某核电厂排水口消能设施优化研究

王秉昌，王书昇，张 俊，夏悟民

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230；2.中核霞浦核电有限公司，福建宁德 355199）

引言

核电厂厂址选择多位于突出海岸的半岛或孤岛上，厂址周边可能会存在着大范围的超厚软土层，例如宁德核电厂厂址处淤泥和淤泥质粘土总厚度高达40～50 m。本工程核电厂厂址条件与宁德核电厂的情况类似，排水口附近的淤泥和淤泥质土总厚度达40 m 左右。排水口附近的护岸、排水导流堤等地基处理方式采用爆破挤淤方案。排水暗涵下穿护岸接入排水明渠，排水口流速一般为2.5 m/s左右，对明渠两侧的排水导流堤和护岸形成长期冲刷。根据核电厂的运行经验反馈：田湾核电厂排水构筑物设置了约80 m 范围的防冲刷结构，近10 年的运行经验显示排水口前方明渠两侧爆破挤淤法成堤的导流堤坡脚稳定性良好；而福清核电厂排水构筑物未设置防冲刷结构，试运行阶段显示排水口前方明渠两侧打塑料排水板法地基处理的导流堤坡脚出现一定范围的掏刷，需采取措施进行修补。因此，电厂排水口防冲刷设计的可靠性十分重要。为确保本工程排水构筑物的安全有效，开展了物理模型试验，并给出消能设施的优化方案，试验成果可为类似核电厂或火电厂等排水口防冲刷工程提供参考。

1 工程概况

某核电厂先期建设的2 台机组，取、排水量分别为33 m³/s、55 m³/s。排水系统由排水暗涵、排水口组成，由于工程区波浪较大，排水口由东、西防波堤和陆域护岸围绕，形成排水渠道（图1）。排水暗涵为矩形断面，其内底标高为-6.45m，包括2条，内径尺度分别为3.5×4 m（宽×高）和6 m×4 m（宽×高）；排水口成扩散式，扩散角为15 度，由两侧翼墙、混凝土底板和消能坎组成。翼墙宽3.0 m，长约28 m，消能坎宽1.0 m，顶高程-8.1 m。排水明渠长150 m，渠底宽25 m，设计底高程-10.0 m，基本与海床底高程相同，排水口外区域开挖换填为中细砂，具体初步方案见图2 和图3。

图1 排水口总平面布置图

图2 排水口大样图

图3 排水口断面图

2 试验内容和条件

2.1 试验内容

1）在试验水位与流量组合运行工况下，观测暗涵排出口的流态，对暗涵出水口几何尺寸及高程布置的合理性进行验证；

2）在试验水位与流量组合运行工况下，观测排水明渠内的流态变化情况，提出保证水流平稳的工程措施；

3）在试验水位、流量组合运行工况下，模拟研究机组暗涵出流对明渠底部的冲刷程度，据此给出排水出口区域防护措施及其防护范围。

2.2 试验条件

1）试验水位（1985 国家高程基准）：100 年1 遇低水位：-3.86 m

2）流量工况：2 台机组同时运行：88 m³/s。

3 模型设计与制作

试验采用正态模型，按重力相似准则设计，模型比尺为1：36。模型模拟了整个排水东堤、排水西堤、内护岸1 段、内护岸2 段、部分北护岸以及整个排水暗涵、排水口及消能坎和部分海域地形，模型总长约25 m，最大宽度约20 m。

排水暗涵用塑料板制作，其糙率n=0.0079，基本与原型明渠混凝土糙率0.014 相同。排水口由翼墙、混凝土底板和消能坎组成，用塑料板制作，使其糙率与原型明渠混凝土糙率相同，并固定在地形上。排水堤和护岸均为斜坡堤，表层主要由扭王字块体护面和护底块石等。模拟时，对水上部分进行了简化，且水下部分扭王字块由相同重量的块石代替。块石按重力比尺挑选。由于模型试验采用的是淡水，试验中考虑ρ海水=1.025ρ淡水用来控制模型块体重量。海域地形采用桩点法复制，按1.5×1.5 m布设桩点，平面尺寸偏差控制在1 cm 以内，地形桩点高程用水准仪精确控制，偏差在±1 mm 以内。模型填沙后用水泥沙浆抹平压光。

拟建工程排水口区域开挖换填中细砂，平均中值粒径为0.25 mm，不同试验水位条件下的泥沙起动流速为0.43～0.59 m/s，泥沙起动流速比尺为6.0，即要求模型沙的起动流速为7.17 cm/s～9.83 cm/s。通过对不同轻质沙进行的特性试验结果，选择D50=0.030 mm，比重1.25 t/m3的轻质沙作为模型底沙，该模型轻质沙的起动流速为6～11 cm/s。

4 试验方法和量测设备

4.1 试验方法

为了解排水口及排水明渠内的流速、流态变化情况，在模型试验区（排水口、明渠中）布设了多个测流断面，流速测点布置见图4，分别测量了表层流速和底部流速情况。根据流速的分布结果，分析并评估排水口的设计尺寸的合理性，以及排水口外明渠底部防冲措施优劣。

图4 流速测点布置图

4.2 量测设备

排水流量采用矩形量水堰量测，节门调节；水位用测针测量；高程用水准仪测量；流速采用多普勒三维流速测试系统（挪威小威龙）进行流速、流向的测量，底部冲刷地形通过照相记录，并量测冲刷深度和范围。

