据美国核电运行研究所 (INPO) 数据统计, 2004~2008年间, 全球核电厂发生取水口堵塞事件达61起, 其中近80%的事件导致机组降功率或停堆, 超过20%的事件直接对核电厂安全相关系统造成影响^[1]。另据世界运行重要事件反馈报告统计, 2004~2017年期间, 发生的有关核电厂取水口堵塞事件超过100起^[2]。

　　 鉴于此, 国内外核电厂陆续开展在进水明渠增设拦污网的研究或改进^[3,4], 对预防取水口堵塞的发生具有一定的效果。拦污网一般为半淹没式布置, 非全断面拦截, 海生物等污物仍可绕过拦污网进入泵站。而且拦污网的网绳一般为尼龙网绳, 容易老化断裂。另外, 由于拦污网的柔性特点, 在台风等极端天气下, 大量海生物等污物极易越过拦污网而涌入泵站, 威胁泵站的取水安全。钢格栅具备足够的刚性且可全断面拦截布置, 在排水泵站、污水处理等领域有广泛的应用^[5~7]。因此, 在核电厂进水明渠增设一道刚性的拦污设施, 可最大限度地预防大量海生物等污物涌入泵站这类事件的发生。

　　 以某核电站进水明渠实际情况为例, 对新增的拦污格栅进行布置分析。如图1所示, 某核电站进水明渠现已布置3道拦污网设施, 第一道拦污网跨度183m, 第二道拦污网跨度约为245m, 第三道拦污网按照“八”字形布置, 中间设置1座三桩锚固承台, 两侧拦污网及拦船设施跨度约113m。结合现场情况, 在不影响3道拦污网的情况下, 格栅桩基选线应尽量远离泵站, 避免施工时泥浆影响取水, 同时也要保证足够的过水断面, 保证泵站的取水要求。因此, 考虑将新增的拦污格栅布置于第三道拦污网的外围, 选线长度约为174m。

　　 为保证格栅基础的稳定, 格栅桩基采用φ1 200的混凝土双桩, 现浇承台尺寸为8 m×2.2 m×1.2m, 格栅按照5.5m间距布置, 两端采用挂不锈钢网片、柔性网或者预制混凝土沉箱进行完全封堵, 整体布置立面如图2所示。

　　 参考某核电站进水明渠设计参数进行设计, 设计高水位:3.4m;设计低水位:-2.39m;格栅底标高:-9m;格栅名义宽度:B=5.5 m;格栅过水高度:H=6.6m;格栅名义高度H₀=12.4m;格栅前后设计水位差Δ=1.5m;水密度ρ=1.023t/m³。

　　 格栅名义宽度B=5.5m, 格栅过水高度H=6.6m, 栅条在过水高度方向由6根横梁支撑。

　　 根据《水利水电工程钢闸门设计规范》 (SL 74—2013) ^[8]规定, 格栅在1.5m水位差工况下, 承受的总静水压力可按式 (1) 计算。

　　 格栅上承受的水压力由其支撑横梁来承担, 根据格栅结构和其布置方式, 可确定各横梁受力, 见表1所示。

　　 横梁受到的平均静水压P=91kN。

　　 支撑横梁承受的最大弯矩可按式 (2) 计算。

　　 需要横梁截面模量计算见式 (3) 。

　　 横梁材质选用316L不锈钢, 许用应力[σ]=108N/mm², 则W_x≥579.3cm³。

　　 选择支撑横梁截面:槽钢360cm×100cm×13cm, W_x=746cm³, I_x=13 400cm⁴。

　　 横梁上产生的最大应力计算见式 (4) 。

　　 横梁强度满足要求。

　　 根据《水利水电工程钢闸门设计规范》6.2结构计算规定, 挠度与横梁长度比应满足式 (5) 。

　　 横梁上的最大挠度计算见式 (6) 。

　　 式中f_max———横梁产生的最大挠度;

　　 q———单位长度载荷, q=16.5kN/m;

　　 l———横梁长度, l=550cm;

　　 E———弹性模量, E=2×10⁷ N/cm²;

　　 I———截面惯性矩。

　　 则f_max=0.07cm

　　 f_max/l=1/7 857<1/500, 横梁刚度满足要求。

　　 在给定过栅流量的情况下, 通过计算水流通过5组不同的栅条间距值 (25 mm、50 mm、100 mm、150mm、200mm) 格栅后的水头损失及对应的过栅堵塞率, 以给出合理的栅条间距值。

　　 格栅过水高度H₀=6.6m;格栅名义宽度B₀=5.5m;栅条厚度σ=10 mm;栅条截面高度h=50mm;栅条间距b设5组, 分别为25mm、50mm、100mm、150 mm、200 mm;格栅横梁宽度:b₁=100mm;格栅横梁净间距:s₁=1 200mm;格栅安装角度90° (与水平面夹角) 。

