核电海岸工程的特点及其在田湾核电站的设计实践-

1、核电海岸工程的特点及其在田湾核电站的设计实践杨波1,余建星1,郭毅平2,李永祥2(11天津大学建筑工程学院,天津300072;21天津市海岸带公司,天津300192摘要:本文以田湾核电站为主,结合笔者曾经参与的其它核电项目,探讨了核电海域工程设计的共性,以及田湾核电海域工程的特点,总结了该核电站海域工程系统设计以及项目管理的实践经验。关键词:核电海岸工程;田湾核电站;项目管理;水工设计;试验中图分类号:P753文献标识码:A文章编号: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引言田湾核电(又称连云港核电站厂址位于江苏省连云港市后云台山南麓,距连云港港口约5km。电厂装机容量为2×1000MW。循环水取排水流量约为100m3 s,采用直流供水方式,取水方式为自羊山岛北侧海域明渠取水至后云台山根部,然后以隧洞方式输水至厂区前池,进入电厂,为安全厂用水和循环冷却水供水。排水位于厂区东护岸外侧。田湾核电站海域工程主体项目包括海水取排水工程及护岸工程,以及3000吨级重件码头等其它辅助建筑物,涉及工程概算总投资约49990万元。目前海域工程的主要施工项目已基本完成。此前,

6、1994年1999年,天津海岸带公司曾全过程承担和参与了岭澳核电站海域工程主要的研究和设计工作。本文结合核电海域工程设计的共性,总结了收稿日期:2003202218作者简介:杨波(19652男,博士生,高级工程师,伟信顾问集团首席工程师,港口工程专业。田湾核电海域工程的特点以及其工程设计的实践经验。2田湾核电站海域工程的组成和工程设计概况211田湾核电站海域工程内容田湾核电海域工程的设计研究工作始于1998年初。此前,在连云港核电站的可行性研究过程中。对于取排水系统及相关的海岸防护建筑物曾经进行了初步的研究,但是未形成确定的方案。因此初步设计阶段,除在继承原工程技术方案的基本设计思想基础上,完

7、成初步设计阶段规定的有关工作外,一项重要的工作即是对水工方案及其相关的设计参数进行回顾性补充研究和分析,以确立系统的设计输入参数和明确取排水工程方案的总体布置形式。田湾核电海域工程包括以下主要内容:海水取排水系统(取水口明渠,取水前池,常规岛循环冷却水(PA排水口和安全厂用水(PE排水口;护岸结构(厂区南护岸、厂区东护岸、厂区北护岸、前池防波堤;其它辅助性建构筑物,如重件码头等。图1“田湾核电海域工程总平面布置概况图”给出了系图1田湾核电海域工程总平面布置概况图统的主要布置情况。取水系统:作为海域工程主体的海水取水工程,在初步设计阶段初期,针对取水位置先后通过调查和试验研究,对黄窝取水点和羊山

8、岛取水点进行了多方面的比较论证,最终确定取水位置为羊山岛水点。就这一取水部位,先后对明渠取水和隧洞取水方案进行了认真的研究分析和技术经济评估比较,最终确定为隧洞取水作为输水主体,头部设置明渠取水。在厂外冷却水取水隧洞与厂区冷却水暗沟交接处,考虑安全厂用水储备的需要设置了厂区前池。取水系统的布置主要遵循了以下布置原则:(1取水安全可靠,保证电厂冷却水及安全厂用水的安全性和可靠性;(2尽量减少输水系统的泥沙淤积,保证循环冷却水的供给;(3防波堤堤头位置位于波浪破碎带以外,并避免羊山岛岸线较易启动的表层粉沙进入引水系统;(4减少温排水对取水口水温的影响,满足取水工艺要求。最终确定的取水头部采用明渠,

9、两侧设置挡沙防波堤。海域工程的排水系统,经过厂内排水系统总体工艺设计方案和总平面布置方案反复比选,确定循环冷却水和安全厂用水的排水方向采用东排方案,即穿越东护岸排入黄海。鉴于安全厂用水的流量小但安全要求高,考虑设置溢流井。溢流井前安全厂排水暗沟为核安全级,循环水排水系统的流量大,但无核安全要求。因此对此两项结构分离建设,以降低排水口设计难度,减少工程整体造价。护岸系统的总平面布置基本上是依照厂区平台的总平面布置的需要确定。考虑到护岸不同区段所掩护的核电建构筑物重要程度不同,对不同的分段采取了不同设计标准。重件运输码头:在工程初期,重件运输方案拟采用从连云港口岸卸船,采用陆路运输方法运达工程安装

