滨海核电厂外部水淹是厂址外海水位升高进入厂区或降雨引起的厂区积水, 一般由台风引起的风暴潮和降雨造成, 或者厂址外海地震导致的海啸造成。福岛事故后, 我国国家海洋局开展了专题研究, 分析结论认为地震海啸对我国沿海大多数厂址的影响较小。^[1]国家核安全局 (NNSA) 随后确定了以“设计基准洪水位 (Designed basis flooding, DBF) +千年一遇降雨”作为超设计基准工况对各在建、运行电厂进行水淹后果分析, 并根据分析结果开展改进和改造。^[2]

　　 事实上, NNSA确定的这一工况是我国滨海核电厂可能遭遇的众多外部水淹工况中的一种, 其具有较好的包络性, 但对其他工况的研究也对外部水淹防护设计是十分有益的。

　　 在当前的核电厂设计中, 厂区雨水排水管网是除了地面漫流外滨海核电厂排出厂区积水的唯一通道, 其存废有时决定了厂区是否会遭受水淹;根据当前的设计情况, 雨水管网较易在高水平地震情况下受损, 因管网在地下, 其修复也会经历相当长时间。对于我国滨海核电厂址而言, 每年均会遭遇较长时间的台风天气 (一般从6～10月) , 2种外部事件在长达几个月的时间里叠加出现是可能的。地震损坏厂区排水管网后遭遇台风天气, 则电厂很可能发生外部水淹事件。

　　 本文将对滨海核电厂地震后遭受台风天气可能造成的外部水淹情况进行初步研究, 选取有代表性的水淹工况及其后果进行分析, 为滨海核电厂外部水淹防护设计提供参考。

　　 本文主要研究核电厂地震后遭遇台风天气的后果。因台风天气对滨海厂址的影响主要是强风、外海高潮位及厂区高水平降雨, 而强风的载荷效应与本次研究没有关联, 外海高潮位及厂区高水平降雨关联较大, 所以本文主要考虑地震、外海潮位与厂区降雨3种极端事件的组合情况。

　　 在现行的核安全法规、导则以及福岛事故后的安全要求中均没有要求核电厂设计考虑此类组合, 因此, 这3种极端事件的组合可视为超设计基准外部事件来看待。^[3,4]

　　 为达到研究目的, 需首先确定组合工况出现的频率以及参与组合的各外部事件的频率水平, 从而通过计算分析各对应频率组合工况下的水淹风险。

　　 根据NNSA 2012年发布的《福岛事故后核电厂改进行动通用技术要求 (试行) 》中“核电厂防洪能力改进技术要求”的相关要求, 在考虑核电厂超设计基准水淹场景时以“DBF+千年一遇降雨”作为参考工况。^[2]根据水文学知识可知, 厂址设计基准洪水位出现的频率至少是10^-5/年, 千年一遇降雨的出现频率为10^-3/年, 即参考工况的组合频率至少为10^-8/年。

　　 因此, 本次研究的超设计基准工况可参照上述超设计基准工况频率筛选原则, 选用10^-8/年作为组合工况的筛选频率, 即本次研究将10^-8/年定为地震、高潮位及降雨3者组合的筛选频率。

　　 由地震、潮位及降雨3者组合频率为10^-8/年的组合情况太多, 针对每种组合进行分析和研究是不现实的, 需根据工程设计经验分析出典型、合理的组合工况用于此次研究工作。

　　 高强度的地震可能导致厂区排水管网的损坏, 厂区排水能力下降或丧失, 再遭遇极端降水极易造成厂址水淹;由此可见, 地震是此次研究的组合中的控制因素之一。

　　 高潮位的出现可能导致厂区排水管网出口堵塞, 出现“顶托”现象, 厂区排水管网的排水能力也会下降或丧失, 如再遭遇极端降雨极易造成厂区水淹;由此可见, 高潮位也是此次研究的组合中的控制因素之一。

　　 在现有的厂区管网设计中, 均采用了厂址PMP进行设计校核, 即厂址出现PMP时厂区也不会造成水淹, 即如若不出现破坏性地震或高潮位, 厂区仅出现极端降雨是不会导致厂区水淹的。由此可见, 降雨不是此次研究组合中的主要控制因素。

　　 由上述分析可知, 在考虑组合工况的频率应主要考虑地震和高潮位参与组合的频率, 降雨作为参与组合的次要因子。因本次主要研究地震情况下厂区水淹的情况, 故在工况组合中将首先确定地震参与组合的频率水平, 其次是高潮位, 再次是降雨。

