虹吸井作为核电厂循环水直流供水系统的重要组成部分, 其对降低循环水泵的扬程, 节约电耗以及减缓凝汽器出口处压力的下降程度, 避免水柱分离的发生等^[1,2,3,4]起着重要作用。其中虹吸井溢流堰的设计不合理将会引起虹吸井泄流能力不能满足排水要求, 外海潮位为高潮位时厂房不安全、虹吸井出水口出现盐雾腐蚀电气设备、海滨出现泡沫污染以及虹吸井造价过高、施工困难等问题^[2,5]。因此, 有必要对核电厂虹吸井溢流堰进行合理优化设计。目前, 国内关于虹吸井溢流堰的优化设计的研究越来越多, 如高改玉等^[6]采用k-ε湍流模型封闭Reynods方程及VOF法追踪自由水面, 对南迪普火电厂虹吸井和排水口的排水过程进行三维数值模拟, 结果显示三维模型模拟结果与模型试验结果吻合良好, 迷宫堰优于溢流堰泄流偏于一侧的设计;刘扬等^[7]对辽宁某核电厂循环水虹吸井设置在渤海岸边和设于厂区两个方案进行比较分析, 主要分析两个方案对循环水泵扬程、循环水系统安全性、经济性等的影响进行了分析, 推荐采用将虹吸井设置在厂区的方案;黄艳君等^[8]对台山发电厂1号、2号机组虹吸井的各种溢流堰型的过流能力及堰后水流流态进行模型试验研究, 对溢流堰堰型、堰上水头进行选择并优化了虹吸井相关几何尺寸;龙国庆^[5]在模型试验的基础上提出了棱块体挡流堰改造方案, 对大亚湾核电厂循环水虹吸井出水口进行了优化设计。综上所述, 核电厂循环水虹吸井优化设计研究常通过计算机模型模拟或水力物理模型试验, 对溢流堰堰型、堰上水头等进行选择并优化虹吸井相关尺寸。

　　 在确保核电工程安全要求的前提下, 从有利于核电厂经济运行, 节约工程投资的原则出发, 本文根据某核电厂循环水系统排水虹吸井相关参数, 通过虹吸井水力模型试验分析研究不同排水流量及不同外海潮位工况下, 堰顶高程对虹吸井的水力特性、泄流能力及水头损失的影响, 并根据试验结果推荐最佳的虹吸井溢流堰结构型式及堰后流道布置型式, 为核电厂相关工程设计提供可靠依据。

　　 某核电站采用1机2泵+变频方案, 对循环冷却水流量进行调节。2台机组共用1座排水虹吸井, 虹吸井内溢流堰采用实用堰, 虹吸井堰后流道根据总平面需要采用异体型布置, 见图1和图2。单台机组循环冷却水设计流量 (堰前) 为57.75 m³/s, 最小流量为34.5 m³/s。重要厂用水系统 (堰后) 单台机组正常工况为3 300 m³/h。2台机组的排入雨量 (堰后) 约22.3 m³/s (按千年一遇重现期设计, PMP校核) 。

　　 本试验拟结合我国其它有关工程的模型试验经验, 依据《水工 (常规) 模型试验规程》 (SL155—2012) ^[9]进行模型设计和试验。本次模型试验的相似准则为:根据重力相似准则, 采用佛汝德 (Froude) 数相似条件可得水深、糙率及流量比尺, 具体如式 (1) ～式 (3) 所示。

　　 $\begin{array}{l}\lambda {}_v=(\lambda {}_L){}^{0.5}(1)\\ \lambda {}_n=(\lambda {}_L){}^{1/6}(2)\\ \lambda {}_Q=(\lambda {}_L){}^{2.5}(3)\end{array}$

　　 式中 λ_v——速度比尺;

　　 λ_L ——几何比尺;

　　 λ_n ——糙率比尺;

