Application of Plastic Drainage Plate Combined with Surcharge Preloading: A Case Study of Water Intake Channel in a Nuclear Power Plant

某滨海核电厂取水明渠工程位于珠江八大口门中崖门和虎跳门出口黄茅海，该核电站地处滨海浅滩地带，近岸淤泥较深，海水水质较差，为了取用远海水质较好的海水，在离岸5 km左右的大襟岛南侧设计了一条总长度约为2 600 m的取水明渠用于引水，详见图1。该明渠为非核安全物项，明渠设计过水底标高为-6.3 m，底宽150 m，考虑1.0 m备淤深度，设计泥面标高为-7.3 m；明渠口门处设计过水底标高为-6.0 m，底宽为300 m，考虑0.5 m备淤深度，设计泥面标高为-6.5 m。取水明渠防波堤采用抛石斜坡堤式结构，其中，取水明渠防波堤北侧与进水口连接的200 m段堤顶高程为∇5.8 m，其余防波堤各段堤顶高程均为∇4.9 m，斜坡堤内、外侧坡面的坡度为1：2。根据当地水文监测报告，该明渠设计高水位为∇4.41 m，设计低水位为∇-1.57 m。取水明渠的主要功能是保障该核电站三回路冷却水的取水需求，建成后可以满足6台百万千瓦级核电站的取水需求。

Figure 1.  Plan of water intake channel

取水明渠防波堤地基存在较厚的软弱土层，表层主要为淤泥和淤泥质粘土。其中淤泥层平均厚度5.38 m，最厚达11 m，分布底标高约为∇-4.60 m至∇-15.90 m，平均标准贯入击数N≤1击；淤泥质粘土平均厚度3.62 m，分布底标高约为∇-11.70 m至∇-26.90 m，平均标准贯入击数为1～2击。工程施工期需跨越四个台风期，施工受台风、季候风等灾害性天气影响大，工程结构防台风及防冲刷问题突出^[1]。

取水明渠位于远离陆域侧的大襟岛南侧，该岛距陆域最短距离为4.4 km，岛上石料供应量少，且大部分岩石为泥岩，抗压强度小于30 MPa，若作为结构石料，不满足设计规范^[2-3]要求。根据核电厂相关经验和相关技术规范手册，本项目初步选择了爆破挤淤^[4-5]和插排水板堆载预压地基处理两种方案。但考虑到石料用量、陆域侧供给石料的经济性、岛上石料成料率低等因素，否定了抛石爆破挤淤方案，选用插排水板堆载预压方案。

根据工程所处位置的地质条件，取水明渠防波堤插排水板堆载预压方案^[6]为：在原软弱地基土上铺设一层1 m厚砂被，再施打间距为1 m、正方形布置的塑料排水板，排水板施工完成后铺设高强土工布、土工格栅和0.3 m厚石渣作为隔离层，最后采用分级加载预压法抛理块石进行地基处理。这种分级加载预压法是一种典型的排水固结法，水运工程中排水固结法通常是对饱和的天然软土地基进行加固，先在地基中铺设砂垫层作为水平排水通道，再设置砂井或排水板等竖向排水体，然后利用建构筑物本身重量分级逐渐加载，通过加载系统在地基中产生超孔隙水压力，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高并达到设计要求的地基承载力。堤身荷载是软弱土层固结的外因，堤身荷载增加过快或偏载太大，有可能使堤身失稳；堤身荷载增加过慢，不利于土体的固结。因此确定合适的加载速率和加载过程中堤身稳定性监控是施工的关键技术，也是本工程的重中之重。

本工程设计的堤身断面分层抛填堤心石和垫层块石(即分级加载)分为三个阶段：第一阶段0～40天内从砂垫层顶标抛填堤心石和垫层块石至∇-1.5 m高程，之后沉降稳定30天(即静载期为30天)；第二阶段70～100天内从∇-1.5 m高程抛填堤心石和垫层块石至∇＋1.0 m高程，之后沉降稳定30天；第三阶段130～160天内从∇＋1.0 m高程抛填堤心石和垫层块石至垫层块石顶标高。堤头段三阶段分层抛填的设计略有差别。第一阶段抛填的堤心石在设计低水位下，抛填厚度大，施工时间长，受风浪影响小，静载时间可加长。第二阶段、第三阶段在水位变动区，抛填厚度小，施工时间短，静载时间短，抛填时需及时进行防护，减少风浪破坏，典型设计断面8-8见图2。

Figure 2.  Cross-section 8-8 of water intake channel

本工程的插排水板法主要施工工序为：水上铺填砂被——打设塑料排水板——铺设土工布及土工格栅——分层抛理堤心石及垫层石——安放人工块体护面，典型断面分层施工示意图详见图3。