10、现场。如此则势必要进行老码头的结构改造,以及对所经区域区段的道路桥梁按照重件运输的需要进行改建工程。为此,针对在厂区建设重件码头问题进行了专题论证,论证结果表明在工程投资和满足重件运输的工期需要上,在厂区选择适当地点建设重件码头,具有经济和工期上的优势。重件码头选址于前池防波堤北端,按3000t重力式结构设计,码头处于前池防波堤上道路和核电北路的交汇点,这样有利于大件运输线路的选择、减少大件运输的陆上运距,同时方便核电站对其统一管理。重件码头长70m,宽50m,轴线方向5°-185°,航道方位275°-95°,航道总长为640m。码头设置t全回转起重机一

11、台。212主要建筑物的结构设计护岸结构:厂区护岸因所处位置和其对核安全中所起作用的重要程度分为东、南、北护岸,均采用抛石斜坡堤方案,顶部设挡浪胸墙。东护岸面对外海且直接掩护其后方的核岛,故采用的标准最高。挡浪墙顶高程915m、肩坡宽度515m、戗台宽度1010m,外坡采用5t扭工字块护面。可以满足在DBF水位与100a一遇波浪、风线性组合下越浪量小于01033m3 sm的要求。东护岸区域淤泥厚度较大,层深普遍超过18m,采用排水固结法进行基础处理。南护岸距核岛较远,后方掩护区域为厂前区。其下覆软基埋藏较浅,采用爆炸排淤法处理软基,挡浪墙顶高程由东向西,从915m渐次降到518m,肩坡宽度515

12、417m,戗台10616m,护面采用3t扭工字块。北护岸因有前池防波堤掩护且考虑与前池防波堤的衔接,采用全清淤方案处理软基,大块石护面,挡浪墙顶高程718m。取排水工程结构:初步设计时考虑到取水头部对于核安全的重要性和工程的美观,设计了抛石斜坡堤和预制钢筋混凝土半圆堤两个方案,后结合现场有大量的开山石料需要处理,设计变更采用抛石斜坡堤方案,采用爆炸法处理软基,4t扭王字块体护面,顶高程315m。前池防波堤采用抛石斜坡堤加混凝土挡浪墙方案,考虑到与前池挖泥工作的衔接,采用了全清淤方案挖除软基,挡浪墙顶高程910m,外侧采用5t扭工字块体护面。为保证前池形成干施工条件,堤心石中设一顶高程410m、

13、厚018m 的柔性混凝土地连墙止水防渗。排水导流堤采用抛石斜坡堤方案,爆炸法处理软基,顶高程315m,采用3t扭王字块体护面。考虑到对自备码头在使用期短、等待期长且少维护的前提下要求荷载适应能力强的特点,设计采用重力式结构,顶标高517m,底标高-615m。213田湾核电海域工程的施工特点施工工期紧迫:与四通一平几乎同步开始的海域工程施工,在厂区开山产生大量土石方需要处理的同时,海域工程设计尚处于滞后状态,与厂区已经产生的大量土石方需要消化的要求存在着巨大差距。 地质情况复杂:如前所述连云港地区水浅滩广、淤泥深厚。海工结构物几乎全部建在软基上,软基处理所需的时间相对较长。而前期可行性研究中对软

14、基加固的方案研究相对薄弱。针对田湾核电的以上特点,从结构选型和施工组织方面采取了一系列措施。如除东护岸因淤泥厚度太大并涉及直接掩护核岛采用排水固结法处理软基外,其它海工构筑物基本上均采用消化土石方迅速、施工推进速度较快的爆炸排淤法处理软基。依据现场实际,在土石方急需推进的情况下,T1、T2区暂未做软基处理,直接回填。但在方案考虑上仍为后续该区域的进一步处理预留了技术可行的空间。前池各分项工程交叉施工。将前池挖泥、前池防波堤基槽挖泥、前池周边构筑物基槽挖泥和前池防波堤的抛石工作交叉进行。将前池施工进度压缩至符合业主编制的二级进度计划。,依据现场实际,采取“小步快进”的加载方式,及时不断地调整东护

