核电厂主厂房基坑降水分析与设计

李宝宁

(中国中原对外工程有限公司,北京 100044)

核电厂机型为“华龙一号”，厂址坐落在Punjab平原ThalDoab沙丘，地基是由细、中沙形成的冲积层，厚度超过200 m。距离主厂房东北方向约1 km处是宽150 m、深4 m的CJ-Link 和Zndus River。机组基础位于地下水位以下4.5 m。由此可见机组基础坐落在地下水位以下的中等透水地基之上，这也是该核电项目的特点及施工难点。

机组的主厂房筏基长238 m、宽157 m、地下水位以下4.5 m，基坑降水规模(降水面积、井点数量、降水量等)较该区域以往项目明显扩大。核岛和常规岛降水属于异性区域降水，加大了机组基坑降水的设计及施工难度。

本文根据厂址的地质水文条件，结合该区域以往机组基坑降水经验，对机组基坑降水进行分析、策划、设计，并对降水方案进行数值模拟验证，为后续主厂房的基坑开挖与降水施工提供技术支持，以及合同价格测算支持。

1 主厂房基坑降水分析

1.1 开挖与降水的关系

机组厂址标高为：+200.2 m，基础底标高为：+187.2 m，地下水标高为：+191.5 m，降水与开挖需穿插施工、统筹考虑。为满足现场材料运输通道设置及基坑边坡安全要求，并考虑尽量缩小降水区域、减少降水井点数量，采用分两期开挖的方式进行开挖。

第一期基坑开挖工程分为二个施工阶段进行，土方开挖与降水井点施工互相配合交叉作业，井点降水影响区域在降水满足开挖要求后再进行开挖施工。

1.2 联合降水分析

本文通过计算核岛降水引起的常规岛地基区域的不均匀沉降来判断是否存在联合降水的必要性。

1.2.1 计算模型与参数的选取

地基上部荷载：地基上部荷载为筏板基础的对地压力，故为：P0=75 t/m3。

土地压缩模量：根据规范Es=20 MPa，随压力越大，压缩模量变大：Esi=(20+i)MPa。

1.2.2 不均匀沉降差的计算

图1 核岛筏基地基地下水抽水影响的应力差计算简图Fig.1 Stress difference calculation of Nuclear Island foundation

式中：εi、Hi、ΔPi、Esi分别为第i分层土的压缩应变、土的厚度(取1)、压力差、压缩模量；n=分层数。由于筏基地板宽度约50 m，根据弹性力学计算，取n=50为影响应力—应变关系的计算范围。计算得到不均匀沉降差为：S=0.69 cm。

1.2.3 联合降水方案的判断

根据《压水堆核电厂核安全有关厂房地基基础设计规范》中要求，建筑物厂房的整体倾斜度不超过1/1200。核岛长度为119.2 m，9.93 cm>S=0.69 cm，采用分部降水的形式产生的不均匀沉降不会超过规范要求。由于核岛开挖降水施工周期较长(约1～2年)，建议尽量采用核岛与常规岛联合降水布置的方式进行基坑降水施工。

1.3 异形群井效应分析

由于机组核岛、常规岛筏板基础的联合降水区域为异形群井区域，规范中参数h、S、r0、hm等取值无法准确确定，涌水量将无法计算。针对上述问题，本文分析异形群井效应的影响，获得能够适用于机组异形群井降水的计算方法。

1.3.1 群井效应分析

在四周存在补给水的状态下，饱和土体中的单个井点降水形成的降水水位线为对称漏斗形。群井情况下，单井外侧仍能够形成漏斗形状；但内侧无法形成对称的漏斗形状。

相关研究表明：群井效应下井点内侧的降水深度是非群井状态下降水深度的几倍甚至几十倍[1]，主厂房周围设置成排井点组成群井，而且降水区域中心为降水深度最浅的点。机组主厂房的降水的水源来自于运河，井点布置中，北/东侧应较南/西侧密集。

1.3.2 异形区域分析

核岛、常规岛的降水区域为双轴对称的矩形，可以简化为垂直于横轴、纵轴的二维的降水平面[2]，根据群井效应分析，在核岛与常规岛连接处，处在二维降水平面内，因此可以通过分别单独计算核岛和常规岛涌水量，加和后作为总涌水量。数值模拟结果如图2所示。

