考虑沉箱相互作用的核电直立式护岸动力响应分析

杨亚辉，邱颖，赵杰

（1.中核国电漳州能源有限公司，福建 漳州 363300；2.中国核电工程有限公司，北京 100840；3.大连大学土木工程技术研究与开发中心，辽宁 大连 116622）

0 引言

作为核电海工工程的重要防护部分，直立式护岸结构对取排水构筑物的畅通运行以及核电厂的安全使用有着不容忽视的作用。随着核电的广泛应用和持续发展，沉箱结构以其抵御强震和波浪的显著优点而被应用到直立式护岸工程中。自20 世纪日本兵库县发生大地震以来，接连出现各种破坏性地震对沉箱结构造成破坏，从而导致巨大的社会经济损失[1]。杜政、刘晓等[2-3]分别采用不同的液化砂土本构模型来描述土的非线性特性，研究在地震作用下沉箱码头的动力响应和液化土体的动力特性；王根龙等[4]基于有限元差分软件，结合Finn 模型来对砂土液化进行模拟，从而开展液化砂土的动力特性分析；陈育民[5]通过编译首创了PL-Finn 模型并进行有限差分模拟，分析液化后砂土的流动特性，通过沉箱码头的砂土地震液化特征验证了适用性。

以沉箱码头为对象的研究成果主要集中在单个沉箱码头的地震响应分析以及其砂土地震液化分析等方面，但现阶段，逐渐有学者对沉箱间的相互接触挤压作用对结构地震响应的影响开展研究。王玉梅等[6]考虑了沉箱间相互作用，研究其对核电站取水工程直立护岸的地震响应影响；尹训强等[7]对包含沉箱结构的核电取水头部两侧翼墙进行抗震安全分析；江宾等[8]以某核电海域工程中具有置换砂的沉箱护岸为对象，对其在地震作用下的动力响应规律进行研究。

本文以国内东南沿海核电海工直立式沉箱护岸工程为背景，基于FLAC3D 程序平台，创建沉箱护岸三维模型，根据液化分析相关理论，引入PL-Finn 模型，用interface 接触单元来模拟沉箱间相互作用，运用全程非线性方法对其动力特性进行分析，通过得出直立式护岸的整体变形、沉箱顶部的位移和加速度响应、以及土体液化状况和液化区分布等结果，对直立式护岸的动力响应特征进行规律总结和分析，为以后同类工程提供参考依据。

1 地震响应分析方法

1.1 全程非线性分析方法

本文在土层地震模拟分析中采用全程非线性方法，相比于等价线性方法，它在计算时不需将土层的非线性特征转化为等效线性条件，可以更好地模拟实际土层的非线性动力行为。全程非线性方法可以计算大部分的非线性本构模型，会为模型选择合适的塑性方程，从而得出塑性应变增量和应力，不仅能保持土层的剪切模量和阻尼比时刻更新，还能模拟孔隙水压力的产生和消散。

1.2 孔隙水压力模型

本文在砂土液化数值分析中选择孔隙水压力模型，即Finn 液化本构模型。在动力作用下，其包含的动孔压上升模式，能够将孔隙水压力增加的趋势体现出来，并由此积累到一定程度而发生液化的特点表达出来。基于一系列实验结果，Byrne 提出了更简便的计算塑性体积应变增量的公式：

式中：Δεvd为塑性体积应变增量；r 为剪应变；εvd为总的累积体积应变；C1、C2的详细计算过程见文献[9]。

1.3 液化判别标准

针对土体在地震作用下是否会达到发生液化的状态，考虑计算精度和判断准确性的要求，适用本次判定依据的是超孔压比，其数值定义为：

1.4 液化后变形

本文在Finn 模型的基础上，基于FLAC3D 操作平台，把液化后砂土的流动模型作为主要考虑因素，对其进行改进并形成了PL-Finn 模型，基于此本构可以反映砂土液化后大变形特性，并假定土体单元分为零有效应力和非零有效应力两种状态。限于篇幅，这两种应力状态分别对应的剪应力-剪应变率关系见文献[8]。

2 数值模拟实例

2.1 工程简介

某核电厂海工直立式沉箱护岸工程，厂址位于福建省沿海海域，地质条件较为复杂，海域地层主要分为3 大类岩层，首层为人工填土层、其次为全新统冲海积层、位于最底层的为燕山晚期侵入岩，其中土层包含了淤泥、淤泥质黏土和粉质黏土，同时这些土层中局部夹杂着碎石以及薄层粉细砂等透镜体，而基岩则为长石斑岩、花岗斑岩等。

2.2 模型及参数设置

沉箱护岸三维数值分析模型的长（x 方向）130 m，宽（y 方向）32.84 m，高度（z 方向）51.95 m，设计方案如图1 和图2 所示。其中护岸主体是由2个高低不同的沉箱构成，结构尺寸分别为11.4 m×11 m×14.6 m 和 11.4 m×11 m×8.0 m（长×宽×高）。接触面通过interface 单元来模拟并添加在2 个沉箱之间，如图3 所示。模型总共包含30 044 个单元，23 502 个节点，单元最大尺寸为2.6 m。由于岩土材料属于非线性材料，在地震动作用下会表现出非线性动力特征，故本文采用摩尔-库仑屈服准则来表示土体的剪切破坏，动力计算采用为全程非线性方法。沉箱护岸模型如图4 所示，开展动力响应分析时，以设置自由场的形式对模型四周进行边界处理，并采用具有保持系统质量守恒特点的局部阻尼，基于综合考虑，该阻尼系数的数值取为0.157；静力计算时，进行一系列的约束处理，包括限制模型的底面以及4 个侧面在法向的运动。材料参数来源于工程地质勘察报告，如表1 和表2 所示。沉箱接触参数参考文献[6]，由此开展考虑沉箱相互作用的护岸动力响应分析[10]。