15、岸加荷速率,保证了护岸施工阶段工期的实现。3田湾核电海域工程项目试验研究工作的内容田湾核电建设前期工作时间紧张,在工程进入初步设计阶段以后,按程序展开的海域工程上述调查及试验研究准备尚不充分。在初步设计阶段,为了弥补前期工作的不足,同步进行了一些应该在前期完成的调查和试验研究工作。311补充进行了外业调查工作(1可行性研究阶段获得的潮流实测数据,由于边界潮位控制缺测,难以应用于工程试验模拟。为此,为了弥补潮流场模拟中的边界潮位控制数据,在平洲岛进行了半个月的潮位观测,并将该系列数据与连云港周边海洋站相关,确立了温排水、泥沙、潮流模拟的边界条件。(2海洋水文气象补充分析,提供了工程海区及其邻近海

16、域的水文气象本底数据,包括:水文气象要素的空间分布和时间变化特征分析;工程设计所需的各项参数;结合实测资料,利用工程海域和长系列资料,通过数学模型对工程海域的热带气旋、风暴潮、波浪和泥沙进行了分析研究。研究分析内容包括:气象、潮汐、波浪、海流和海水温度、盐度。312冷却水试验研究冷却水工程试验研究通过数值模拟和物模试验的综合研究,为核电站的设计推荐了冷却水取、排水口布置方案,预报了核电站温排水在海域的稀释、输移和扩散情况,给出核电厂取水温升和各种温升的等温线面积,为取排水工程设计方案的决策提供了有力支持。数学模型试验以方案的比选为主要目的,同时兼顾方案在总体布置上的优化,方案的优化主要通过物理

17、模型试验的结果获得。相关的模型试验包括:大范围潮流模拟计算;连云港核电站取排水工程温排水数模计算;连云港核电站取排水工程低放废水浓度场数模计算;厂区前池冷却水能力计算研究;温排水物理模型试验;低放废水物理模型试验。313泥沙试验研究泥沙问题是田湾核电取排水工程的重点和难点问题,工程海域水浅滩广,厂址附近浅滩的沉积物在波浪作用下悬扬,在潮流作用下输移,为取排水系统提供了丰富的泥沙来源。在核电站取排水结构及其他海域设施建成后,将显著改变工程海区动力状况,田湾核电站海域泥沙试验研究,着重在外业调查和动力地貌研究的基础上,从总体上回答了与电厂配套的海上工程实施后,取水质量是否满足核电要求;取水头部明渠

18、及取水口水深维护的可能性及其清淤维护工程量,取水构筑物和排水构筑物冲刷侵蚀的防护及其工程措施等问题。前期通过分析和流场数学模型进行了定性和初步的定量估算。在方案基本倾向确定后采用浑水动床物理模型试验结合数学模型进行了定量研究,为取排水方案的最终确定提供了依据。完成的工程试验研究包括:海水取排水工程泥沙数值计算;海水取水工程厂区前池泥沙淤积物理模型;海水取排水工程泥沙物理模型试验;海水取水工程泥沙物理模型试验。314波浪模型试验连云港核电海域工程初步设计阶段波浪试验包括:电厂及海域工程总体规划方案的波浪数学模型试验;连云港核电站取排水工程局部整体物理模型试验。上述试验配合电厂的总体规划设计,优化

19、方案并验证方案;根据取水和排水结构以及护岸结构的总体布置,研究不同部位的设计波要素的分布,为平面布置和结构方案优化提供了依据。在后续设计阶段,通过物理模型试验(包括结构和建筑物的稳定性试验和平面的局部整体试验验证和优化平面布置以及断面结构。断面结构试验包括:连云港核电站取排水工程联合断面物理模型试验;连云港核电站东护岸水工断面模型试验;隧洞入口拦沙防坡堤断面模型试验。上述各项试验是以工程设计方案(平面和断面设计为前提,配合不同的设计环节开展的相应试验研究工作,它们与工程设计既有相对独立性,又互相联系,互为因果。初步统计,在田湾核电海域工程设计展开以来,先后同步进行的调查和工程试验研究项目约20

