溫洪涌

（深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518172）

1 概述

目前，我國核電廠址多建于沿海地區(qū)，由于工程海域波況異常復(fù)雜，且受限于用海范圍，因此工程平面布置需要精心規(guī)劃，既要保障廠址安全，又要做到經(jīng)濟、合理、可行。同時，為確保核電廠取水安全，取水明渠通常修建的較為狹長，以滿足泵房前池的波動控制標準[1]。

本文通過某核電廠波浪整體物理模型試驗，研究當取水明渠北防波堤段分別采用斜坡式和直立式結(jié)構(gòu)時，對泵房前池波高的影響，并在明渠前端設(shè)置擋浪墻結(jié)構(gòu)，以降低泵房前池波高。研究表明[2-4]，由于取水明渠具有狹長、半封閉的特征，在泵房前池通常存在長周期波動現(xiàn)象。本文通過對明渠內(nèi)長短周期波的分離，以研究其對泵房前池波高的影響。為防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的確定和明渠前端擋浪墻結(jié)構(gòu)設(shè)計提供試驗依據(jù)。

2 防波堤布置方案

某核電廠址位于島嶼，四面環(huán)海，取水明渠布置在廠區(qū)東北側(cè)水域，與岸線平行，口門朝向為SW向。明渠口門底部高程為-8.5 m，從西防波堤段至明渠泵房前池底部高程為-12.0 m。西防波堤采用斜坡式結(jié)構(gòu)，堤頂標高為+8.5 m；東防波堤為斜坡式結(jié)構(gòu)，坡面1∶1.5，堤頂高程由南到北+11.0～+13.5 m。北防波堤段擬分別采用直立堤和斜坡堤，并與明渠前端設(shè)置擋浪墻的方案相組合。

1）直立堤方案

北防波堤段為直立結(jié)構(gòu)，其中海側(cè)堤頂高程為+13.5 m，明渠側(cè)堤頂高程為+12.0 m，平面布置見圖1。為分析明渠內(nèi)波浪傳播特性，在明渠內(nèi)布置6個波高測試點，其中Q1-Q3位于泵房前池區(qū)域，點位分布如圖1所示。

圖1 北防波堤為直立堤方案平面布置圖Fig.1 Plan layout of vertical-type north breakwater

2）斜坡堤方案

北防波堤段為斜坡式結(jié)構(gòu)，堤頂高程為+13.5 m，見圖2，明渠內(nèi)測試點位置同直立堤方案。

圖2 北防波堤為斜坡堤方案平面布置圖Fig.2 Plan layout of sloping-type north breakwater

3）直立堤+擋浪墻方案

北防波堤段為直立式結(jié)構(gòu)，并在取水明渠前端樁基結(jié)構(gòu)上設(shè)置一道混凝土擋浪墻，墻頂標高+6.8 m，墻底標高+0.0 m，布置于樁間；明渠內(nèi)測試點位置同直立堤方案，其中測試點Q1-Q5位于擋墻內(nèi)側(cè)，Q6位于擋墻外側(cè)，擋浪墻平面位置見圖1中粗虛線位置，斷面和立面結(jié)構(gòu)見圖3和圖4，模型中不考慮樁基擋浪作用。

圖3 擋浪墻結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.3 Sectional view of wave retaining wall

圖4 擋浪墻結(jié)構(gòu)立面圖Fig.4 Elevation of wave retaining wall

4）斜坡堤+擋浪墻方案

北防波堤段為斜坡式結(jié)構(gòu)，并在取水明渠前端樁基結(jié)構(gòu)上設(shè)置一道混凝土擋浪墻，墻頂標高+6.8 m，墻底標高+0.0 m，擋浪墻平面位置見圖2中粗虛線位置，斷面和立面結(jié)構(gòu)見圖3和圖4。明渠內(nèi)測試點位置同直立堤方案。

3 試驗方法

1）模型比尺：依據(jù)JTS/T 231—2021《水運工程模擬試驗技術(shù)規(guī)范》[5]的有關(guān)規(guī)定進行設(shè)計，并根據(jù)已有成果[6-8]，確定幾何比尺為λ=70，進行正態(tài)比尺模型試驗。

2）試驗設(shè)備：模型試驗在80 m×60 m×2.25 m的大型水池中進行，水池中裝備有大型可移動式不規(guī)則波造波機、智能數(shù)據(jù)采集儀、水泵等。

3）波浪模擬：波浪模型試驗采用不規(guī)則波進行試驗，波浪譜為JONSWAP譜，其表達式為：

式中：H1/3為有效波高，m；TP為譜峰值周期，s；f為譜頻率，Hz；γ為譜峰值參數(shù)。

波譜模擬時，總能量偏差控制在±10%之內(nèi)，H1/3波高和譜峰周期的偏差均控制在±5%之內(nèi)。不規(guī)則波以H1/3波高和平均周期為控制條件進行波浪模擬。

