浅谈岭澳核电站拦截网工程结构设计

◎ 高迎歆 中交第四航务工程局有限公司

1.前言

近年来，随着东部旅游业、养殖业的快速发展，电站SEC/CRF系统取水口附近海域威胁电站运营安全的小型海生物越来越多，现有拦截处置设施已不能应对小型海生物爆发的威胁。因此，需要重新考虑小型海生物拦截、驱赶、监测等冷源保障方案，以确保电站取水安全。

目前，由于现有规范不能完全覆盖本项目的设计内容，设计小组通过参考国外项目相关经验，参阅相关期刊文献，选取合适的计算模型，对取水口的拦截结构进行设计，对类似工程有一定的参考意义。

2.项目概况

广东岭澳核电站位于大亚湾西南部的大鹏澳东北岸。工程海域北、西、南三面为陆地所包围，东北至东南面为大亚湾海域，而大亚湾南部的中央列岛及大、小辣甲等岛屿又大大阻挡了东北至东向的外海域波浪，该工程区具有一定的天然掩护条件。

本工程考虑在电站进水渠前端建造一道海生物拦截装置，受力结构采用混凝土灌注桩，在桩间布置多道拦网对海生物进行拦截。拦截网东端、西端与北端接堤岸位置采用重力式结构进行封堵，与原有防波堤结构衔接。

3.自然条件

（1）气象。深圳地区全年常风向为ESE向，出现频率为15.3%；次常风向为E和SE向，出现频率分别为12.6%和12.5%。强风向为SE向，实测最大风速29.0m/s（1985.9.6），次强风向ESE、E 向，实测最大风速分别为24.7m/s和23.0m/s。历年平均风速2.6m/s，平均风速ESE向最大，达4.3m/s，其次为NNE向达3.8m/s。全年五级风以下频率98.0%，六级风频率1.06%，七级以上风频率仅为0.9%。大风一般发生在夏秋台风季节，在珠江口附近登陆的台风对本地区影响较大。

（2）设计水位及设计波浪。本工程采用的设计波浪要素取值如下：

设计高水位+2.89m：H1%=5.82m，周期T=11.1s；

设计低水位-2.18m：H1%=4.47m，周期T=11.1s；

核岛安全重要用水设计基准水位SEC：-3.50m。

图1 工程位置图

图2 拦截网及端部封堵布置图

图3 拦截网结构典型断面图

图4 端部结构典型断面图

（3）工程地质。根据钻探揭示地层情况，拟建场区自上而下分为第四系冲洪积层（Q4al、Q4al+pl）、第四系残积层（Q4el）和中泥盆系角岩化砂岩（D）。岩土分层依次为人工填石①、粉土①-1、粉质粘土②、卵石③、粉土④、全风化砂岩⑤-1、强风化砂岩⑤-2、中风化砂岩⑤-3。

（4）设计荷载。本工程设计荷载为拦截装置所受风荷载、水流力、波浪力以及地震力以及封堵位置的水流力、波浪力以及地震力。

4.设计思路

（1）根据业主提供过流量要求及与原防波堤结构的衔接，确定总平面布置。

（2）桩基选型后根据荷载条件计算桩基内力，确定桩基直径、桩长及桩基间距。

（3）对端部防波堤与桩基间的衔接处进行结构设计。

5.设计方案

（1）平面布置方案。岭澳核电站对进水渠前端小型海生物拦截装置布置在现有进水渠的前端，呈倒“T”型布置。其中，外侧拦截网横跨东侧外防波堤与西侧防波堤，轴线长度345m；内侧拦截网与外侧拦截网垂直并与内防波堤连接，轴线长度69m。

（2）水工结构方案。拦截装置主要由桩基承台和桩间挂网组成。桩基承台沿拦截装置轴线15m/20m间距布置，桩基采用Φ1200的混凝土灌注桩双桩，桩间距4m，现浇承台尺寸6.2m×2.2m×1.2m，承台顶标高4.2m。

桩间挂网采用“1m×1m镀锌钢丝绳网片+50mm×50mm尼龙网片+5mm×5mm尼龙网片”三层网片结构。其中，1m×1m镀锌钢丝绳网片为受力网片，主要承受风浪流对三层网片的作用力同时将该作用传递到桩基承台。考虑到对拦截海生物的捕捞，在拦截装置的上部连续布置50mm×50mm尼龙网兜。

桩基上部（+3.7m～-2.3m）迎水面沿进水方向由前到后布置挂网如下：①50mm×50mm尼龙网片，网顶标高+2.89m；②1m×1m镀锌钢丝绳网片，网顶标高+3.7m；③5mm×5mm尼龙网网兜，网顶标高+3.7m，网底标高-2.3m。

