核电厂冷源拦截设施受力试验研究

温洪涌，解鸣晓，熊碧露，罗岁丰，刘鑫，王健

（1.深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518172；2.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456）

1 概述

随着全球海洋环境的变化，近年来国内外滨海核电厂发生多起因海生物（毛虾、水母、笔帽螺、海地瓜和藻类等）、垃圾和杂物等涌入取水口，造成取水口和过滤设备堵塞，进而导致核电厂停机停堆的重大冷源事件，造成重大经济损失，也给核电厂冷源安全带来巨大挑战，形势严峻。目前，核电厂拦截细小海生物的有效手段为在取水明渠内布设小孔径网兜，通过网兜的拦截及清理维护，以降低海生物涌入取水口的风险。

本文结合某核电厂网兜式拦网对冷源拦截设施受力的物理模型试验成果，分析在不同水流、波浪和水深等要素组合工况下，固定锚点的受力变化规律，进而对现有网兜固定结构的设计进行验证并对设计进行优化。

2 拦网布置方案

本研究的网具结构主要为锥形网兜、挂网桩台及系缆绳索，其中迎流侧在张紧状态下的垂直高度12.5 m、网口至尾部的距离30.0 m，尾兜长度8.0 m。网兜的网目间距为5 mm，线径为0.6 mm。网兜布置工艺采用3拼一跨形式，其中单个网兜的网口横向间距为4.6 m。拦网平面和纵剖面示意见图1、图2。

图1 拦网平面布置示意图Fig.1 Layout diagram of block

图2 拦网纵剖面示意图Fig.2 Longitudinal section diagram of block

在正常使用中，网兜采用系缆绳索的形式固定于两侧桩台上，桩台采用圆桩形式，桩径1.4 m，取水明渠底部标高为-9.0 m。在桩台上沿垂向布置多个系缆锚环，最底部锚环距离海床1.5 m，锚环间距保持为4 m，在2个桩台间设置底梁，并布设4个锚环。

3 试验方法

3.1 模型比尺

依据JTJ/T 231—2021《水运工程模拟试验技术规范》等规范[1-4]的有关规定进行设计，根据已有的研究成果[5-7]，采用正态模型，按照重力相似准则进行设计。同时，结合模型波浪水槽的试验条件，试验几何比尺选择为1∶15。

3.2 试验设备

试验是在宽型波流水槽内进行，水槽总长度90 m，宽度4 m、最大适宜试验水深1.0 m、最大适宜波高0.35 m、波周期2.8 s，最大适宜流速0.8 m/s。测量仪器包括波高采集系统、流速测量仪、拉力传感器等。

3.3 拦网模拟

本次试验研究主要关注拦网系缆点受力情况，而拦网同时受到水流和波浪的作用。因此，试验着重考虑以下几个主要因素的相似模拟：水流运动相似、波浪传播相似、重量相似、网衣透水率相同。

1）网衣透水率模拟

由于网面受到的水流阻力与单位面积网面在水流垂直方向上的投影面积（迎流面积）大小有关，在保证等效网面与理论模型网面迎流面积相同的前提下，可以用等效网面代替理论模型网面进行拦网的物理模型试验，保证等效网面与理论模型网面具有相同的迎流面积比，即透水率相同。

2）拦网模拟

试验采用解鸣晓等[8]提出的双比尺模型相似准则模拟网面，该相似准则可以用于分析网面结构在波浪、水流作用下的模型相似。由于不考虑拦网本身的结构内力，因此本次实验对于拦网网面的制作，只考虑网面结构的几何相似及网本身的重力相似，而不考虑其弹性相似。

3.4 试验布置

试验仪器及模型在宽型波流水槽中进行布置，作业工况下拉力传感器布置情况见图3。

图3 作业工况下拉力传感器布置Fig.3 Arrangement of tension sensor under working conditions

需要指出，由于本次模型为局部整体模型，故在对单跨网衣的模拟中，为保证水流、波浪在沿宽度方向的均匀性，除测量跨以外，对整个水槽宽度方向均同步布置相同的墩台和网衣。

4 结果分析

4.1 流速对结构锚点受力分析

在波流联合作用和网兜无封堵的工况下，根据不同流速对结构的锚点受力情况进行分析。图4给出了5 mm网目网兜在水深7.5 m、不规则波Hs=0.5 m、Tm=8 s下[9]，流速分别为0.4 m/s、0.6 m/s、0.8 m/s、1.0 m/s时，结构各锚点的拉力大小和锚点拉力趋势比较结果。