图2 整排井形成的降水剖面图Fig.2 Dewatering profile formed by whole row of wells

1.4 降水对周围建筑物的影响

基坑降水对周围建筑的影响主要体现在对周围建筑物不均匀沉降的影响。常规岛降水引起的核岛筏板基础的不均匀沉降仅为0.69 cm，满足规范要求，且降水对周围建筑物不均匀沉降的影响会随与建筑物的距离增大而减小，故定性分析降水对周围建筑物影响不予考虑。

2 主厂房基坑降水设计

2.1 基坑开挖设计

根据上述基坑开挖与降水的关系分析，设计开挖图如图3所示。

图3 核岛开挖图Fig.3 Excavation of the nuclear island

第一期开挖至+193.2 m(-9.5 m)，开挖底标高为地下水位以上1.7 m，该标高设置施工环形通道，由于挖机能力局限性，该期开挖分三层完成。第二期开挖至-16.4 m，该期开挖底标高位于地下水位以下。第二期开挖分为四层，每层分别开挖至-10.7 m、-11.9 m、-14.6 m、-16.4 m。环形通道设置在+193.5 m，考虑施工运输和材料堆放的要求，环形通道宽度设置为9 m，在环形通道的内边缘设置降水井点，既能够充分利用环形通道的工作面，又能够尽最大限度缩小降水范围，减少降水成本。

鉴于在以往项目核岛基坑开挖放坡的可行性，采用1∶1.5的放坡比例，放坡开挖完成后，在坡面敷设红砖进行护坡，此放坡方式能够在满足要求的情况下极大地减少成本。通过计算得到主厂房开挖总土方量为41万立方米。

2.2 井点降水的策划

2.2.1 降水类型选取

通常情况下，基坑降水方法主要有：明沟加集水井降水、喷射井点降水、电渗井点降水、井管井点降水、轻型井点降水、深井井点降水等。

其中深井井点降水适用于土层渗透系数为10～250 m/d、降低水位深度可大于15 m。该降水方法适用于现场的地质条件，主厂房基坑降水选用深井井点降水的方法。

2.2.2 以往项目的降水经验

渗透系数：根据以往机组降水观测井实验以及现场实践，渗透系数取值为89.42 m/d。

井点间距：由于基坑东/北侧靠近补给水源，东/北侧：西/南侧间距比值为1∶1.5。

井点检修备用比例：降水过程中，存在抽水电机发热、抽水水泵检修等无法预计的故障，为避免降水后地下水回流，检修备用率为20%。

基坑降水动水位：根据相关规范要求，基坑降水动水位需在施工底标高以下0.5～1 m，由于核电施工的特殊性，计算时取地下水位降至基坑设计标高下1.5～2 m。

潜水泵型号：根据以往项目经验，选用抽水能力为210 m3/h 的潜水泵。

2.3 深井井点降水涌水量计算

井点降水的涌水量与井点的布置有关，经过上文的分析，涌水量由核岛区域和常规岛区域分别计算提供。首先通过规范中给出的规则区域井点降水涌水量公式得到核岛区域和常规岛区域的涌水量，得到总涌水量；再通过涌水量总和及单井允许抽水能力确定井点数量、井点间距，布置降水井点；最后确定降水井点的设计、施工参数。

2.3.1 核岛、常规岛涌水量计算

经上述分析，使用《建筑基坑支护技术规程》JGJ120的附录F第F.0.2条提供的基坑涌水量公式进行核岛涌水量计算，公式如下：

核岛区域总涌水量：127 267 m3/d。同理，常规岛区域总涌水量：114 861 m3/d。

2.3.2 机组主厂房基坑降水总涌水量

主厂房井点降水总涌水量为核岛、常规岛涌水量之和，即242 128 m3/d。

2.4 单井允许进水能力计算

在降水时，地下水通过井管进入降水井内，受管段长度的限制，最大允许进水能力：

2.5 井点个数计算

通过单井允许进水能力选择井点个数：n1=Q/q=28。

按照井的进水能力计算得，最少需28口井，流量应小于8 963.98 m3/d，选用210 m3/h的潜水泵(扬程42 m、功率37 kW、涌水量5040 m3/d)。