20、余项。涉及海洋环境条件,海岸动力地貌,冷却水试验研究,工程抗震研究等相关领域的多个学科。这些实验研究工作,或为工程方案的确定提供了依据,或对工程结构设计进行了验证,也为工程项目的环境评价和初步安全分析提供了基础数据。总结多个核电海域工程的设计和试验研究过程,针对核电站海域工程的一般特点,我们认为在海域工程的前期阶段,宜依据核电海域工程的特点,系统地规划相关的模型试验研究工作,并着重以专家判断和数学模型的手段解决对方案的技术可行性判断。在获得对于取、排水方案的基本集中的认识的基础上,针对方案安排物理模型试验并辅以相应的数学模型试验,这样可以从总体上加快工程设计和有关前期工作的进度。脱离开工程方案

21、选择基础上的物理模型试验,不利于有效的方案选择和判断,并且会给建设方造成不必要的投资浪费。4结论(1滨海核电海域工程是核电站系统中的一个具有相对独立性,又服从主厂区布置和功能控制的相对独立的子系统。按其功能一般包括海水取、排水系统和海岸防护建筑物(护岸、防波堤等以及其它,如重件运输码头等辅助性建筑物。这些结构物处于同一海域,从功能上既互相联系,又相对独立;从布置上既互相影响又互相依托。海域工程在总体布置上应以核电站总体规划为基础,以厂区的总体布置为主导,服从厂区总平面布置的要求,结合当地风、浪、流、泥沙等自然条件,远近结合、统筹兼顾,充分体现安全第一的核电工程设计指导思想。水工建筑物应选型合理

22、,满足核安全等级要求,符合海洋水文、泥沙等客观环境条件要求,结构设计稳妥可靠,工程量省,施工方便,投资低,管理及维护简便。(2滨海核电海域工程具有海岸工程和港口工程建筑的属性,但是,当叠加了核安全的有关要求的时候,这一类建筑物的设计标准和环境条件标准又远高于常规的海岸工程建筑物。目前,国内尚无安全适应的规范和标准作为设计的依据。在建和已经完成的工程设计标准基本上是综合国家核安全导则、国内港工规范以及英国、日本、法国等规范标准提出的。其次,核电项目对自然环境和社会环境条件的严格甚至苛刻的要求,决定了核电厂址资源供应的有限性。在核电厂选地阶段海域环境条件的选择并不是确定厂址的主导部分。因而通常核电

23、海域工程的环境条件较之于一般港口海岸工程更复杂恶劣。因此在设计和前期工作环节上,要认真学习和领会核电设施安全的重要性和运行的经济性,谨慎分析取排水系统在核电中的地位,客观地评价海域工程建筑物所涉及的安全等级,对不同的项目采取与其重要性相适应的标准。这一原则包括两个方面:其一,海工建筑物及取排水系统应具备与其地位相适应的安全性,确保核电运行安全可靠、万无一失;其二,应当实事求是地评价海工建筑物对核安全的重要性,突出反映其核安全合格性、经济合理性和技术可行性,而不是盲目提高安全标准和设计标准。(3在工程建设环节上,滨海核电海域工程的建设始于“四通一平”阶段,延伸至主厂区项目的施工安装过程,既是消化

24、厂区开山土石方的重要渠道,还要为后续厂区施工提供防止波浪、流、潮侵袭的安全屏障。在施工组织和条件的设计考虑上,与主厂区施工的有机衔接和配合,成为海域工程施工组织和协调的主要约束条件和输入条件。海域工程的设计应服从总体工程,为开展“四通一平”创造条件。尽可能平衡陆域工程开山的土石料,创造回填条件、减少施工环节、加快施工进展。根据陆、海域各自施工的特点,从合理组织施工、节约工程投资等方面看,海域工程施工应与土石方开挖同步进行,这就客观上要求海域工程设计先行确定方案,先行提出施工图,目前在建和已建的滨海核电项目的工程实践都有相似的经验。(4在设计和试验研究前期勘察的组织模式上,针对核电海域工程这样一

25、个核电项目中相对独立的子系统,在管理形式上应以系统的模式管理,相应的“包”的划分亦宜将海域部分的勘察调查、数据分析、设计、试验纳入同一体系,将各分项之间的接口统一控制,以有利于争取设计工期,从源头上节约工程投资。(上接第18页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