核電廠取排水工程取水隧洞抗震分析

陳 晶

(中國能源建設(shè)集團 廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州 510610)

1 工程概況

1.1 工程概述

某核電廠距離海岸線約17 km，廠址規(guī)劃裝機容量為6×1 250 MWe 壓水堆核電機組。工程取水隧洞采用盾構(gòu)施工法，由多片預制砼管片組合形成隧洞斷面，單根隧洞長24.8 km，單根隧洞內(nèi)徑3.5 m，盾構(gòu)管片厚度0.3 m，外徑4.1 m。兩根隧洞之間的凈距按照1.5D考慮(D為隧洞外徑)，洞頂覆土厚度13.5～21 m。盾構(gòu)隧洞主要穿過粉砂和粉質(zhì)黏土層，隧洞底部坐落在粉砂和粉質(zhì)黏土層上。取水隧洞起端內(nèi)底標高為-13.30 m，縱向坡度為0.000 3。隧洞沿線上間隔5～6 km設(shè)置一個工作井，共7個工作井。

1.2 工程地質(zhì)

廠址位于濱海平原地區(qū)，屬于海積、沖積平原。區(qū)內(nèi)主要出露第四系地層。根據(jù)勘測資料，其主要為人工填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂等組成。根據(jù)本次鉆孔揭露情況，范圍內(nèi)出露的巖土體按巖土性質(zhì)和成因可分為4大層共10亞層，詳細情況見表1。

表1 場地地質(zhì)分層表

2 抗震分析

針對核電廠取排水工程取水隧洞和工作井進行靜力(施工期、運行期)和地震荷載作用下的動力響應進行分析。其中，在靜力分析中，考慮結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、土壓力等荷載作用；動力計算中，考慮結(jié)構(gòu)-地基動力相互作用、動水壓力等因素。通過三維有限元，計算得到靜、動荷載綜合作用下的結(jié)構(gòu)響應。

2.1 計算理論

與巖石地基相比，在深厚覆蓋土層條件下，建筑物的地震響應與土的動力特性密切相關(guān)。在地震荷載往復作用下，土的動力特性受應變幅度、應變速率和循環(huán)加載等多種因素的影響，而且土體的動強度和動變形參數(shù)隨變形的變化具有強非線性和滯回特性。因此，土基的動力響應呈明顯的非線性特征。對于土工建筑物的動力響應分析，用等效黏彈性模型來模擬土體的非線性和滯回性等動力特性。該模型的主要參數(shù)是剪切模量G和阻尼比D，它們均為剪應變幅值γ的非線性函數(shù)，典型函數(shù)形狀見圖1。

圖1 黏土、砂與礫石典型的G-γ及D-γ關(guān)系

對線性系統(tǒng)的動力響應，可采用疊加原理進行求解。然而，對于含覆蓋土層的結(jié)構(gòu)-地基系統(tǒng)，在強震作用下，土體會產(chǎn)生較大的剪切變形，這將導致土體響應呈現(xiàn)明顯的非線性效應，使得疊加原理不再有效。為了解決這一問題，采用等價線性法。在這一方法中，土基非線性動力響應可近似由多次線性分析采用迭代方法獲得。其中，在每個迭代步內(nèi)，假定土體剪切模量和阻尼比為常數(shù)，經(jīng)反復迭代，直到土體中的剪切模量和阻尼比與相應位置處的有效剪應變幅值相協(xié)調(diào)為止。

2.2 人工邊界條件及地震動輸入機制

地震作用下，在地基的外邊界處施加黏彈性邊界來反映無限地基的輻射阻尼效應。黏彈邊界是在黏性邊界(Lysmer and Kuhlemeyer)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，不僅可以反映遠場無限地基的輻射阻尼效應，而且還能夠體現(xiàn)無限地基對結(jié)構(gòu)-近場地基區(qū)域的彈性支撐作用。

