探讨核电厂设计基准雪荷载的选取

耿小爽 李凤菊 王晓亮 郑 伟

（中国核电工程有限公司，北京100840）

0 引言

日本福岛核电站事故后，核电厂的外部事件风险受到人们广泛重视。在国际原子能机构（IAEA）发布的《核设施厂址评价》[1]中也加强了对厂址外部事件的识别、筛选和评价的要求，要求根据外部事件对核设施安全的重要性，对其设计基准进行评价或再分析。

中国核电厂外部自然事件评价中多关注与核安全相关的设计基准风速，对极端积雪的关注相对较少。核安全导则[2]指出，“在研究设计基准积雪时，应当考虑并入积雪的降雨的附加重量，即设计基准积雪的水当量重量要加上低超越概率降雨的重量。例如，可把冬季48 h可能的最大降水量加入积雪中去”。虽然GB 50009-2012《建筑结构载荷规范》[3]中给出了国内各地区的雪压推荐值，但未考虑核安全领域关注的冬季降水，因此并不适用于核电厂。

中国幅员辽阔，大陆岸线纬度跨度达22°，南北海岸线气候特征不同，积雪和冬季降水情况差异较大。

本文选取两个不同气候区的厂址作为研究厂址，采用不同的分布函数进行设计基准雪荷载的计算和分析。

1 计算过程

1号厂址属于温带大陆性季风气候，2号厂址属于亚热带季风气候。选取两厂址代表性气象站1957—2018年的历年最大积雪深度和冬季48 h最大降水量资料，分别采用耿贝尔分布和皮尔森III型分布（P-III分布）进行极值拟合，给出百年一遇估算值。

1.1 分布函数

耿贝尔分布的概率密度函数和分布函数分别为：

式中，a为尺度参数，b为分布密度的众数。

P-III分布[4]的概率密度函数和分布函数分别见公式（4）、（5）：

式中，α、β和α0分别为形状参数、尺度参数和位置参数，Γ（α）为α的Γ函数。

1.2 设计基准雪荷载

积雪对构筑物产生的荷载取决于雪的厚度和堆积密度，通常用雪压表示[3]。见公式（6）：

式中，S为雪压kN/m2；H为积雪深度m；ρ为积雪密度t/m3；g为重力加速度，取9.8 m/s2。

2 结果分析

由图1和表1可见，两厂址对不同分布函数的适宜性不同。以极端积雪为例进行分析，1号厂址耿贝尔分布的拟合效果较好，其百年一遇极端积雪深度估算值也更保守；2号厂址P-III分布的拟合效果相对较好，而耿贝尔拟合曲线出现偏离数据的情形，是由于本厂址无降雪年份较多（计算样本中占40%），即序列中0 cm样本较多。此外，两种分布函数的百年一遇估算值均未包括历史实测极值（42 cm），在拟合图中表现为偏离拟合曲线的极值点。在实际工程中，从安全角度考虑，一般选择偏保守的拟合结果进行后续的设计基准计算。

图1 各厂址不同分布函数的拟合曲线（以极端积雪为例）

2号厂址有雪年份的数据样本中有3个年份的积雪深度在10~20 cm，1个年份在40 cm以上，其余年份均小于10 cm，由此可见，本厂址区域可能会出现较深的积雪但概率不大。进一步结合2号厂址实际气候特征（见图2所示）进行分析，该地区冬季积雪情况不稳定，有些年份整个冬季都不会出现降雪，但当某一年发生寒潮天气时，遇到较多的水汽和较低的气温，会降大雪，造成较深的积雪或者雪灾。因此，本文中选择2号厂址的历史极值进行后续的设计基准计算。

图2 两厂址积雪深度和冬季48 h最大降水量历年变化趋势

按照同样的方法计算百年一遇冬季48 h最大降水量（见表1），与百年一遇极端积雪深度叠加后得到两厂址百年一遇设计基准雪荷载，结果见表2。可见，叠加冬季降水后，两厂址的设计基准雪荷载比仅考虑积雪的结果大2~3倍，说明考虑冬季降水影响的设计基准雪荷载具有足够的保守性。

表1 各厂址不同分布函数的百年一遇估算值

表2 各厂址百年一遇设计基准雪荷载单位：kN/m2

3 结论

（1）当积雪深度的数据样本较少时，耿贝尔分布的拟合效果较差。因此，在确定核电厂设计基准雪荷载时，建议采用多种分布函数进行极值拟合。

（2）从安全角度出发，应取偏保守的拟合结果进行后续的设计基准评价。当拟合结果未包括历史极值时，建议结合该地区的实际气候特征开展具体分析，避免在将来可能会出现超设计基准事件，对核电厂的安全运行带来影响。