某核电厂防波堤结构对前池波高影响试验研究

温洪涌

（深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518172）

1 概述

目前，我国核电厂址多建于沿海地区，由于工程海域波况异常复杂，且受限于用海范围，因此工程平面布置需要精心规划，既要保障厂址安全，又要做到经济、合理、可行。同时，为确保核电厂取水安全，取水明渠通常修建的较为狭长，以满足泵房前池的波动控制标准[1]。

本文通过某核电厂波浪整体物理模型试验，研究当取水明渠北防波堤段分别采用斜坡式和直立式结构时，对泵房前池波高的影响，并在明渠前端设置挡浪墙结构，以降低泵房前池波高。研究表明[2-4]，由于取水明渠具有狭长、半封闭的特征，在泵房前池通常存在长周期波动现象。本文通过对明渠内长短周期波的分离，以研究其对泵房前池波高的影响。为防波堤结构设计方案的确定和明渠前端挡浪墙结构设计提供试验依据。

2 防波堤布置方案

某核电厂址位于岛屿，四面环海，取水明渠布置在厂区东北侧水域，与岸线平行，口门朝向为SW向。明渠口门底部高程为-8.5 m，从西防波堤段至明渠泵房前池底部高程为-12.0 m。西防波堤采用斜坡式结构，堤顶标高为+8.5 m；东防波堤为斜坡式结构，坡面1∶1.5，堤顶高程由南到北+11.0～+13.5 m。北防波堤段拟分别采用直立堤和斜坡堤，并与明渠前端设置挡浪墙的方案相组合。

1）直立堤方案

北防波堤段为直立结构，其中海侧堤顶高程为+13.5 m，明渠侧堤顶高程为+12.0 m，平面布置见图1。为分析明渠内波浪传播特性，在明渠内布置6个波高测试点，其中Q1-Q3位于泵房前池区域，点位分布如图1所示。

图1 北防波堤为直立堤方案平面布置图Fig.1 Plan layout of vertical-type north breakwater

2）斜坡堤方案

北防波堤段为斜坡式结构，堤顶高程为+13.5 m，见图2，明渠内测试点位置同直立堤方案。

图2 北防波堤为斜坡堤方案平面布置图Fig.2 Plan layout of sloping-type north breakwater

3）直立堤+挡浪墙方案

北防波堤段为直立式结构，并在取水明渠前端桩基结构上设置一道混凝土挡浪墙，墙顶标高+6.8 m，墙底标高+0.0 m，布置于桩间；明渠内测试点位置同直立堤方案，其中测试点Q1-Q5位于挡墙内侧，Q6位于挡墙外侧，挡浪墙平面位置见图1中粗虚线位置，断面和立面结构见图3和图4，模型中不考虑桩基挡浪作用。

图3 挡浪墙结构断面图Fig.3 Sectional view of wave retaining wall

图4 挡浪墙结构立面图Fig.4 Elevation of wave retaining wall

4）斜坡堤+挡浪墙方案

北防波堤段为斜坡式结构，并在取水明渠前端桩基结构上设置一道混凝土挡浪墙，墙顶标高+6.8 m，墙底标高+0.0 m，挡浪墙平面位置见图2中粗虚线位置，断面和立面结构见图3和图4。明渠内测试点位置同直立堤方案。

3 试验方法

1）模型比尺：依据JTS/T 231—2021《水运工程模拟试验技术规范》[5]的有关规定进行设计，并根据已有成果[6-8]，确定几何比尺为λ=70，进行正态比尺模型试验。

2）试验设备：模型试验在80 m×60 m×2.25 m的大型水池中进行，水池中装备有大型可移动式不规则波造波机、智能数据采集仪、水泵等。

3）波浪模拟：波浪模型试验采用不规则波进行试验，波浪谱为JONSWAP谱，其表达式为：

式中：H1/3为有效波高，m；TP为谱峰值周期，s；f为谱频率，Hz；γ为谱峰值参数。

波谱模拟时，总能量偏差控制在±10%之内，H1/3波高和谱峰周期的偏差均控制在±5%之内。不规则波以H1/3波高和平均周期为控制条件进行波浪模拟。

由于工程海域强浪向为E—SE向，根据泵房前池波动设计标准[1]（100 a一遇高水位+100 a一遇波浪条件下，H1/3≤0.5 m），试验波浪要素见表1。

表1 试验波浪要素Table 1 Wave parameters for experiment

4 结果分析

本次试验测定了取水明渠内Q1—Q6共6个测点的波浪要素[9]，在E向和SE向波浪作用下，各段防波堤均无明显越浪，东堤对明渠起到很好的掩护作用，对外海传播来的波浪进行了有效地阻挡。波浪通过东防波堤堤头绕射进入明渠，波能沿程衰减，波高逐渐降低，图5给出了不同方案测点最大有效波高的对比情况。