　　 某电厂6台机合计流量为385m³/s, 按照桩基选线较短的方案即选线长为173.7m的桩基选线方案进行格栅的水力计算。沿桩基选线需布置23台格栅, 因此每台格栅的过栅流量为:385/23=16.74 (m³/s) 。

　　 任何截面的流速见式 (7) 。

　　 式中V———过栅流速, m/s;

　　 Q———过栅流量, m³/s;

　　 S———格栅过水面积, m²。

　　 按《水工设计手册》 (第七卷) ^[9]规定, 水头损失可按照式 (8) 计算:

　　 式中Δ———水头损失, mm;

　　 k———污物附着影响系数, 人工清污时, k=1.5~2.0, 机械清污时, k=1.1~1.3, k取1.5;

　　 β₁———与栅条形状有关的系数, 栅条截面为矩形取2.42;

　　 β₂———与格栅横梁形状有关的系数, 横梁截面为矩形取2.42;

　　 σ———栅条厚度σ=10mm;

　　 b———栅条间距, 取b=25mm、50mm、100mm、150mm、200mm;

　　 b₁———格栅横梁宽度, 取b₁=100mm;

　　 s₁———格栅横梁净间距, 取s₁=1 200mm;

　　 g———重力加速度, m/s²;

　　 V———过栅流速, m/s;

　　 α———格栅与水平面夹角, α=90°。

　　 图3为通过计算得到的不同栅条间距下过栅水头损失与格栅堵塞率的关系曲线。很明显可以看出, 就某一栅条间距值 (如b=150mm) 的格栅而言, 过栅水头损失随格栅堵塞率的增长呈上升趋势, 且随着堵塞率的上升, 水头损失的上升速率越来越大;在同一堵塞率下 (如80%) , 栅条间距值越小, 过栅水头损失越大, 这种趋势随着堵塞率上升而越来越明显。对于所有不同栅条间距的格栅而言, 当堵塞率小于65%时, 过栅水头损失都在300mm以下;当堵塞率达到85%时, 栅条间距25mm的格栅过栅水头损失接近格栅横梁的水头损失设计值1.5m, 即格栅横梁有压溃的风险;当格栅堵塞率大于95%时, 所有不同栅条间距的格栅过栅水头损失都接近或者超过格栅横梁水头损失的设计值。

　　 过栅水头损失与格栅堵塞率的关系曲线可以为格栅的清污提供指导, 当过栅水头损失超过一定限值 (例如300mm) 时报警, 提示此时应该对格栅进行清污处理。此外, 过栅水头损失与格栅堵塞率的关系曲线对选择合理的栅条间距值也有指导意义。一方面, 为了提高格栅对海生物等污物的拦截能力, 栅条间距应该越小越好;另一方面, 在相同的格栅堵塞率下, 栅条间距越小, 过栅水头损失越大。因此, 需要在栅条间距与过栅水头损失之间寻找平衡, 而过栅水头损失与格栅堵塞率的关系曲线很直观地体现了栅条间距、过栅水头损失及格栅堵塞率三者之间的关系。从过栅水头损失与格栅堵塞率的关系曲线可以看出, 当栅条间距为50~100mm时, 格栅堵塞率达到80%的情况下, 过栅水头损失仍然处于300mm以下。因此, 50~100mm是比较合理的格栅间距值, 在具备较好的拦截能力的同时, 在堵塞率达到80%的情况下过栅水头损失仍保持在较低的水平。

　　 为防止拦污格栅被污物堵塞而影响循环水过滤系统的正常取水, 对拦污格栅进行了清污布置设计。图4为拦污格栅的清污布置示意, 在桩基承台上搭建移动式格栅清污机行走的立架, 立架上设置若干台移动式格栅清污机, 每台移动式格栅清污机负责几块格栅的清污工作。为了便于格栅的安装和维护, 立架上除了移动式格栅清污机行走的轨道外, 还设有格栅吊装行车的行走轨道, 桩基承台可为移动式格栅清污机捞取的污物转运和格栅及清污机等设备的日常维护提供出入通道。

　　 对核电厂进水明渠增加拦污格栅进行了可行性研究, 总体上看, 提出的新增格栅方案是可行的。新增的拦污格栅是在核电厂进水明渠最外围拦截网之外设置的一道刚性的拦污设施, 距离循环水过滤系统的泵站取水入口位置较远。拦污格栅对循环水过滤系统最大的影响在于新增的格栅存在堵塞而影响系统正常取水的风险。通过格栅水力计算可给出较理想的栅条间距值, 可以在满足循环水过滤系统正常取水的情况下最大地降低格栅堵塞的风险。另外, 对新增格栅所拦截的污物制定合理的人工清污或机械清污手段也可避免这一风险的发生。