　　 目前核电厂厂区管网一般按照设防烈度地震进行抗震设计, 在遭遇该等级以上地震时会出现损坏。根据《中国建筑抗震设计规范》 ([7]) 相关规定, 设防烈度地震约500年一遇, 频率约为2×10^-3/年^[5,6,7,8,9]。为了使本次研究的工况具有一定包络性, 且考虑到地震水平的代表性, 选取“罕遇地震 (约2 000年一遇, 频率约为5×10^-4/年) ”参与组合。经结构校核计算可知, 在遭遇罕遇地震时, 核电厂排水管网不能保证100%的排水能力, 但管网结构地震后的受损分析较为复杂, 难以定量确定其具体损坏程度。为便于研究, 假设在遭遇罕遇地震时, 厂区雨水管网受损较为严重, 选取其此时的排水能力分别为设计能力的0%、30%两种情况分别进行计算分析。

　　 因目前尚无权威地震条件下潮位与降雨频率的研究成果, 且导致某重现期水平的潮位和降雨量的组合也是非单一的 (实际上有无穷多组合) 。为了使所选择的工况具有典型性, 选定典型潮位为千年一遇与降雨进行组合, 既可以体现组合事件发生的现实性, 又能涵盖较严重的组合工况。

　　 根据1.1可知组合频率为10^-8/年;根据1.2.1、1.2.2可知, 参与组合的地震频率为4×10^-4/年, 参与组合的潮位频率为10^-3/年, 则参与组合的降雨频率为10^-8/ (5×10^-4×10^-3) =2×10^-2/年, 即约50年一遇。

　　 根据上述分析可知, 确定用于本次研究的2种组合工况如下。

　　 工况1:2 000年一遇地震+千年一遇高潮位+50年一遇降雨, 管网排水能力为原设计的30%。

　　 工况2:2 000年一遇地震+千年一遇高潮位+50年一遇降雨, 管网排水能力为0。

　　 为初步判断工况1和工况2下厂区积水深度的相对大小, 可将福岛后通用改进要求的工况作为对比工况:DBF+千年一遇降雨 (该工况默认“管网排水能力为100%”) 。

　　 本次研究利用美国环保署开发的SWMM (Storm water management model, 暴雨洪水管理模型) 来研究降雨对厂区水淹的影响。

　　 SWMM是一个动态的降水-径流模拟模型, 主要用于模拟某一单一降水事件或进行长期的水量和水质模拟。其自1971年开发以来, 已经经历过多次升级。^[10]在世界范围内广泛应用于城市地区的暴雨洪水、合流式下水道、排污管道以及其他排水系统的规划、分析和设计, 在其他非城市区域也有广泛的应用。本次研究使用的是其最新版本5.0版。

　　 本次研究以3个地域及气候条件相差明显的A、B、C厂址作为研究对象。3个厂址分处我国不同地域, 厂址厂坪标高与外海潮位的差值见表1, 厂址降雨水平差异见图1, 用于计算研究的厂址潮位历时曲线和降雨曲线见图2、图3。^[11]

　　 通过计算分析, 得出工况1和工况2下3个厂址的水淹深度如表2所示, 并将结果与对比工况下的计算结果进行了对比。

　　 从表2可以看出, 3个厂址在工况2下的水淹深度较大, 均大于工况1和对比工况;而工况1下, 厂址水淹深度与对比工况下的水淹深度比较没有规律性。

　　 (1) 从研究结果可知, 罕遇地震遭遇台风天气情况下, 滨海核电厂址有可能发生较为严重的外部水淹, 本文研究所选取的超设计基准外部水淹工况具有一定代表性。

　　 (2) 从典型厂址的几个工况对比来看, 厂区水淹深度与地震对厂区雨水排水管网的破坏程度有关;雨水排水管网剩余能力越大则厂区积水深度越小, 当地震对厂区雨水管网破坏严重导致排水能力完全丧失时厂区积水较深。由此可见, 雨水管网在所研究的超设计基准工况后的排水能力是厂区积水严重与否的关键。

　　 (3) 由于目前雨水管网设计中排水管材采用的大部分是柔性管材, 发生罕遇地震时其结构的受损情况及管道的剩余排水能力有待进一步研究, 本文所研究的工况2相关结论可供在滨海电厂外部水淹后果保守分析时参考使用。