由于工程海域強浪向為E—SE向，根據(jù)泵房前池波動設(shè)計標準[1]（100 a一遇高水位+100 a一遇波浪條件下，H1/3≤0.5 m），試驗波浪要素見表1。

表1 試驗波浪要素Table 1 Wave parameters for experiment

4 結(jié)果分析

本次試驗測定了取水明渠內(nèi)Q1—Q6共6個測點的波浪要素[9]，在E向和SE向波浪作用下，各段防波堤均無明顯越浪，東堤對明渠起到很好的掩護作用，對外海傳播來的波浪進行了有效地阻擋。波浪通過東防波堤堤頭繞射進入明渠，波能沿程衰減，波高逐漸降低，圖5給出了不同方案測點最大有效波高的對比情況。

1）直立堤方案

由明渠內(nèi)各測點的波高值可以看出（圖5）：在E向和SE向波浪作用下，泵房前池最大有效波高值分別達到0.87 m和1.04 m，均超過了0.5 m的設(shè)計標準，分析其原因主要是北防波堤段為直立式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形式對波浪反射作用影響較大。同時，波浪雖然經(jīng)過東防波堤的阻擋，繞射后浪高有所消減，但由于明渠內(nèi)未設(shè)置有效的擋浪設(shè)施，最終導(dǎo)致Q1-Q3處波高值較大。

圖5 不同方案測點最大有效波高對比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調(diào)整為斜坡堤后，從試驗結(jié)果可以看出（圖5）：相較于直立堤，斜坡堤對波浪的反射作用明顯減小，泵房前池波高下降較多，E向和SE向波浪作用下，泵房前池最大有效波高降為0.60 m和0.75 m。

3）直立堤+擋浪墻方案

在明渠前端設(shè)置擋浪設(shè)施后，從試驗結(jié)果可以看出（圖5）：由于擋浪墻所在位置高于100 a一遇高水位，具有一定的消浪作用，各測點處波高值均較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，仍超過了0.5 m的設(shè)計標準。

4）斜坡堤+擋浪墻方案

在明渠前端設(shè)置擋浪設(shè)施后，從試驗結(jié)果可以看出（圖5）：除Q6點外，明渠內(nèi)各點波高值均減小，泵房前池各點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為0.48 m。

5）泵房前池波浪特性分析

由于規(guī)范[1]中只對泵房前池的波高標準進行了規(guī)定，尚未明確波動周期。因此，研究泵房前池的波浪特性，對于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的意義。實測明渠內(nèi)特征點歷時波動情況見圖6。

圖6 明渠內(nèi)特征點歷時波動情況Fig.6 Duration wave-level fluctuation of feature points in open channel

根據(jù)實測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)明渠內(nèi)存在明顯的長周期波動現(xiàn)象，口門位置（Q6）的波動周期明顯小于泵房前池的波動周期（Q1）。

采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）[4]方法對泵房前池波動以30 s為界限進行長短周期波分離，以SE方向為例，4種方案下泵房前池波動分離結(jié)果見表2。

表2 SE向泵房前池波浪長短周期分離統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of long and short period separation of waves in the forebay of pump house(SE direction)

由結(jié)果分析可知：泵房前池的波動以長周期為主，周期大多在200～400 s之間，相應(yīng)各方案下波高值均大于1 m；而對于短周期波動，周期大多在20～30 s之間，除直立堤方案外，其余方案的短周期波高均小于0.5 m?？傮w來看，斜坡堤方案情況下，短周期波動較小，而長周期波動較大。在增加擋浪墻后，對短周期的波動抑制作用較明顯。

5 結(jié)語

由于核電廠取水防波堤沿岸布置，且明渠呈狹長形態(tài)，不同結(jié)構(gòu)形式的防波堤對泵房前池波高影響較大，波浪數(shù)學(xué)二維模型很難對不同結(jié)構(gòu)形式的防波堤進行模擬分析，因此，在工程設(shè)計階段，除了開展相關(guān)波浪數(shù)學(xué)模型外，有必要開展物理模型試驗，為防波堤結(jié)構(gòu)方案的確定提供可靠的依據(jù)。

本文通過對某濱海核電廠取水防波堤整體物理模型試驗研究和分析得到，取水明渠北防波堤段斜坡堤+擋浪墻方案較直立堤+擋浪墻方案更優(yōu)，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，滿足泵房前池波高要求。同時，經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）法對前池波動分離結(jié)果表明，泵房前池以長周期波動為主，周期在200～400 s之間，建議評估長短周期波動對取水工藝的影響，以優(yōu)化明渠前端的擋浪墻結(jié)構(gòu)，降低海工工程費用和施工難度。