图1 沉箱及后方内护岸断面图Fig.1 Cross section of caisson and rear inner revetment

图2 沉箱护岸横断面图Fig.2 The cross section of caisson revetment

图3 沉箱组合体Fig.3 Caisson assembly

图4 沉箱护岸模型图Fig.4 The caisson revetment model diagram

表1 沉箱护岸结构计算参数Table 1 Calculation parameters of caisson revetment structure

表2 计算分析采用的流体参数Table 2 Fluid parameters used in calculation and analysis

2.3 工程场地设计地震动参数

根据场址地震安评资料，场址地震加速度时程曲线如图5 所示，两种地震动参数见表3。

图5 RG1.60 地震波时程曲线Fig.5 Seismic wave time history curve of RG1.60

表3 工程场地设计地震动参数Table 3 Design ground motion parameters of engineering site

3 数值模拟结果分析

本文考虑2 个沉箱之间接触面的相互作用，分别施加SL-1、SL-2 两种地震动，对核电厂沉箱护岸结构进行动力计算，计算结果结合SL-1、SL-2 两种工况进行对比分析。

3.1 沉箱顶部加速度时程曲线

在1 号沉箱和2 号沉箱顶部分别设置监测点，监测沉箱的加速度值，从而得出相应加速度响应。结果表明不同方向的地震波在土层中的传播效果具有较大的差别。同输入基底的地震动相比较，SL-1 地震作用下水平和垂直方向的加速度放大不明显，体现了呈透镜体状分布砂质土层液化的隔震和减震特点，而在SL-2 地震作用下的表现为垂直方向的地震波比水平方向的地震波在土层中的反应更加剧烈，在护岸顶部竖直加速度放大2～3倍，且越靠近堤头由于沉箱的相互挤压接触竖向加速度呈现出明显放大效应。

2 种地震动下1 号和2 号沉箱顶部的加速度最大值汇总于表4，可知由于地基土层不均且存在较厚的淤泥层和砂土夹层，不同监测点位置的加速度响应和放大规律存在一定的差异。上述分析表明，护岸地基的土层特点和动力条件都对地震波在土层中传播的放大或者减弱有影响，并且水平和垂直地震波对土层的响应特性是不同的。

表4 顶部加速度最大值Table 4 Top acceleration maximum cm/s2

3.2 沉箱顶部位移及整体结构变形

计算结果表明，在SL-1 地震作用下沉箱护岸顶部水平残余变形为0.06～0.10 m，竖向残余变形为0.03～0.10 m；而在SL-2 地震作用下沉箱护岸顶部水平方向和竖直方向的残余变形分别为0.06～0.20 m 和 0.12～0.14 m。SL-2 地震作用下沉箱护岸整体变形云图如图6 所示。沉箱顶部最终残余变形值见表5 所示。计算结果表明2 种工况下变形最大的区域均集中在沉箱附近及地基中的砂土层处，证实了沉箱间相互作用的效果，也反映了砂土液化后的大变形问题；并且对于砂土夹层由于超孔隙水压力向周围扩散的作用使得夹层水平向变形较竖向明显。

图6 SL-2 变形切片云图Fig.6 Cloud image of SL-2 deformation section

表5 沉箱顶部最终残余变形值Table 5 Final residual deformation value of caisson top

3.3 液化分析结果

本文采用超孔压比ru来判别在地震动持续时间内土体是否发生液化，即按式（2）来计算。在SL-1 地震作用下，砂土层液化区面积较小，主要位于沉箱下方；SL-2 地震作用下，液化区域明显比SL-1 大，主要集中分布在沉箱下方和外海砂土层中（图7）。图8 给出了SL-2 地震作用下砂土层代表性点位孔压增长曲线，当超孔压比ru超过0.75 时，认为土体单元液化，可以看出，在5～12 s的时间段内，各监测单元的超孔压增长曲线的起伏段与地震波在相应时间内的大幅度震荡相吻合。贯穿整个地震动的持续时间，孔隙水压力随着作用时间的增加，会形成一个先急剧增加直至最终消散的过程。

图7 SL-2 地震作用下液化区分布Fig.7 Distribution of liquefaction area under SL-2 earthquake

图8 SL-2 地震作用下孔压比增长曲线Fig.8 Growth curve of pore water pressure ratio under SL-2 earthquake

4 结语

本文以国内东南沿海核电海工直立式沉箱护岸工程为背景，基于有限元差分程序所建立的PL-Finn 液化后大变形本构模型，同时将沉箱间的相互作用作为主要考虑因素，采用全程非线性分析方法对地基下方存在砂土层的沉箱护岸进行动力响应分析，主要结论如下：

1）SL-1 地震作用下水平和垂直方向的加速度放大不明显，而在SL-2 地震作用下表现为垂直方向的地震波比水平方向的地震波在土层中的反应更加剧烈，在护岸顶部竖直加速度放大2～3 倍，且越靠近堤头由于沉箱的相互挤压接触，竖向加速度呈现出明显放大效应。

2）在2 种工况下，变形最大的区域均集中在沉箱附近及外海地基中的砂土层处，证实了沉箱间相互作用的效果，也反映了砂土液化后的大变形问题。

3）液化分析结果表明：不同地震作用下在沉箱基底附近都有液化发生，同时附近的土体超孔压比较大，更进一步表明了沉箱的接触挤压作用对结构地震响应影响不可忽略，且SL-2 作用下液化区域明显比SL-1 大。