Figure 3.  Cross-section sketch of construction steps of water intake channel

本工程远离陆地，施工均为水上作业，传统的测量定位手段难以满足工程需要。为此施工单位采用了RTK-GPS(实时动态差分GPS)技术进行堤身测量和施工船舶定位作业，并利用RTK-GPS和数字化测深仪相结合，组成一套无验潮水深测量系统进行水下地形和堤身断面测量。实时动态差分GPS定位精度可达厘米级，并可全天候作业，大大提高测量的精度和效率。

建设良好通畅的排水通道，是促使软弱土层固结的内因。因此保证砂被和排水板的施工质量是施工的重点和关键技术之一。本工程砂被采用含泥量小于3%的中粗砂，无杂质及有机物，干密度大于15 kN/m³，渗透系数大于10^-2 cm/s，采用380 g/m²的无纺复合土工布缝制。砂被施工采用1 200 t专业铺排船，并且综合考虑了潮流、波浪的影响，选择在平潮和波浪小的时候进行施工，保证了铺设厚度和均匀性，铺设过程中避免了对表层软土的过大扰动，避免了产生砂和淤泥的混合物，以保证竖向排水通道畅通。塑料排水板的性能指标经复检后符合技术规格书的要求，在施工时采用了1 200 t专用插板船来保证打设质量，使得塑料排水板的间距、垂直度、打设的板底标高，以及“回带”量和长度等均不超过技术规格书的规定。采用了1 200 t专用铺排船进行土工格栅和土工布的施工，保证了土工格栅和土工布的施工质量满足设计要求。

分层抛理堤心石及垫层石工序中，关键的因素就是确定静载期的天数，而静载期的天数取决于地基排水状况，静载期合理天数的确定对保证工程在施工期间的安全和加快施工速度都有重要意义。本工程施工单位将设计院给出的理论静载期与现场沉降观测相结合，合理减少了理论计算的静载期，缩短了防波堤石料抛填工期，避免了台风期对防波堤结构的破坏。为了保证软基上防波堤分层施工的安全，施工时严格控制各分层的高度，防止压载过高造成堤身的失稳，并严格控制加载顺序，先进行坡脚反压部分的施工，然后再进行堤心部分施工。对每一层加载进行了标高检验，对顶标高不足部位，进行补抛，但杜绝超载。

本工程分层抛理堤心石及垫层石主要采用开体驳抛底层，反铲配驳船和横鸡趸加高抛填的工艺，确保分层加载抛填的要求。考虑到台风的影响，第一层石料抛填主要在台风期进行，第二层、三层石料抛填集中在非台风期进行，在台风季节施工时，更是严格控制了堤身裸露长度。本工程所采用的插板船、起重船、铺排船等均选为抗风浪能力强、稳定性好、效率高的大型船机，有效提高了施工安全和质量，加快了施工进度。

本工程设计要求进行五个方面监测：沉降监测、土体深层侧向位移监测、孔隙水压力监测、结构位移监测、排水固结地基监测，监测控制标准为：基底中心沉降速率不大于20 mm/d，深层土体侧向位移速率不大于4 mm/d，孔隙水压力消散比∇u/∇p≤0.5；其中地表沉降观测点间隔75 m布置一个，共计36个。

典型断面8-8处于钻孔地质钻孔FS21附近，根据其岩土工程性质用分层总和法计算了其地基沉降量设计值，并根据相关规范^[9]推算出其理论上施工期各时刻的固结度和地基沉降量，详见表1。

典型断面8-8作为试验段，严格按照设计要求进行了分层抛理堤心石和垫层块石，并布置了地表沉降观测点，其地表沉降—荷载—时间曲线见图4。

Figure 4.  Curve of settlement, load and time

对比表1和图4可以看出，理论计算和实际情况基本一致，只存在少许差别。当第一层荷载加上后，经约20天后，沉降过程线趋于平缓，沉降量达到理论值400 mm。这说明此时的沉降已趋于稳定，满足下一阶段加载的施工条件。由此得出设计理论计算中的静载30天可以根据实测沉降过程线进行修正的结论，这个结论同样适用于第二层加载和第三层加载之间的静载期。施工单位于是决定将第一、二、三层抛填之间的静载期缩短至20天，经后续其他断面的实践，施工中堤身稳定，沉降速率满足设计要求。这对缩短防波堤施工工期起了重要作用，减小了在台风期施工对防波堤稳定性的影响。

滨海核电厂由于有防海啸冲击、温排水和挡浪等方面的控制性要求，通常都需要建设护岸、防波堤等海工构筑物。经过本工程的实践经验，可以得到以下几个结论，供其他核电项目借鉴：

1)插排水板分级加载预压排水固结法是一种成熟可靠的软基处理技术，后续核电项目可以继续使用该项技术，且该技术较常用的爆破挤淤法在经济上有一定的优势。

2)分级加载预压法的理论静载期一般与现场沉降观测基本稳定的实际时间存在差异，在现场实际应用时可以根据不同地质情况分段进行分析，并根据现场实测沉降量情况，适当调整每层抛理堤心石和垫层块石的静载时间，可有效控制工期。