　　 λ_Q ——流量比尺。

　　 综合考虑该核电厂虹吸井及井后管涵排水流道水力特性, 拟采用几何比尺为1∶16的正态模型, λ_L=16。几何比尺为1∶16时虹吸井模型尺度 (长×宽×高, 不含模型进出水部分) 为2.94 m×2.5 m×1.3 m, 模型糙率为0.008 8～0.011 3, 模型流量为33.7～56.4 L/s, 堰后汇入2台机组厂用水、排水及设计雨水量为23.6 L/s。

　　 本试验的研究范围为虹吸井及其进、出水管10倍管径范围, 下游潮位条件考虑到长约1.5 km排水管涵出口处的海面潮位的变化。由于该核电厂2台机组共用1座虹吸井, 且虹吸井为左右完全对称, 从模型试验研究角度考虑, 只模拟一半即可满足要求。因此, 本模型模拟范围为循环水排水管入口前40 m, 堰后排水管入口后62.5 m。

　　 本试验共设置3种方案:方案F1为堰顶高程为-1 m, 为原设计方案;方案F2为堰顶高程抬高0.5 m, 即为-0.5 m;方案F3为堰顶高程降低0.5 m, 即为-1.5 m。每组方案共设置4种排水流量:34.5 m³/s, 41.25 m³/s, 49.25 m³/s, 57.75 m³/s;共设置7种潮位, 分别为:100年一遇高潮位、33年一遇高潮位、平均高潮位、平均潮位、平均低潮位、33年一遇低潮位、100年一遇低潮位。该试验所有工况条件见表1。

　　 研究模型试验测量手段包括:流速、流量、水位、水头损失、流态等。流速测量采用流速传感器及三维流速仪, 误差范围≤1%;流量测控采用标准矩形薄壁量水堰、电磁流量计测量和控制, 水堰精度≤1%, 电磁流量计精度≤0.5%～1%;水位测定采用自动跟踪式水位计结合1/50 mm高精度垂直游标测针进行测控;模型下游水位采用可调式尾门进行控制;沿程关键断面布置时均压力测压管来测量虹吸井各部位的水头损失;用摄像机、示踪粒子对各试验组次流态进行观测。

　　 图3～图5分别为虹吸井溢流堰F1、F2、F3设计方案虹吸井溢流堰上下游水位差随潮位的变化情况。图6～图8分别为虹吸井溢流堰F1、F2、F3设计方案溢流堰淹没系数及流量系数随潮位的变化情况。

　　 从图3可以看出, 平均高潮位、33年一遇高潮位、100年一遇高潮位时, 各设计排水流量下溢流堰上下游控制断面水位差基本接近一常数。溢流堰上下游控制断面水位差随排水流量的增加而增加, 流量由小到大34.50 m³/s、41.25 m³/s、49.25 m³/s、57.5 m³/s, 对应水位差分别为0.13 m、0.20 m、0.27 m、0.35 m。平均潮位时, 溢流堰上下游控制断面水位差随排水流量的增加而增加, 流量由小到大对应水位差分别为0.21 m、0.28 m、0.35 m、0.43 m。平均低潮位及以下潮位, 虹吸井排水时基本为自由出流, 上下游水位差较大。溢流堰上下游控制断面间水位差随排水流量的增加而减小。平均低潮位时, 四级流量由小到大变化, 上下游控制断面水位差对应为0.98 m、0.93 m、0.80 m、0.58 m;33年一遇低潮位时上下游控制断面水位差为2.67～2.21 m;100年一遇低潮位时上下游控制断面水位差为2.84～2.32 m。由此可知, 在各工况下设计排水流量均能通过, 且略有富余。

　　 从图4可以看出, 平均高潮位、33年一遇高潮位、100年一遇高潮位时, 各设计排水流量下溢流堰上下游控制断面间水位差为0.13～0.35 m, 与F1方案一致。平均潮位时, 溢流堰上下游控制断面水位差随排水流量的增加而增加, 流量由小到大对应水位差分别为0.24 m、0.30 m、0.40 m、0.47 m, 比F1方案普遍略大0.02～0.05 m。平均低潮位及以下潮位, 虹吸井排水时基本为自由出流, 上下游水位差较大。平均低潮位条件下, 流量由小到大对应水位差分别为1.51 m、1.44 m、1.27 m、1.04 m;33年一遇低潮位时上下游控制断面水位差为3.24～2.76 m;100年一遇低潮位时上下游控制断面水位差为3.35～2.85 m;明显高于方案F1约0.5 m, 相当于需提高循泵设计扬程0.5 m, 循泵运行费用偏高。

