核電海岸工程的特點及其在田灣核電站的設計實踐-

1、核電海岸工程的特點及其在田灣核電站的設計實踐楊波1,余建星1,郭毅平2,李永祥2(11天津大學建筑工程學院,天津300072;21天津市海岸帶公司,天津300192摘要:本文以田灣核電站為主,結合筆者曾經(jīng)參與的其它核電項目,探討了核電海域工程設計的共性,以及田灣核電海域工程的特點,總結了該核電站海域工程系統(tǒng)設計以及項目管理的實踐經(jīng)驗。關鍵詞:核電海岸工程;田灣核電站;項目管理;水工設計;試驗中圖分類號:P753文獻標識碼:A文章編號:100323688(20030420023204Character istics of Coa sta l Eng i neer i ng for Nuclear

2、 Power Plan ts and Practice i n D esign i ng of T i anwan Nuclear Power Plan tYAN G Bo1,YU J ian2x ing1,GUO Y i2p ing2,L I Yong2x iang2(11A rch itectural Engineering Co llege of T ianjin U niversity,T ianjin300072,Ch ina;21T anjin Coastal Zone Company,T ianjin300192,Ch inaAbstract:In conjuncti on w

3、ith the experience in o ther nuclear pow er p ro jects,the autho rs discuss in th is paper the common characters in the designs of the coastal engineering w o rk s fo r nuclear pow er p lants and especially the characteristics of the coastal w o rk s fo r T ianw an N uclear Pow er P lant,further sum

4、m arizing the p ractice and experience in the designing of the coastal w o rk s fo r T ianw an N uclear Pow er P lant as w ell as the p ractice and experience in the m anagem ent of the p ro ject1Key words:coastal engineering fo r nuclear pow er p lant;T ianw an N uclear Pow er P lant;p ro ject m an

5、agem ent; hydraulic engineering design;testing1引言田灣核電(又稱連云港核電站廠址位于江蘇省連云港市后云臺山南麓,距連云港港口約5km。電廠裝機容量為2×1000MW。循環(huán)水取排水流量約為100m3 s,采用直流供水方式,取水方式為自羊山島北側海域明渠取水至后云臺山根部,然后以隧洞方式輸水至廠區(qū)前池,進入電廠,為安全廠用水和循環(huán)冷卻水供水。排水位于廠區(qū)東護岸外側。田灣核電站海域工程主體項目包括海水取排水工程及護岸工程,以及3000噸級重件碼頭等其它輔助建筑物,涉及工程概算總投資約49990萬元。目前海域工程的主要施工項目已基本完成。此前,

6、1994年1999年,天津海岸帶公司曾全過程承擔和參與了嶺澳核電站海域工程主要的研究和設計工作。本文結合核電海域工程設計的共性,總結了收稿日期:2003202218作者簡介:楊波(19652男,博士生,高級工程師,偉信顧問集團首席工程師,港口工程專業(yè)。田灣核電海域工程的特點以及其工程設計的實踐經(jīng)驗。2田灣核電站海域工程的組成和工程設計概況211田灣核電站海域工程內(nèi)容田灣核電海域工程的設計研究工作始于1998年初。此前,在連云港核電站的可行性研究過程中。對于取排水系統(tǒng)及相關的海岸防護建筑物曾經(jīng)進行了初步的研究,但是未形成確定的方案。因此初步設計階段,除在繼承原工程技術方案的基本設計思想基礎上,完

7、成初步設計階段規(guī)定的有關工作外,一項重要的工作即是對水工方案及其相關的設計參數(shù)進行回顧性補充研究和分析,以確立系統(tǒng)的設計輸入?yún)?shù)和明確取排水工程方案的總體布置形式。田灣核電海域工程包括以下主要內(nèi)容:海水取排水系統(tǒng)(取水口明渠,取水前池,常規(guī)島循環(huán)冷卻水(PA排水口和安全廠用水(PE排水口;護岸結構(廠區(qū)南護岸、廠區(qū)東護岸、廠區(qū)北護岸、前池防波堤;其它輔助性建構筑物,如重件碼頭等。圖1“田灣核電海域工程總平面布置概況圖”給出了系圖1田灣核電海域工程總平面布置概況圖統(tǒng)的主要布置情況。取水系統(tǒng):作為海域工程主體的海水取水工程,在初步設計階段初期,針對取水位置先后通過調(diào)查和試驗研究,對黃窩取水點和羊山

