力相似、重力相似和弹性相似。试验过程中，经过模型比尺缩放后的网片直径往往很小，很难找到合适的试验材料。根据已有的研究成果[4-6]，对于拦污网的模拟首先要满足阻力相似。

根据NBT 25002—2011《核电厂海工构筑物设计规范》规定，作用在网片上的水阻力常用莫里森公式，即

式中：F为网片对水流的阻力；Cd为水阻力系数；A为网线在垂直水流方向的投影面积；ρ为水体密度；u为水流速度。从式中可以看出，网片的阻水特性和网线在垂直水流方向的投影面积A（或网线直径与目脚长度的比值）有关。故试验过程中，当满足模型网片与原型网片的投影面积相似时，可以得到：

式中：dp，dm为原型和模型网线的直径；ap，am为原型和模型网线的目脚长度（网孔大小）。因此，当模型与原型中的雷诺数处于阻力平方区，只要保证原型和模型的投影面积（网片透水率）相似，即可保证模型网片与原型网片的动力条件相似。

采用阻力相似的网片模型与理论计算的网片模型在重量上有所差异，因此试验过程中对网片模型的重量进行修正调整，以此满足网片的重量相似。

3）缆绳模拟：保证缆绳的长度和弹性相似，模拟的缆绳弹性曲线和理论曲线基本相似。缆绳的受力-伸长曲线按《波浪模型试验规程》给出的公式进行计算。

4）试验设备及仪器：试验在60 m×40 m×1 m的大型水池中进行，测量仪器包括智能数据采集仪、波高传感器、拉力传感器、总力仪、小威龙流速仪等。

4　试验结果

物理模型试验重点研究了设计水位条件下，拦污网堵塞率10%、20%、30%和50%的工况。包括以下3种工况：

1）单纯取水流量工况

图3给出了单纯取水流量工况下，设计水位、不同取水流量和不同堵塞率条件下各高桩承台间拦污网主缆绳的最大拉力，取水量200 m3/s时，堵塞率10%～50%时的主缆绳最大拉力为170～270 kN。

图3　单纯取水工况下主缆绳的最大拉力Fig.3　The maximum tension of the cable on simple water intaking condition

2）单纯波浪作用工况

图4给出了在设计水位4.41 m，100 a一遇波浪[7]H13%=6.11 m、T =11.2 s的单纯波浪作用下，不同堵塞率条件下各高桩承台间拦污网主缆绳的最大拉力以及各高桩承台受到的最大水平波浪力和浮托力。

图4　单纯波浪工况下试验结果Fig.4　Test resultsof the simple wave condition

随着堵塞率的增大，各区段主缆绳的最大拉力也明显增大，特别是由于两侧的地形变化，波浪在堤头和岸边发生破碎，波浪破碎后形成的冲击水流对两侧的拦污设施结构有较大的冲击作用，因此两侧区段主缆绳的最大拉力要大一些，以及两侧的高桩承台受到的波浪水平力也相对较大。对于波浪浮托力，三桩承台Y1—Y5相差不大，最大波浪浮托力约1 700 kN；九桩承台Y6—Y7由于承台面积大，浮托力也大。

3）取水流量+波浪联合作用工况

图5给出了在设计水位为4.41 m，取水流量为200 m3/s以及100 a一遇波浪H13%=6.11 m、T=11.2 s联合作用下，不同堵塞率条件下各高桩承台间拦污网主缆绳的最大拉力以及各高桩承台受到的最大水平波浪力和浮托力。

图5　取水流量和波浪联合作用试验结果Fig.5　Test resultsof combined action of water intake and wave

从试验数据可以看出，取水流量对拦污设施结构受力的影响很小，拦污设施结构受力主要受控于波浪。各高桩承台的联合作用工况波浪力与单纯波浪作用时的总体规律一致。由于波浪在拦污网两侧的防波堤堤头和岸边发生破碎，波浪破碎后形成的冲击水流对两侧的拦污设施结构有较大的冲击作用，因此水平力较大。

随着拦污网的堵塞率增大，拦污设施结构的受力明显增大，当堵塞率达到30%时，拦污网主缆绳的拉力已超过缆绳的设计破断力，通过试验建议主缆绳的直径增大至48 mm或52 mm。

5　结语

为保证核电厂的取水安全，考虑到高堵塞率情况下，一方面口门处取水流速过大导致底床不稳，另一方面拦污网结构受力较大，结合本次取水拦污设施波浪物理模型试验研究成果，建议现场加强对水下拦污网堵塞情况的监视，并及时清理污染物，建议堵塞率不要超过20%。

另外，在以波浪为控制因素的拦污设施结构设计中，重点关注波浪破碎后的冲击流对拦污设施结构受力的影响，必要时应采用相关模型试验进行测试。

参考文献：

[1]JTJ/T 234—2001，波浪模型试验规程[S].JTJ/T 234—2001,Wavemodel test regulation[S].

[2]JTS165—2013，海港总体设计规范[S].JTS165—2013,Overall design codefor seaports[S].

[3]JTS145—2015，港口与航道水文规范[S].JTS145—2015,Codeof hydrology for harbor and waterway[S].

[4] 桂福坤，李玉成，张怀慧.网衣受力试验的模型相似条件[J].中国海洋平台，2002，17（5）：22-25.GUI Fu-kun,LI Yu-cheng,ZHANG Huai-hui.The proportional criteriafor model testingof forceactingonfishingcagenet[J].China Offshore Platform,2002,17(5):22-25.

[5] 宋伟华.网衣波浪水动力学研究[D].青岛：中国海洋大学，2006.SONG Wei-hua.Study on the mechanics of wave forceson the nettingpanel[D].Qingdao:Ocean University of China,2006.

[6] 李玉成，桂福坤，张怀慧，等.深水养殖网箱试验中网衣相似准则的应用[J].中国水产科学，2005（2）：179-187.LI Yu-cheng,CUIFu-kun,ZHANG Huai-hui,et al.Simulation criteria of fishing nets in aquiculture sea cage experiments[J].Journal of Fishery Sciencesof China,2005(2):179-187.

[7] 某核电厂波浪场推算数学模型试验报告[R].天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2007.Numerical wave calculation test report of one nuclear power plant[R].Tianjin:CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2007.