核电厂取排水工程取水隧洞抗震分析

陈 晶

(中国能源建设集团 广东省电力设计研究院有限公司，广州 510610)

1 工程概况

1.1 工程概述

某核电厂距离海岸线约17 km，厂址规划装机容量为6×1 250 MWe 压水堆核电机组。工程取水隧洞采用盾构施工法，由多片预制砼管片组合形成隧洞断面，单根隧洞长24.8 km，单根隧洞内径3.5 m，盾构管片厚度0.3 m，外径4.1 m。两根隧洞之间的净距按照1.5D考虑(D为隧洞外径)，洞顶覆土厚度13.5～21 m。盾构隧洞主要穿过粉砂和粉质黏土层，隧洞底部坐落在粉砂和粉质黏土层上。取水隧洞起端内底标高为-13.30 m，纵向坡度为0.000 3。隧洞沿线上间隔5～6 km设置一个工作井，共7个工作井。

1.2 工程地质

厂址位于滨海平原地区，属于海积、冲积平原。区内主要出露第四系地层。根据勘测资料，其主要为人工填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉砂等组成。根据本次钻孔揭露情况，范围内出露的岩土体按岩土性质和成因可分为4大层共10亚层，详细情况见表1。

表1 场地地质分层表

2 抗震分析

针对核电厂取排水工程取水隧洞和工作井进行静力(施工期、运行期)和地震荷载作用下的动力响应进行分析。其中，在静力分析中，考虑结构自重、静水压力、土压力等荷载作用；动力计算中，考虑结构-地基动力相互作用、动水压力等因素。通过三维有限元，计算得到静、动荷载综合作用下的结构响应。

2.1 计算理论

与岩石地基相比，在深厚覆盖土层条件下，建筑物的地震响应与土的动力特性密切相关。在地震荷载往复作用下，土的动力特性受应变幅度、应变速率和循环加载等多种因素的影响，而且土体的动强度和动变形参数随变形的变化具有强非线性和滞回特性。因此，土基的动力响应呈明显的非线性特征。对于土工建筑物的动力响应分析，用等效黏弹性模型来模拟土体的非线性和滞回性等动力特性。该模型的主要参数是剪切模量G和阻尼比D，它们均为剪应变幅值γ的非线性函数，典型函数形状见图1。

图1 黏土、砂与砾石典型的G-γ及D-γ关系

对线性系统的动力响应，可采用叠加原理进行求解。然而，对于含覆盖土层的结构-地基系统，在强震作用下，土体会产生较大的剪切变形，这将导致土体响应呈现明显的非线性效应，使得叠加原理不再有效。为了解决这一问题，采用等价线性法。在这一方法中，土基非线性动力响应可近似由多次线性分析采用迭代方法获得。其中，在每个迭代步内，假定土体剪切模量和阻尼比为常数，经反复迭代，直到土体中的剪切模量和阻尼比与相应位置处的有效剪应变幅值相协调为止。

2.2 人工边界条件及地震动输入机制

地震作用下，在地基的外边界处施加黏弹性边界来反映无限地基的辐射阻尼效应。黏弹边界是在黏性边界(Lysmer and Kuhlemeyer)的基础上发展起来的，不仅可以反映远场无限地基的辐射阻尼效应，而且还能够体现无限地基对结构-近场地基区域的弹性支撑作用。

计算中，假定3个方向的地震波都是竖向输入，其中沿水平方向振动的地震波假定为SV波，沿竖向振动的地震波假定为P波。

根据上述黏弹性人工边界条件及相应的地震动输入方法，实现了地震动输入和模拟散射场地震波通过人工边界向无限远处传播的功能。

选取不同管段局部长度的隧洞以及满足相互作用要求的地基范围，对工作井和隧洞进行三维分析。

2.3 计算模型

隧洞沿线上间隔5～6 km设置一个工作井，共7个工作井。模型网格在隧洞纵向约125 m，横向约50 m，竖向约200 m。其中，为了精细模拟工作井和隧洞，工作井在厚度方向剖分4层网格，隧洞管片单元在厚度方向剖分3层并对隧洞周边土体进行了加密处理。有限元计算网格数超过50万，自由度数超过150万。见图2-图5。

图2 直线段局部三维有限元网格

图3 直角拐弯段局部有限元网格

图4 直线段工作井与隧洞有限元网格

图5 直角拐弯段工作井与隧洞有限元网格

2.4 地震动输入

地震动输入方法与二维一致，地震动加速度时程采用RG1.60标准谱人工波。图6为人工波地震加速度时程；图7为根据反应谱生成的人工波加速度时程。

图6 人工波地震加速度时程

图7 人工地震波加速度反应谱与期望谱的对比(阻尼比5%)

2.5 计算结果

对于与工作井连接处，管片最大压应力为0.58 MPa、拉应力为1.6 MPa；对于工作井附近(约8 m)，管片最大压应力为2.2 MPa、拉应力为1.2 MPa；对于隧洞直线段，管片最大压应力为2.2 MPa、拉应力为1.2 MPa。见表2和图8。

表2 隧洞应力极值 /MPa

图8 运行期+地震隧洞管片应力(单位：Pa，压为正，隧洞直线段)

图9 运行期+地震隧洞管片典型横断面应力(单位：Pa，压为正，隧洞直线段)

隧洞管片轴力受压最大值为318 kN，位于左侧拱腰处；剪力绝对值最大值为100 kN，最小值位置与运行期基本相同；弯矩绝对值最大值为34 kN·m，极值位置与施工期基本相同。见表3。

表3 隧洞内力极值(直线段工作井及其连接隧洞)

3 结 论

采用隧洞与地基非线性动力相互作用的有限元计算方法，对核电厂取排水工程取水隧洞进行地震荷载作用下的动力响应进行系统分析，研究结果表明：

1) 隧洞管片最大压应力发生在竣工期，最大值为3.0 MPa；最大拉应力发生在地震期，最大值为1.6 MPa；均小于C55混凝土的抗压和抗拉强度。

2) 管片轴力和剪力极值发生在竣工期，轴力最大值为564 kN(压)；剪力绝对值最大值为216 kN。弯矩绝对值最大值发生在地震期，为34 kN·m。

3) 矩形工作井地连墙的最大拉、压应力均发生在竣工期，最大压应力为8.8 MPa，局部最大拉应力达5.1 MPa，最大拉应力位于地连墙直角相交处外侧(约1/4井深)；内衬最大拉、压应力均发生在地震期，最大压应力为3.5 MPa，最大拉应力为4.6 MPa，位于内衬直角相交处(约1/4井深)、 内衬与底板交接处。因此，在工作井设计中，需要对拉应力较大的部位进行配筋加固，以满足强度要求。

4) 隧洞与工作井连接处的接缝在运行期最大错动变形为3.5 mm，地震期为5.9 mm。管片纵向接缝在施工期和运行期相对变形很小，地震期的最大张开量为0.10 mm、错动变形为0.25 mm。管片纵向螺栓的拉应力最大值为41.2 MPa，小于其抗拉强度。