8、島取水點進行了多方面的比較論證,最終確定取水位置為羊山島水點。就這一取水部位,先后對明渠取水和隧洞取水方案進行了認真的研究分析和技術經(jīng)濟評估比較,最終確定為隧洞取水作為輸水主體,頭部設置明渠取水。在廠外冷卻水取水隧洞與廠區(qū)冷卻水暗溝交接處,考慮安全廠用水儲備的需要設置了廠區(qū)前池。取水系統(tǒng)的布置主要遵循了以下布置原則:(1取水安全可靠,保證電廠冷卻水及安全廠用水的安全性和可靠性;(2盡量減少輸水系統(tǒng)的泥沙淤積,保證循環(huán)冷卻水的供給;(3防波堤堤頭位置位于波浪破碎帶以外,并避免羊山島岸線較易啟動的表層粉沙進入引水系統(tǒng);(4減少溫排水對取水口水溫的影響,滿足取水工藝要求。最終確定的取水頭部采用明渠,

9、兩側設置擋沙防波堤。海域工程的排水系統(tǒng),經(jīng)過廠內(nèi)排水系統(tǒng)總體工藝設計方案和總平面布置方案反復比選,確定循環(huán)冷卻水和安全廠用水的排水方向采用東排方案,即穿越東護岸排入黃海。鑒于安全廠用水的流量小但安全要求高,考慮設置溢流井。溢流井前安全廠排水暗溝為核安全級,循環(huán)水排水系統(tǒng)的流量大,但無核安全要求。因此對此兩項結構分離建設,以降低排水口設計難度,減少工程整體造價。護岸系統(tǒng)的總平面布置基本上是依照廠區(qū)平臺的總平面布置的需要確定?？紤]到護岸不同區(qū)段所掩護的核電建構筑物重要程度不同,對不同的分段采取了不同設計標準。重件運輸碼頭:在工程初期,重件運輸方案擬采用從連云港口岸卸船,采用陸路運輸方法運達工程安裝

10、現(xiàn)場。如此則勢必要進行老碼頭的結構改造,以及對所經(jīng)區(qū)域區(qū)段的道路橋梁按照重件運輸?shù)男枰M行改建工程。為此,針對在廠區(qū)建設重件碼頭問題進行了專題論證,論證結果表明在工程投資和滿足重件運輸?shù)墓て谛枰?在廠區(qū)選擇適當?shù)攸c建設重件碼頭,具有經(jīng)濟和工期上的優(yōu)勢。重件碼頭選址于前池防波堤北端,按3000t重力式結構設計,碼頭處于前池防波堤上道路和核電北路的交匯點,這樣有利于大件運輸線路的選擇、減少大件運輸?shù)年懮线\距,同時方便核電站對其統(tǒng)一管理。重件碼頭長70m,寬50m,軸線方向5°-185°,航道方位275°-95°,航道總長為640m。碼頭設置t全回轉起重機一

11、臺。212主要建筑物的結構設計護岸結構:廠區(qū)護岸因所處位置和其對核安全中所起作用的重要程度分為東、南、北護岸,均采用拋石斜坡堤方案,頂部設擋浪胸墻。東護岸面對外海且直接掩護其后方的核島,故采用的標準最高。擋浪墻頂高程915m、肩坡寬度515m、戧臺寬度1010m,外坡采用5t扭工字塊護面?？梢詽M足在DBF水位與100a一遇波浪、風線性組合下越浪量小于01033m3 sm的要求。東護岸區(qū)域淤泥厚度較大,層深普遍超過18m,采用排水固結法進行基礎處理。南護岸距核島較遠,后方掩護區(qū)域為廠前區(qū)。其下覆軟基埋藏較淺,采用爆炸排淤法處理軟基,擋浪墻頂高程由東向西,從915m漸次降到518m,肩坡寬度515