n=Q/q=242 128/5040=49，考虑20%的检修需要，至少配备59口井。

2.6 井点间距计算

井点平均间距为14.7 m。核岛北侧间距为12 m，核岛西侧/南测为18 m。常规岛东侧/北侧间距为10 m，南侧间距为16 m。

2.7 机组主厂房联合降水井点布置图

机组主厂房联合降水井点布置图见图4。

图4 机组降水井点布置图Fig.4 Layout of dewatering well points注:共59口井，核岛周围33口；常规岛周围26口。

2.8 井点参数计算

核岛周围共33口井的参数：1.5 m沉砂管+15.2 m滤管+0.3 m大小头=17 m，潜水泵在大小头上方4 m，潜水泵在稳定动水位下4 m，则井底到动水位的距离： 25 m，井内动水位标高为：+179.0 m，降水深度12.3 m，环形通道的标高为-9.5 m，井底标高为+154.0 m，井深： 40 m(井深度)。井口直径：0.7 m，井管直径：0.45 m，井管长度：23 m。同理，常规岛26口井参数：井深：37 m。井口直径：0.7 m，井管直径：0.45 m，井管长度：37-17=20 m。

3 机组主厂房基坑降水方案验证

为验证设计方案的可行性，采用数值模拟的方法进行模拟验证。本文使用工程常用的流固耦合计算软件ABAQUS进行有限元分析[3]。

3.1 机组主厂房基坑降水数值模拟模型建立

3.1.1 计算模型简化分析

考虑到计算机配置局限，并通过1.3.1和1.3.2中的分析，将核岛、常规岛的基坑群井降水简化为过基坑中心断面的二维降水模型。分析模型简图及数值分析模型如图5所示。

图5 核岛典型降水断面分析模型Fig.5 The analysis model for the typical dewatering section of the nuclear island

3.1.2 模型的建立

输入井点降水深度、井点间距、井点口径等数据，建立数值模拟图如图6所示。

图6 数值模拟模型Fig.6 The Nnumerical simulation model

3.2 机组主厂房基坑降水数值模拟结果及分析

3.2.1 核岛数值模拟结果

选用勘察报告及以往项目降水经验输入计算参数，得到核岛厂房典型断面基坑降水渗流图,如图7、图8所示。

图7 核岛降水断面降水渗流图 Fig.7 The precipitation seepage of nuclear island dewatering section

图8 常规岛降水断面降水渗流图Fig.8 The precipitation seepage of conventional island dewatering section

如图7、图8所示，左上角为空隙水压力的等级图。从数据看出，蓝色为孔隙水压力为0的部分，该部分土体在地下水位以上；从蓝色到红色的过度(分为1～15色段)，孔隙水压力逐渐增大，色段右侧的数值为孔隙水压力的计算值。

3.2.2 核岛、常规岛数值模拟结果分析

从数值模拟结果可以看出，在基坑内部，越靠近降水井，地下水位越低，基坑中心为降水深度最浅的位置。1号色段与2号色段的交界处水利坡度为0，交界处地下水位降水线。通过模型截面尺寸如图9、图10所示，进行切割可以看到基坑降水地下水位线以下6.5 m(+185 m)，而核岛筏板基础的底标高为+187.2 m，基坑降水在基坑标高下2.2 m>2 m，满足施工要求；常规岛基坑降水在基坑标高下2.7 m>2 m，满足施工要求。

图9 核岛基坑中心降水标高截面图Fig.9 The cross-section of the dewatering elevation in the center of the foundation pit of the nuclear island

图10 常规岛基坑中心降水标高截面图Fig.10 The cross-section of the dewatering elevation in the center of the foundation pit of the conventional island

4 结论

本文根据厂址的地质水文资料，结合以往核电项目基坑降水的经验，分析计算得到机组主厂房基坑降水设计方案，确定了井点个数、井点间距、井点布置、涌水量、井点施工参数等。本文还通过数值模拟的方法，对降水方案进行数值模拟验证，验证结果显示设计方案能满足现场施工。同时通过水位降深看出，该方案的布置方法产生的基坑降深接近预设降深，从经济角度分析能使得降水费用得到优化，为后续主厂房的基坑开挖与降水施工提供技术支持，以及合同价格测算支持。