桩基下部（-2.3m～-7.5m）迎水面沿进水方向由前到后布置挂网如下：①5mm×5mm尼龙网片，网顶标高-2.3m，网底标高-5.0～-8.0m；②50mm×50mm尼龙网片，网底标高-5.0～-8.0m；③1m×1m镀锌钢丝绳网片，网底标高-4.3～-7.3m。

1m×1m镀锌钢丝绳网片两边与前排桩基间距为1m的Φ40mm锚环连接；50mm×50mm尼龙网片和5mm×5mm尼龙网片三边与前排桩基前侧、锚梁及锚块上的Φ25mm锚环连接。尼龙网片与钢丝绳网片网面通过塑料锁扣固定。拦船网为了方便清理、维护的船只进出，两侧与桩基承台采用活动锁扣连接。

3处封堵处封堵墙体均采用沉箱结构，墙体轴线长度为18.3m，宽度为6.2m，顶面标高为+3.0m基床为经填石整平后的进水渠东防波堤堤头护面块体，呈三级阶梯状，沉箱隔仓内回填开山石渣，其上现浇钢筋砼胸墙，两侧设置不少于2排10t扭王字块体一层护面。

6.设计重难点分析

本次设计主要存在以下重点、难点问题需要进行解决：

（1）桩基外力计算包括风对网的作用力、水流对网的作用力、波浪对网的作用、水流对桩的作用力及波浪对桩的作用力。各作用力的荷载如何计算是本项目的重点之一。

（2）为对小型海生物进行拦截，保障核电站取水安全，本项目设计了多层拦截网结构，而拦截网结构的设计在国内则鲜有先例。如何设计拦截网结构保障核电站取水流量、选取合适的计算模型是本项目设计的难点之一。

（3）根据1#2#堵头处两条防波堤的走向，为保证核电站取水流量要求，1#2#堵头处均应为为带转角的沉箱结构。如何确定各类型沉箱结构尺寸，保障施工工期，是该设计应该考虑的重点之一。

（4）现有防波堤为斜坡式结构，坡度1:1.5，实测探摸结果显示部分防波堤护面块体滑落，由于原防波堤护面块体重量较大较难起吊，且起吊后易引起上部护面块体滑落，破坏原有防波堤和桩基结构，因此如何在不破坏原有结构的同时保障沉箱抛石基床的稳定性是设计的难点之一。

7.解决方案

针对上述重点难点问题，本次设计提出了下述解决方案：

（1）关于风荷载的计算，《公路桥涵设计通用规范规范》(JTJD60-2004)[3]和《公路桥涵抗风设计规范》(JTJ.T_D60-01-2004)[5]中的规定有所不同，计算公式分别为，。

对比可知，《通用规范》考虑的参数比《抗风规范》多考虑了地形和地理条件系数k3，而设计风速重现期换算系数、阵风风速系数均比《抗风规范》取值略大，且相关系数不如《抗风规范》考虑周全，而在新修订的《公路桥涵设计通用规范规范》(JTJD60-2015)[4]中，风荷载的计算公式参照了《抗风规范》。本次设计风荷载选用《抗风规范》的计算公式进行计算。

水流对拦截网的作用力标准值根据《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）[2]，按下式计算：

波浪对网的作用力根据《港口与航道水文规范》（JTS 145-2015）[1]，静水面处波浪压力强度按下式计算：ps=γK1K2H。在本项目中，拦截网为柔性结构，可忽略波浪垂直荷载的影响。在波浪水平荷载的作用下，由于拦截网结构变形幅度较大，对波浪冲击具有很大的缓冲和消能作用。参考文献“桃源水电站锚链悬索拦污排研究”（《水力发电》2014年第40卷第6期）[7]，引入波浪压力修正系数η=0.035。

水流对桩的作用力根据《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）13.0.1条，水流力标准值按下式计算：

波浪对桩的作用力根据《港口与航道水文规范》（JTS 145-2015），作用于水底面以上高度z处桩断面上的正向波浪力按下式计算：

关于桩长的确定，考虑桩基设计中弹性中长桩的假定，其入土深度应满足下列条件：

（2）拦截网项目此前在国内并不常见，对于设计组而言也是首次接触，因此，设计组参照国外相关项目经验，采用“1m×1m镀锌钢丝绳网片+50mm×50mm尼龙网片+5mm×5mm尼龙网片”三层网片结构。其中，1m×1m镀锌钢丝绳网片为受力网片，主要承受风浪流对三层网片的作用力同时将该作用传递到桩基承台。