12、417m,戧臺10616m,護面采用3t扭工字塊。北護岸因有前池防波堤掩護且考慮與前池防波堤的銜接,采用全清淤方案處理軟基,大塊石護面,擋浪墻頂高程718m。取排水工程結構:初步設計時考慮到取水頭部對于核安全的重要性和工程的美觀,設計了拋石斜坡堤和預制鋼筋混凝土半圓堤兩個方案,后結合現(xiàn)場有大量的開山石料需要處理,設計變更采用拋石斜坡堤方案,采用爆炸法處理軟基,4t扭王字塊體護面,頂高程315m。前池防波堤采用拋石斜坡堤加混凝土擋浪墻方案,考慮到與前池挖泥工作的銜接,采用了全清淤方案挖除軟基,擋浪墻頂高程910m,外側采用5t扭工字塊體護面。為保證前池形成干施工條件,堤心石中設一頂高程410m、

13、厚018m 的柔性混凝土地連墻止水防滲。排水導流堤采用拋石斜坡堤方案,爆炸法處理軟基,頂高程315m,采用3t扭王字塊體護面?？紤]到對自備碼頭在使用期短、等待期長且少維護的前提下要求荷載適應能力強的特點,設計采用重力式結構,頂標高517m,底標高-615m。213田灣核電海域工程的施工特點施工工期緊迫:與四通一平幾乎同步開始的海域工程施工,在廠區(qū)開山產(chǎn)生大量土石方需要處理的同時,海域工程設計尚處于滯后狀態(tài),與廠區(qū)已經(jīng)產(chǎn)生的大量土石方需要消化的要求存在著巨大差距。 地質(zhì)情況復雜:如前所述連云港地區(qū)水淺灘廣、淤泥深厚。海工結構物幾乎全部建在軟基上,軟基處理所需的時間相對較長。而前期可行性研究中對軟

14、基加固的方案研究相對薄弱。針對田灣核電的以上特點,從結構選型和施工組織方面采取了一系列措施。如除東護岸因淤泥厚度太大并涉及直接掩護核島采用排水固結法處理軟基外,其它海工構筑物基本上均采用消化土石方迅速、施工推進速度較快的爆炸排淤法處理軟基。依據(jù)現(xiàn)場實際,在土石方急需推進的情況下,T1、T2區(qū)暫未做軟基處理,直接回填。但在方案考慮上仍為后續(xù)該區(qū)域的進一步處理預留了技術可行的空間。前池各分項工程交叉施工。將前池挖泥、前池防波堤基槽挖泥、前池周邊構筑物基槽挖泥和前池防波堤的拋石工作交叉進行。將前池施工進度壓縮至符合業(yè)主編制的二級進度計劃。,依據(jù)現(xiàn)場實際,采取“小步快進”的加載方式,及時不斷地調(diào)整東護

15、岸加荷速率,保證了護岸施工階段工期的實現(xiàn)。3田灣核電海域工程項目試驗研究工作的內(nèi)容田灣核電建設前期工作時間緊張,在工程進入初步設計階段以后,按程序展開的海域工程上述調(diào)查及試驗研究準備尚不充分。在初步設計階段,為了彌補前期工作的不足,同步進行了一些應該在前期完成的調(diào)查和試驗研究工作。311補充進行了外業(yè)調(diào)查工作(1可行性研究階段獲得的潮流實測數(shù)據(jù),由于邊界潮位控制缺測,難以應用于工程試驗模擬。為此,為了彌補潮流場模擬中的邊界潮位控制數(shù)據(jù),在平洲島進行了半個月的潮位觀測,并將該系列數(shù)據(jù)與連云港周邊海洋站相關,確立了溫排水、泥沙、潮流模擬的邊界條件。(2海洋水文氣象補充分析,提供了工程海區(qū)及其鄰近海

16、域的水文氣象本底數(shù)據(jù),包括:水文氣象要素的空間分布和時間變化特征分析;工程設計所需的各項參數(shù);結合實測資料,利用工程海域和長系列資料,通過數(shù)學模型對工程海域的熱帶氣旋、風暴潮、波浪和泥沙進行了分析研究。研究分析內(nèi)容包括:氣象、潮汐、波浪、海流和海水溫度、鹽度。312冷卻水試驗研究冷卻水工程試驗研究通過數(shù)值模擬和物模試驗的綜合研究,為核電站的設計推薦了冷卻水取、排水口布置方案,預報了核電站溫排水在海域的稀釋、輸移和擴散情況,給出核電廠取水溫升和各種溫升的等溫線面積,為取排水工程設計方案的決策提供了有力支持。數(shù)學模型試驗以方案的比選為主要目的,同時兼顧方案在總體布置上的優(yōu)化,方案的優(yōu)化主要通過物理