5 试验结果及分析

5.1 设计方案

本试验是在原初步方案（图2、图3）的基础上，结合试验成果，进行消能坎、消力墩、消力池、护底混凝土板等多种消能和防冲刷措施的不同组合布置的方案优化。试验中优化方案较多，本文主要给出以下三个优化方案进行说明：优化方案一：取消台阶，改为1:1 斜坡；在消力池内设置高6.6 m，宽1.8 m 的消力墩3 座进行分流，消力墩呈扇形布置；尾坎加高，高程至-6.0 m，呈弧形布置；两侧翼墙加高至-3.0～-6.0 m。优化方案二：在优化方案一的基础上增加尾坎长度，并取消了两侧翼墙。优化方案三：在优化方案一的基础上，恢复台阶跌水，尾坎降低1.6 m。

图5 排水口优化方案平面布置图

5.2 试验结果

1）流态及流速测量结果

原方案排出水流基本呈射流状，主流带两侧形成较大范围的回流区，且回流并不十分稳定。回流与主流相互作用，也造成主流不稳，但大多数情况下，主流出消力尾坎后，逐渐向左偏转。混凝土护底板以外底部流速大于中细沙起动流速0.43 m/s 的最远断面为12#测流断面。由于翼墙高程低于水位，翼墙两侧的表层回流流入排水口，挤压主流向两翼墙扩散。

表1 原方案排水口流速

图6 原方案流态图

优化方案一的新增消力墩有效的起到了阻流和分流作用，使得排水水流基本沿着翼墙两侧扩散，弧形尾坎也使得排水口的出流向更大范围的扩散。由于扩散充分，没有形成主流带，故向前影响的范围明显缩短，至7#断面，流速减幅很大，至9#断面，流速已不大。优化方案二消能和扩散情况略优于优化方案一，底部流速达到泥沙起动流速的测点为6#断面的右2 点，与优化方案一相同。优化方案三虽然增加了台阶跌水，但是降低了一定的尾坎高度，消能和扩散情况略劣于优化方案一，底部流速达到泥沙起动流速的测点为8#断面的中间点。

表2 优化方案一排水口流速

图7 优化方案一流态图

表3 优化方案二排水口流速

图8 优化方案二流态图

表4 优化方案三排水口流速

图9 优化方案三流态图

图10 原方案的泥沙冲淤情况

2）泥沙动床冲刷试验成果

泥沙动床冲刷试验首先在百年低水位下冲刷2个小时，然后依次调节至平均低水位和平均海平面，在这两个水位下分别冲刷1 个小时。

原方案消能不充分，主流带流速较大，对排水口前方的泥沙冲刷较强，翼墙两侧的冲刷则较少；在消能尾坎前形成两个冲刷坑，其中右侧冲刷坑较大，为64×26 m（长×宽），最大冲深4.3 m，左侧冲坑范围相对较小，为13×12 m（长×宽），最大冲深2.1 m，左、右冲坑之间存在泥沙的局部淤高，淤高约0.48 m；冲刷坑外形成沙纹，最大沙纹高度0.88 m。

优化方案一尾坎及翼墙外受紊动水流作用形成冲坑，冲坑主要在尾坎和翼墙的交汇处，被冲出的泥沙向前和两侧淤积，其中尾坎前的泥沙堆积最大，堆积高度约0.87 m；左侧冲坑深约0.86 m，范围约3.9×3.2 m；右侧冲坑深约1.12 m，范围约11.9×14.6 m；左、中、右侧均形成沙纹，其中右侧沙纹最高，为0.96 m，范围约34×52 m；左侧沙纹高度约0.25 m，范围约15×33 m。

图11 优化方案一的泥沙冲淤情况

优化方案二尾坎外受紊动水流作用，左右两侧形成冲坑，中部局部泥沙有堆积，堆积高度约1.22 m；左侧冲坑深约0.97 m，范围约11×6.9 m；右侧冲坑深约1.43 m，范围约28.0×17.4 m；尾坎前形成较大范围的沙纹，沙纹向左偏，沙纹最大高度0.74 m，沙纹范围约54×74 m。

图12 优化方案二的泥沙冲淤情况

优化方案三尾坎外同样左右两侧形成冲坑，冲出的泥沙在两冲坑之间及前方淤积，其中尾坎前的泥沙堆积最高，高度约1.18 m；左侧冲坑深约1.68 m，范围约10.2×12.8 m；右侧冲坑深约2.67 m，范围约14.4×20.2 m；尾坎前形成较大范围的沙纹，沙纹略向左偏，沙纹最大高度1.08 m，沙纹范围约39×62 m。

图13 优化方案三的泥沙冲淤情况

6 结语

1）原方案靠“小跌水+消力池+低尾坎”组合消能，效果不佳，水流形成主流带，易产生池壁效应，使主流偏向左侧。同时翼墙顶低于百年低水位，两侧的表层回流流入排水口，挤压主流向两翼墙扩散。排水口外泥沙冲刷较大，最大冲深达4.3 m，原方案防冲刷范围未全部覆盖高流速区。

2）优化方案的主要思路是在排水口内设置消力墩、提高尾坎高度，使得水流在排水口内尽量消能充分。试验表明，合理的采取上述措施，可达到分流、扩散、消能的效果，并能为防冲刷范围设计提供设计依据。优化方案中，优化方案一在消力墩顶高程-3.0 m，长度2.0 m，宽度1.8 m，并呈扇形布置，距离暗涵出口约 11.0 m，尾坎高程-6.0 m 时，消能方案最优。此时，护底措施范围为：沿尾坎和翼墙长约60 m，尾坎以外宽约15 m。

3）大多数核电厂采用暗涵将虹吸井的循环冷却水接入排水明渠，排放水体对明渠的冲刷安全以及流态稳定很少做试验研究，基本上是参考水利电力行业的常规消能和防冲刷设施，设计相对保守。本研究结果为排水口消能设施设计提供优化思路和方向，为类似核电厂或火电厂等排相口防冲刷工程提供工程参考。