图4 锚点受力趋势图Fig.4 Stress trend diagram of anchor point

由不同流速下锚点所受拉力大小可以看出：锚点1—锚点8的8个拉力值中，位于桩台上端的锚点1和锚点4以及底部锚梁上的锚点7和锚点8相对于其它锚点所受拉力要大。在流速为1.0 m/s时，锚点1和锚点4处拉力分别为41.52 kN和46.17 kN，锚点2、锚点3、锚点5及锚点6处拉力分别为10.27 kN、12.76 kN、13.17 kN和10.99 kN。锚点1和锚点4拉力值相对较大的可能原因为由于其位于桩台上端，网兜顶部缆绳和两处锚点受到波浪力的影响较桩台水下其余锚点要大，因此其值相对较大，其结果比较符合实际工况。

在流速为1.0 m/s时，底部锚梁上的锚点7和锚点8处拉力分别为52.24 kN和45.52 kN，其值相对锚点2、锚点3、锚点5及锚点6处拉力值大的可能原因为网兜底部缆绳和第1兜、第2兜、第3兜间垂向缆绳直接作用于锚点7和锚点8，同时，网兜底部网片面积要大于网兜侧面网片面积，因此锚点7和锚点8所受拉力相对其它点要大，比较符合网兜实际受力情况。

由不同流速下锚点受力大小趋势可以看出：随着流速的增大，锚点1、锚点4和锚点7、锚点8处的拉力随着流速的变大，拉力增大趋势较为显著，同时可以看出4处锚点所受拉力的线形变化较陡，拉力受水流流速大小影响较明显。

4.2 波浪对结构锚点受力分析

在波流联合作用，网兜无封堵的工况下，根据不同波高对结构的锚点受力情况进行分析。图5和图6给出了5 mm网目的网兜，在水深7.5 m、不规则波Hs=0.5 m和Hs=1.0 m、Tm=8 s时，不同流速下，结构各锚点的拉力大小比较结果。

图5 Hs=0.5 m（H=7.5 m）时锚点的拉力值Fig.5 Tension value of anchor point when Hs=0.5 m(H=7.5 m)

图6 Hs=1.0 m时锚点的拉力值Fig.6 Tension value of anchor point when Hs=1.0 m

由不同波高下锚点所受拉力大小可以看出：锚点1—锚点8的8个拉力值中，位于桩台上端的锚点1和锚点4以及底部锚梁上的锚点7和锚点8相对于其它锚点所受拉力要大，且4个锚点受力随着波高的增大而增大，可能原因为锚点位置不同，影响因素不同而导致。

4.3 水深对结构锚点受力分析

在波流联合作用，网兜无封堵的工况下，根据不同水深对结构的锚点受力情况进行分析。图5和图7给出了5 mm网目的网兜，在水深7.5 m和10 m、Hs=0.5 m，不同流速时，结构各锚点的拉力大小比较结果。

图7 H=10.0 m时锚点的拉力值Fig.7 Tension value of anchor point when H=10.0 m

对比不同水深下锚点所受拉力大小可以看出：锚点1—锚点8的8个拉力值中，位于桩台上端的锚点1和锚点4以及底部锚梁上的锚点7和锚点8相对于其它锚点所受拉力要大，但4个锚点拉力受水深的变化影响不明显，同时，可以看出锚点1和锚点4的受力还有变小的趋势。

5 结语

由于网兜式拦网在海水中受力情况比较复杂，很难通过数值模拟的方法对拦网受力进行计算。因此，在工程设计研究阶段，需开展拦网受力物理模型试验，为拦网固定结构设计提供可靠的设计输入数据。

本文通过对某滨海核电厂的网兜式拦网物理模型试验研究和分析得到，网兜缆绳系泊点受力和网兜对拦网结构的牵拉总力，均随着入射波高和水流流速的增大而增大；但受水深的影响变化不明显，部分锚点的受力随着水深的增大，锚点力呈变小的趋势。建议网兜布置在波高较小、水流流速较低的位置，降低波浪和水流对网兜的影响，方便电厂日常运维作业。同时，如有条件可对网兜进行现场1∶1模型研究，以进一步验证模型数据的准确性。同时，建议在拦网缆绳处安装拉力监测装置，设定拉力预警值，预防因锚点受力过大导致锚环拉断。当遇到台风天气或风暴潮等可能引起波高、流速变大的极端天气时，应及时清理网兜内的拦截物，降低因网兜拉力过大导致网兜破损或缆绳断裂的风险。