17、模型試驗的結果獲得。相關的模型試驗包括:大范圍潮流模擬計算;連云港核電站取排水工程溫排水數(shù)模計算;連云港核電站取排水工程低放廢水濃度場數(shù)模計算;廠區(qū)前池冷卻水能力計算研究;溫排水物理模型試驗;低放廢水物理模型試驗。313泥沙試驗研究泥沙問題是田灣核電取排水工程的重點和難點問題,工程海域水淺灘廣,廠址附近淺灘的沉積物在波浪作用下懸揚,在潮流作用下輸移,為取排水系統(tǒng)提供了豐富的泥沙來源。在核電站取排水結構及其他海域設施建成后,將顯著改變工程海區(qū)動力狀況,田灣核電站海域泥沙試驗研究,著重在外業(yè)調(diào)查和動力地貌研究的基礎上,從總體上回答了與電廠配套的海上工程實施后,取水質(zhì)量是否滿足核電要求;取水頭部明渠

18、及取水口水深維護的可能性及其清淤維護工程量,取水構筑物和排水構筑物沖刷侵蝕的防護及其工程措施等問題。前期通過分析和流場數(shù)學模型進行了定性和初步的定量估算。在方案基本傾向確定后采用渾水動床物理模型試驗結合數(shù)學模型進行了定量研究,為取排水方案的最終確定提供了依據(jù)。完成的工程試驗研究包括:海水取排水工程泥沙數(shù)值計算;海水取水工程廠區(qū)前池泥沙淤積物理模型;海水取排水工程泥沙物理模型試驗;海水取水工程泥沙物理模型試驗。314波浪模型試驗連云港核電海域工程初步設計階段波浪試驗包括:電廠及海域工程總體規(guī)劃方案的波浪數(shù)學模型試驗;連云港核電站取排水工程局部整體物理模型試驗。上述試驗配合電廠的總體規(guī)劃設計,優(yōu)化

19、方案并驗證方案;根據(jù)取水和排水結構以及護岸結構的總體布置,研究不同部位的設計波要素的分布,為平面布置和結構方案優(yōu)化提供了依據(jù)。在后續(xù)設計階段,通過物理模型試驗(包括結構和建筑物的穩(wěn)定性試驗和平面的局部整體試驗驗證和優(yōu)化平面布置以及斷面結構。斷面結構試驗包括:連云港核電站取排水工程聯(lián)合斷面物理模型試驗;連云港核電站東護岸水工斷面模型試驗;隧洞入口攔沙防坡堤斷面模型試驗。上述各項試驗是以工程設計方案(平面和斷面設計為前提,配合不同的設計環(huán)節(jié)開展的相應試驗研究工作,它們與工程設計既有相對獨立性,又互相聯(lián)系,互為因果。初步統(tǒng)計,在田灣核電海域工程設計展開以來,先后同步進行的調(diào)查和工程試驗研究項目約20

20、余項。涉及海洋環(huán)境條件,海岸動力地貌,冷卻水試驗研究,工程抗震研究等相關領域的多個學科。這些實驗研究工作,或為工程方案的確定提供了依據(jù),或?qū)こ探Y構設計進行了驗證,也為工程項目的環(huán)境評價和初步安全分析提供了基礎數(shù)據(jù)?？偨Y多個核電海域工程的設計和試驗研究過程,針對核電站海域工程的一般特點,我們認為在海域工程的前期階段,宜依據(jù)核電海域工程的特點,系統(tǒng)地規(guī)劃相關的模型試驗研究工作,并著重以專家判斷和數(shù)學模型的手段解決對方案的技術可行性判斷。在獲得對于取、排水方案的基本集中的認識的基礎上,針對方案安排物理模型試驗并輔以相應的數(shù)學模型試驗,這樣可以從總體上加快工程設計和有關前期工作的進度。脫離開工程方案

