某核电厂厂址上的放射性厂房深埋试验设计与分析

摘要：我国的核电建设需要考虑加强BOP各模块中的土建结构本身的安全储备和事故容纳空间，而采用土建结构深埋设计是较为有效的手段之一。本文通过对具体案例的研究和分析，对BOP厂房中的某一具体建筑物的结构深埋方面的工程技术措施，进行了基本试验设计，从而为我国今后开展类似工程分析和工程决策提供参考。

关键词：BOP厂房放射性厂房结构设计深埋技术

中图分类号：TU2文献标识码： A

1引言

目前，我国在役的核电厂通常由核岛、常规岛和电厂配套设施（BOP）三部分组成。相对于核岛和常规岛，BOP厂房部分由于在系统中的设防等级相对较低，所以结构自身较为接近一般重型工业建筑的厂房结构，在遇到重大灾害或袭击时，BOP厂房部分抵抗外部风险的能力相对较低。因此，对BOP模块中的土建结构本身应考虑适当方案，来增加其安全储备。

近年来，在中国发生的历次震级超过6级的地震的中，特别是对汶川地震的震后调查结果表明：对于一些生命线工程，例如公路和桥梁均损毁严重，而隧道等深埋结构受损程度则相对轻微，其震后使用功能基本得到保障，为我们提供了很好的工程设防思路。从安全设防角度来讲，在上述核电三大类厂房的工程设计初期，如果能够有效吸收其他工程的类似经验，加大土建结构的埋置深度，不仅能够有效的降低地震过程中的震动损害，而且一旦事故出现，还能够很好地防止反应堆中的放射性废水向外界溢出，做到有效收集和管理事故废液排放，增加处置、存储和缓冲空间。

随着我国核电布局由沿海逐步向内陆发展，核电站场地地形、地质条件也变得更加复杂，对于具有山地特征的厂址，出于安全性和经济型的考量，往往需要将部分厂房基础进行深埋处理，这种形式在国外核电站中己有多处使用，我国在建的广东阳江核电站也采用此种处理方式。因而，考虑基础埋置深度增加后的对应工程措施和对整体造价的影响具有其必要性和现实意义。

2某核电厂址上的BOP厂区工程地质条件简介

2.1地层岩性

某厂址中BOP区场地内在钻孔深度12m 范围内揭露地层主要为：

①素填土：杂色，以灰、灰黑色、黄褐色为主，主要为开山块石、碎石，母岩主要为白垩系莱阳群水南组页岩、粉砂岩、细砂岩及脉岩辉绿玢岩、霏细斑岩，夹杂粉质粘土。

②粉质粘土：灰黄色-褐黄色，含少量褐色铁、锰质斑点，含较多的砂类土成份，见植物根系，砂类土粒径一般0.5-1.0cm，无摇震反应，稍有光滑，干强度中等，韧性中等，可塑。

③基岩：地层岩性上主要页岩、粉砂岩、细砂岩，它们以互层、夹层、夹薄层等形式沉积而成。

2.2地下水

厂区地下水主要以线状流，局部面状流的形式流入大海，勘察期间测得得地下水稳定水位埋深为0～4.83m，相对于标高2.97～11.20m，地下水按环境类型或渗透性分别叙述如下：

（1）基岩裂隙水：基岩裂隙水在整个BOP区均有分布，主要赋存于风化裂隙和构造裂隙中，挖方区直接受大气降水补给，填方区主要为大气降水和厂区基岩裂隙水的渗透径流补给。

（2）第四系孔隙水：主要分布于BOP区的西部填方区，直接受大气降水补给，与基岩裂隙水融为一体，具有统一的水头压力。

2.3 岩土物理力学指标

综合确定坡残积粉质粘土、各风化程度基岩的主要物理力学指标如表1：

表1 物理力学指标、承载力特征值参数表

3BOP厂房深埋试验设计及分析

在根据上述某核电厂厂址地勘资料，对某一具有深埋处置必要的BOP子项厂房进行深埋设计试验，并根据子项厂房的结构设计资料对整个设计过程进行案例模拟分析，评估深埋设计条件和分析基本技术措施。

3.1某放射性车间基本结构形式简介

BOP厂房中的某放射性车间包括地上和地下两部分，地上1层（局部2层），地下1层，初始埋深-6.55m，建筑基底面积3466.72m2，建筑面积7552.96 m2，其中地上建筑面积4086.24 m2，建筑高度18.85m，其基本结构形式如剖面图1所示。