計算中，假定3個方向的地震波都是豎向輸入，其中沿水平方向振動的地震波假定為SV波，沿豎向振動的地震波假定為P波。

根據(jù)上述黏彈性人工邊界條件及相應的地震動輸入方法，實現(xiàn)了地震動輸入和模擬散射場地震波通過人工邊界向無限遠處傳播的功能。

選取不同管段局部長度的隧洞以及滿足相互作用要求的地基范圍，對工作井和隧洞進行三維分析。

2.3 計算模型

隧洞沿線上間隔5～6 km設(shè)置一個工作井，共7個工作井。模型網(wǎng)格在隧洞縱向約125 m，橫向約50 m，豎向約200 m。其中，為了精細模擬工作井和隧洞，工作井在厚度方向剖分4層網(wǎng)格，隧洞管片單元在厚度方向剖分3層并對隧洞周邊土體進行了加密處理。有限元計算網(wǎng)格數(shù)超過50萬，自由度數(shù)超過150萬。見圖2-圖5。

圖2 直線段局部三維有限元網(wǎng)格

圖3 直角拐彎段局部有限元網(wǎng)格

圖4 直線段工作井與隧洞有限元網(wǎng)格

圖5 直角拐彎段工作井與隧洞有限元網(wǎng)格

2.4 地震動輸入

地震動輸入方法與二維一致，地震動加速度時程采用RG1.60標準譜人工波。圖6為人工波地震加速度時程；圖7為根據(jù)反應譜生成的人工波加速度時程。

圖6 人工波地震加速度時程

圖7 人工地震波加速度反應譜與期望譜的對比(阻尼比5%)

2.5 計算結(jié)果

對于與工作井連接處，管片最大壓應力為0.58 MPa、拉應力為1.6 MPa；對于工作井附近(約8 m)，管片最大壓應力為2.2 MPa、拉應力為1.2 MPa；對于隧洞直線段，管片最大壓應力為2.2 MPa、拉應力為1.2 MPa。見表2和圖8。

表2 隧洞應力極值 /MPa

圖8 運行期+地震隧洞管片應力(單位：Pa，壓為正，隧洞直線段)

圖9 運行期+地震隧洞管片典型橫斷面應力(單位：Pa，壓為正，隧洞直線段)

隧洞管片軸力受壓最大值為318 kN，位于左側(cè)拱腰處；剪力絕對值最大值為100 kN，最小值位置與運行期基本相同；彎矩絕對值最大值為34 kN·m，極值位置與施工期基本相同。見表3。

表3 隧洞內(nèi)力極值(直線段工作井及其連接隧洞)

3 結(jié) 論

采用隧洞與地基非線性動力相互作用的有限元計算方法，對核電廠取排水工程取水隧洞進行地震荷載作用下的動力響應進行系統(tǒng)分析，研究結(jié)果表明：

1) 隧洞管片最大壓應力發(fā)生在竣工期，最大值為3.0 MPa；最大拉應力發(fā)生在地震期，最大值為1.6 MPa；均小于C55混凝土的抗壓和抗拉強度。

2) 管片軸力和剪力極值發(fā)生在竣工期，軸力最大值為564 kN(壓)；剪力絕對值最大值為216 kN。彎矩絕對值最大值發(fā)生在地震期，為34 kN·m。

3) 矩形工作井地連墻的最大拉、壓應力均發(fā)生在竣工期，最大壓應力為8.8 MPa，局部最大拉應力達5.1 MPa，最大拉應力位于地連墻直角相交處外側(cè)(約1/4井深)；內(nèi)襯最大拉、壓應力均發(fā)生在地震期，最大壓應力為3.5 MPa，最大拉應力為4.6 MPa，位于內(nèi)襯直角相交處(約1/4井深)、 內(nèi)襯與底板交接處。因此，在工作井設(shè)計中，需要對拉應力較大的部位進行配筋加固，以滿足強度要求。

4) 隧洞與工作井連接處的接縫在運行期最大錯動變形為3.5 mm，地震期為5.9 mm。管片縱向接縫在施工期和運行期相對變形很小，地震期的最大張開量為0.10 mm、錯動變形為0.25 mm。管片縱向螺栓的拉應力最大值為41.2 MPa，小于其抗拉強度。