21、選擇基礎上的物理模型試驗,不利于有效的方案選擇和判斷,并且會給建設方造成不必要的投資浪費。4結論(1濱海核電海域工程是核電站系統(tǒng)中的一個具有相對獨立性,又服從主廠區(qū)布置和功能控制的相對獨立的子系統(tǒng)。按其功能一般包括海水取、排水系統(tǒng)和海岸防護建筑物(護岸、防波堤等以及其它,如重件運輸碼頭等輔助性建筑物。這些結構物處于同一海域,從功能上既互相聯(lián)系,又相對獨立;從布置上既互相影響又互相依托。海域工程在總體布置上應以核電站總體規(guī)劃為基礎,以廠區(qū)的總體布置為主導,服從廠區(qū)總平面布置的要求,結合當?shù)仫L、浪、流、泥沙等自然條件,遠近結合、統(tǒng)籌兼顧,充分體現(xiàn)安全第一的核電工程設計指導思想。水工建筑物應選型合理

22、,滿足核安全等級要求,符合海洋水文、泥沙等客觀環(huán)境條件要求,結構設計穩(wěn)妥可靠,工程量省,施工方便,投資低,管理及維護簡便。(2濱海核電海域工程具有海岸工程和港口工程建筑的屬性,但是,當疊加了核安全的有關要求的時候,這一類建筑物的設計標準和環(huán)境條件標準又遠高于常規(guī)的海岸工程建筑物。目前,國內(nèi)尚無安全適應的規(guī)范和標準作為設計的依據(jù)。在建和已經(jīng)完成的工程設計標準基本上是綜合國家核安全導則、國內(nèi)港工規(guī)范以及英國、日本、法國等規(guī)范標準提出的。其次,核電項目對自然環(huán)境和社會環(huán)境條件的嚴格甚至苛刻的要求,決定了核電廠址資源供應的有限性。在核電廠選地階段海域環(huán)境條件的選擇并不是確定廠址的主導部分。因而通常核電

23、海域工程的環(huán)境條件較之于一般港口海岸工程更復雜惡劣。因此在設計和前期工作環(huán)節(jié)上,要認真學習和領會核電設施安全的重要性和運行的經(jīng)濟性,謹慎分析取排水系統(tǒng)在核電中的地位,客觀地評價海域工程建筑物所涉及的安全等級,對不同的項目采取與其重要性相適應的標準。這一原則包括兩個方面:其一,海工建筑物及取排水系統(tǒng)應具備與其地位相適應的安全性,確保核電運行安全可靠、萬無一失;其二,應當實事求是地評價海工建筑物對核安全的重要性,突出反映其核安全合格性、經(jīng)濟合理性和技術可行性,而不是盲目提高安全標準和設計標準。(3在工程建設環(huán)節(jié)上,濱海核電海域工程的建設始于“四通一平”階段,延伸至主廠區(qū)項目的施工安裝過程,既是消化

24、廠區(qū)開山土石方的重要渠道,還要為后續(xù)廠區(qū)施工提供防止波浪、流、潮侵襲的安全屏障。在施工組織和條件的設計考慮上,與主廠區(qū)施工的有機銜接和配合,成為海域工程施工組織和協(xié)調(diào)的主要約束條件和輸入條件。海域工程的設計應服從總體工程,為開展“四通一平”創(chuàng)造條件。盡可能平衡陸域工程開山的土石料,創(chuàng)造回填條件、減少施工環(huán)節(jié)、加快施工進展。根據(jù)陸、海域各自施工的特點,從合理組織施工、節(jié)約工程投資等方面看,海域工程施工應與土石方開挖同步進行,這就客觀上要求海域工程設計先行確定方案,先行提出施工圖,目前在建和已建的濱海核電項目的工程實踐都有相似的經(jīng)驗。(4在設計和試驗研究前期勘察的組織模式上,針對核電海域工程這樣一

25、個核電項目中相對獨立的子系統(tǒng),在管理形式上應以系統(tǒng)的模式管理,相應的“包”的劃分亦宜將海域部分的勘察調(diào)查、數(shù)據(jù)分析、設計、試驗納入同一體系,將各分項之間的接口統(tǒng)一控制,以有利于爭取設計工期,從源頭上節(jié)約工程投資。(上接第18頁3K irby J T,D alrymp le R A1A n app roxi m ate model fo r non2linear dispersi on in monoch rom atic w ave p ropageti on modelsJ1Coastal Engineering1198619:545256114Yoo D,OConno r B A1D iffracti on ofw aves in causticsJ1J1W tri w y1,Po rt,Coast1and O c1Engrg1A SCE,19981114(6:751273115Zhao Y,A nastasi ou K1Econom ical random w ave p ropagati onmodeling t