　　 从图5可以看出, 平均高潮位、33年一遇高潮位、100年一遇高潮位时, 各设计排水流量下溢流堰上下游控制断面间水位差为0.15～0.35 m, 与F1方案基本一致。平均潮位时, 溢流堰上下游控制断面水位差随排水流量的增加而增加, 流量由小到大对应水位差分别为0.18 m、0.25 m、0.33 m、0.40 m, 比F1方案普遍略小0.03 m。平均低潮位条件下, 流量由小到大对应水位差分别为0.49 m³/s、0.46 m³/s、0.46 m³/s、0.56 m³/s, 34.50 m³/s、41.25 m³/s、49.25 m³/s时水位差比方案F1略有减少, 57.5 m³/s时水位差与方案F1相比几乎没有变化, 因此不会降低循泵设计扬程。33年一遇低潮位时上下游控制断面水位差为2.22～1.70 m;100年一遇低潮位时上下游控制断面水位差为2.37～1.84 m;明显低于方案F1 0.45～0.48 m。另根据泄流流态, 见图9及淹没系数图8, 在平均低潮位时为淹没出流, 该方案不利于虹吸井泄流。

　　 由3.1分析得出该核电厂虹吸井优化方案为溢流堰堰顶高程为-1 m, 本小节将按该方案校核厂房安全性以及DBF条件下安全排水流量试验研究。

　　 本节重点研究在最大排水流量57.75 m³/s下, 施加设计雨水和重要厂排水流量 (12.07 m³/s) 或施加2倍设计雨水和重要厂排水流量下 (24.14 m³/s) 时, 各潮位下堰前水位是否超过厂房地面标高7.85 m。结果如图10所示, 施加雨水与重要厂排水流量 (12.07 m³/s) 后, 堰前水位增高, 100年一遇高潮位3.98 m时, 堰前最高水位为6.71 m, 低于厂房地面标高7.85 m, 厂房是安全的。但施加两倍设计雨水和重要厂排水流量 (24.14 m³/s) 时, 虹吸井最大排水流量 (57.75 m³/s) 下, 外海潮位为33年一遇高潮位3.73 m和100年一遇高潮位3.98 m时, 堰上水位超过警戒水位 (7.85 m) , 厂房将会淹没。通过作图法得出外海潮位超过3.63 m时, 虹吸井堰前水位超过7.85 m, 将淹没厂房。

　　 本节重点研究设计基本洪水位 (排水口外海潮位为6.11 m) 条件下, 原设计方案 (堰顶高程-1.0 m) 的安全排水流量试验。通过试验获得DBF条件下堰前水位不超过7.85 m即核电站厂房不被淹没的安全排水流量。试验结果见图11, DBF条件下排水流量为49.25 m³/s时堰前水位就超过了控制水位。通过作图法, 获得DBF条件下, 堰前水位为7.85 m时的安全排水流量为46.3 m³/s。

　　 (1) 原设计方案F1即虹吸井溢流堰堰顶高程为-1 m时, 其泄流能力满足不同工况下泄流要求, 且运行经济性及安全性比其他方案更优, 推荐采用原设计方案F1。

　　 (2) 对于原设计方案F1, 连廊施加雨水与重要厂排水 (12.07 m³/s) 后, 100年一遇高潮位3.98 m时, 堰前最高水位为6.71 m, 低于厂房地面标高7.85 m, 厂房是安全的;外海潮位超过3.63 m时, 虹吸井堰前水位超过7.85 m, 将淹没厂房。

　　 (3) 对于原设计方案F1, DBF条件下堰前水位为7.85 m时的安全排水流量为46.3 m³/s。