1）直立堤方案

由明渠内各测点的波高值可以看出（图5）：在E向和SE向波浪作用下，泵房前池最大有效波高值分别达到0.87 m和1.04 m，均超过了0.5 m的设计标准，分析其原因主要是北防波堤段为直立式结构，该结构形式对波浪反射作用影响较大。同时，波浪虽然经过东防波堤的阻挡，绕射后浪高有所消减，但由于明渠内未设置有效的挡浪设施，最终导致Q1-Q3处波高值较大。

图5 不同方案测点最大有效波高对比Fig.5 Comparison of maximum significant wave height at measuring points in different schemes

2）斜坡堤方案

北防波堤段由直立堤调整为斜坡堤后，从试验结果可以看出（图5）：相较于直立堤，斜坡堤对波浪的反射作用明显减小，泵房前池波高下降较多，E向和SE向波浪作用下，泵房前池最大有效波高降为0.60 m和0.75 m。

3）直立堤+挡浪墙方案

在明渠前端设置挡浪设施后，从试验结果可以看出（图5）：由于挡浪墙所在位置高于100 a一遇高水位，具有一定的消浪作用，各测点处波高值均较直立堤方案有所降低，但降低幅度并不大，E向和SE向波浪作用下，泵房前池最大有效波高降低至0.71 m和0.72 m，仍超过了0.5 m的设计标准。

4）斜坡堤+挡浪墙方案

在明渠前端设置挡浪设施后，从试验结果可以看出（图5）：除Q6点外，明渠内各点波高值均减小，泵房前池各点最大有效波高均降至0.5 m以下，其中在SE向波浪作用下，泵房前池最大有效波高为0.48 m。

5）泵房前池波浪特性分析

由于规范[1]中只对泵房前池的波高标准进行了规定，尚未明确波动周期。因此，研究泵房前池的波浪特性，对于工程结构设计具有重要的意义。实测明渠内特征点历时波动情况见图6。

图6 明渠内特征点历时波动情况Fig.6 Duration wave-level fluctuation of feature points in open channel

根据实测结果，发现明渠内存在明显的长周期波动现象，口门位置（Q6）的波动周期明显小于泵房前池的波动周期（Q1）。

采用经验模态分解（EMD）[4]方法对泵房前池波动以30 s为界限进行长短周期波分离，以SE方向为例，4种方案下泵房前池波动分离结果见表2。

表2 SE向泵房前池波浪长短周期分离统计表Table 2 Statistical table of long and short period separation of waves in the forebay of pump house(SE direction)

由结果分析可知：泵房前池的波动以长周期为主，周期大多在200～400 s之间，相应各方案下波高值均大于1 m；而对于短周期波动，周期大多在20～30 s之间，除直立堤方案外，其余方案的短周期波高均小于0.5 m。总体来看，斜坡堤方案情况下，短周期波动较小，而长周期波动较大。在增加挡浪墙后，对短周期的波动抑制作用较明显。

5 结语

由于核电厂取水防波堤沿岸布置，且明渠呈狭长形态，不同结构形式的防波堤对泵房前池波高影响较大，波浪数学二维模型很难对不同结构形式的防波堤进行模拟分析，因此，在工程设计阶段，除了开展相关波浪数学模型外，有必要开展物理模型试验，为防波堤结构方案的确定提供可靠的依据。

本文通过对某滨海核电厂取水防波堤整体物理模型试验研究和分析得到，取水明渠北防波堤段斜坡堤+挡浪墙方案较直立堤+挡浪墙方案更优，前者在100 a一遇高水位+100 a一遇波浪作用下，泵房前池波高均小于0.5 m，满足泵房前池波高要求。同时，经验模态分解（EMD）法对前池波动分离结果表明，泵房前池以长周期波动为主，周期在200～400 s之间，建议评估长短周期波动对取水工艺的影响，以优化明渠前端的挡浪墙结构，降低海工工程费用和施工难度。