图1放射性车间基本土建结构剖面示意图

3.2厂房结构深埋后的荷载变化分析

对于本例中的埋深状态，在结构分析软件PKPM中建模后，求得结构荷载为：

活载产生的总质量 (t): 6219.349

恒载产生的总质量 (t): 15929.925

结构的总质量 (t):22149.273

静水浮力Fw――累加计算为：

3466.72×（6.55+0.6）×1000=24787048kg；

则Ra≥1.2×24787048-22149273=7595184.6kg，按单位基底面积计算，约折合2.2t/m2，可通过设备自重、覆土和结构面层基本平衡。

图2放射性车间厂房基础平面布置图

如图2所示的厂房基础形式，在进一步加大埋深后，地下水浮力进一步增加，原设计中的部分厚度为450mm的底板的配筋和混凝土厚度可能无法满足作用于基底的水浮力引起的反弯矩荷载要求。

在现有埋深条件和结构设计成果下，增加一层（5m）地下空间，估算可提供15000m³的地下缓冲空间；增加两层（10m），估算可提供30000m³的地下空间。其所需要提供的主要抗力核算为

Ra+1≥1.2×（24787048+3466.72×5×1000）-（22149273+3466.72×0.4×2500）

=24926185kg，折合单位面积净浮力7.2t/m2；

Ra+2≥1.2×（24787048+3466.72×10×1000）-（22149273+3466.72×0.8×2500）

=42256145kg，折合单位面积净浮力12.2t/m2。

依次类推，可知厂房结构增加N层时，所需提供的抗力计算为：

Ra+N=1.2×（Fw＋A底×5N×1000）-（G+A底×0.4×N×2500）

3.3放射性车间结构深埋的抗拔构件设计

基于以上探讨，对埋深增加后，厂房的荷载变化和对应的抗拔措施做进一步分析。

不同埋深条件下的基底地质条件变化如图3所示，从其初始埋置深度开始，基岩条件已稳定进入强风化页岩层。故无需考虑地基承载力问题，只需考虑深埋后的地下结构抗浮稳定问题。

图3 放射性车间场地地质剖面图（非比例图）

现以直径600mm的嵌岩抗拔桩、直径150mm的岩石扩底抗拔锚杆做为抗拔构件分别对联合泵房地下结构底板进行加固设计。

①抗拔构件的抗拔承载力特征值计算：

a.直径600mm，长度10m的嵌岩抗拔桩单桩竖向抗拔承载力计算：根据《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008的 5.3节单桩竖向极限承载力的相关计算公式(3.18)，其中孔点编号：zk121、普通灌注桩-抗拔桩、A600-10m、桩顶标高：-3.15m、周长：1.884m

根据桩身截面和配筋条件，综合取其抗拔承载力特征值为1400kN。

b.直径150mm的岩石扩底抗拔锚杆抗拔承载力计算：根据《岩土锚索技术规程》中的单锚极限抗拔极限承载力计算公式，其中孔点编号：zk121、扩底岩石抗拔锚杆、A150-8m、顶标高：-3.15m，带入得：

根据配筋条件，对基岩抗拔锚杆取2.2的安全系数，综合取其抗拔承载力特征值为500kN。

②深埋一层（5m）条件下的抗拔构件设计：

如前述分析，考虑荷载效应组合后的单位面积净浮力约为7.2t/m2，总计抗浮面积约3460m2，合计抗力Ra≥24912t，即：

需要布置直径600mm，长度10m的嵌岩抗拔桩178根，布置间距4.5×4.5m；

需要布置直径150mm，长8m的岩石锚杆500根，布置间距2.6×2.8m。

③深埋二层（10m）条件下的抗拔构件设计：

如前述分析，考虑荷载效应组合后的单位面积净浮力约为12.2t/m2，总计抗浮面积约3460m2，合计抗力Ra≥42212t，即：

需要布置直径600mm，长度10m的嵌岩抗拔桩300根，布置间距3.4×3.4m；

需要布置直径150mm，长8m的岩石锚杆845根，布置间距2.0×2.0m。

4结语

我国目前核电厂的选址主要在沿海地带，内陆地区核电建设也已启动。由于核电厂生产和生活都需要大量循环水，所以厂址选择一般临近大海或大江、大河，且地域人口密度较低，此类地区往往地下水丰富、场地水位较高，上述加大埋深设计思路若要实施，则首先要考虑埋深增大后需要采用工程措施予以保障结构稳定，深埋后的系列设计和施工问题都需要细致的研究和分析。

在核电三类主要厂房中，核岛主厂房和常规岛厂房一般都开挖坐落至基岩上，由于岩体强度高、自稳性好、透水性差、一般统一采用爆破开挖的方式，所以进一步增加埋深的控制措施和成本变化计算是相对较为成熟的问题；而BOP厂房部分一般埋深相对较浅，增加埋深后需要考虑结构自重和地下水浮力二者变化带来的一些工程措施变化，其经济性比选和分析论证也将是一个下步需要细致研究的问题，希望本文的试验性设计能够为此类研究起到抛砖引玉的作用。

参考文献

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