关于设计模型的选取，设计组通过查阅相关规范及技术论文，比较了谢才曼宁公式和格网过流量公式的计算方法和适用范围，因现场实际情况不符合明渠均匀流的特点，因此，谢才曼宁公式并不适用。设计组选取符合实际情况的格网流量公式进行计算。但在5mm格网过流量计算时，设计低水位时网不堵塞的情况下，过流量仅为245.85m3/s，略大于设计流量230m3/s；SEC水位条件下过流量为184.85m3/s，不满足取水量要求。

因此，设计组为保障设计取水流量，根据格网流量计算方法，考虑增加进水口过水断面，经过讨论决定在拦截装置的上部隔跨布置50mm×50mm尼龙网兜，网兜长度约15m，经计算，网口堵塞率在40%时的过流量满足设计取水量要求。此外，网兜端部可开口及时进行清理，也方便了对拦截海生物的捕捞。

格网过流量计算公式（《给水工程（第四版）》第198页）[6]：Q=FK1K2ευ1。

采用不同公式及不同设计方案计算结果见表1。

表1 过流量计算汇总表

（3）针对堵头处带转角的问题，在项目初步设计阶段就方块方案和沉箱方案进行了比选，虽然方块方案概算略低于沉箱方案，但经过项目组内讨论及专家评审会意见，考虑到沉箱结构整体性好，而方块结构施工程序繁琐，工期难以保证等因素，确定了沉箱结构方案。

施工图设计时，为保证施工工期可控，应尽量减少异形沉箱数量。本次设计考虑将沉箱CX3和CX5平面设置成五边形结构，其余沉箱均为常规方形沉箱，并尽量保证平面尺寸一致，保证施工进度。

（4）为避免碰桩或地基不均匀沉降使沉箱对已有桩基结构受力的造成不利影响，沉箱起始位置距离桩基间距取为160mm，沉箱与桩基局部缝隙在桩侧安装弹塑性材料如橡胶条进行封堵。

基床抛石由于石料规格较小，受水流、风、波浪和水位影响较大，因此本项目应进行试抛，抛石船位宜根据试抛确定。抛石时根据实际探摸的海床坡面，采用就高不就低原则，利用10-50kg碎石进行整平，形成抛石基床，供沉箱CX1安放，避免了原防波堤护面结构的破坏，并利用袋装混凝土对抛石基床进行护底。当施工时遇孤立块石无法整平时，设计组及时进行设计优化，调整了基床顶面标高和胸墙底高程。而后利用沉箱CX1形成的直立墙壁抛填10-50kg碎石，整平后安放沉箱CX2，沉箱CX3施工过程同理。

在基床抛石整平后，应立即在原有防波堤坡面上安放10t扭王字块体护面，对于涌浪较大的3#堵头处，将基床边坡由1:1.5调整为1:3。通过设置袋装混凝土及扭王字块体，可有效消减波浪力对沉箱的作用，保证了沉箱的抗倾抗滑稳定性，同时也有效地保障了抛石基床的稳定性。

此外，由于沉箱基床结构情况较为复杂，沉箱及胸墙施工过程中应设置沉降位移观测点，一旦沉降、变形有异常情况，应立即停止施工，并采取有效的紧急处理措施。永久的位移观测和沉降观测成果应系统积累、完整积累。

在基床护底及引墩下垫层采用了袋装混凝土方案，袋装混凝土为混凝土结构设计的一条新思路，目前在临时码头工程设计、施工中已多次采用，在实际应用上取得了很好的效果。设计组根据其具有提高效益，降低工程造价,节省工期等特点，选用袋装混凝土设计方案，并通过查阅相关资料，对砼袋拉力进行了计算，确定了砼袋规格及断裂强度等指标[8]。

8.结语

（1）本项目拦截网采用“1m×1m镀锌钢丝绳网片+50mm×50mm尼龙网片+5mm×5mm尼龙网片（兜）”三层网片结构。设计模型选用格网过流量公式，在平面过网流量不满足核电站取水要求时，设计组采用在拦截装置的上部布置50mm×50mm尼龙网兜，保证了堵塞率在40%时仍能满足设计取水量要求。该方案施工简单，经济效益显著，具有一定的创新性。

（2）端部封堵部分沉箱和基床的结构设计有效避免碰桩或地基不均匀沉降使沉箱对已有桩基结构受力的造成不利影响，在保护原有防波堤及桩基结构的同时，消减了波浪力的作用，保证了沉箱的抗倾抗滑稳定性和抛石基床的稳定性。同时该设计对非常规的重力式结构进行了优化，基床和袋装混凝土的设计避免了底面为斜面的异形沉箱方案，有效缩减施工工期，降低施工成本，具有一定的创新性。

（3）本工程设计充分考虑了施工的可行性，也为业主最大化地创造经济效益，可在类似项目中借鉴。