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夏祖諷：我的四十五年核電生涯的經歷之三
巴基斯坦恰希瑪核電廠及其它核工程設計的回顧
夏祖諷，全國工程設計大師，核工業工業設計大師，《南方能源建設》學術委員會委員，1964年畢業於同濟大學建工系，留校任教十年。1974年調入上海核工程研究設計院，參加我國核電廠秦山一期工程建設，承擔預應力混凝土安全殼結構的自主設計。也主持過出口巴基斯坦的恰希瑪軟地基核電廠的核島結構土建設計及研究，還參與多個其他核工程的設計研發工作。曾於1992-2001年擔任院副總工程師，退休後繼續返聘，迄今經歷核電生涯達四十五年。主要成就為核工程結構設計研究及抗震分析。曾獲國家科技進步二等獎二項，部級科技進步一等獎二項。
《南方能源建設》導讀
巴基斯坦恰希瑪核電廠座落在巴基斯坦旁遮普平原柴爾沙漠的西北部，印度河東岸，距巴基斯坦首都伊斯蘭堡280公里。恰希瑪核電廠包括4臺機組。其中第1號機組於1993年8月1日澆注核島底板第一罐混凝土，2000年6月13日正式併網。第4號機組於2017年9月8日舉行竣工儀式，標誌著全面建成。恰希瑪核電廠是中巴兩國合作的結晶，被中國和巴基斯坦雙方譽為“南南合作”的優秀典範，得到了國際原子能機構（IAEA）好評，為中巴兩國在和平利用核能領域進一步合作奠定了紮實基礎。夏祖諷設計大師自90年起，全力投入到恰希瑪核電廠核島結構在地震作用下所作的土體與結構相互作用SSI分析這一國際前沿的研究領域，取得了國內領先、國際先進的科研成果，並於2007年再次獲得國家科技進步二等獎。
—EG記者 鄭文棠
“首次遇到軟地基，成功預測恰希瑪核電廠七年後的地基沉降值，巴方大呼：夏老師，你真神了 ！”
八十年代末，根據中巴兩國政府間的意向，我國將出口建造巴基斯坦恰希瑪核電廠，當時二機部決定由上海核工程研究設計院來承擔核島工程設計。因此自90 年起，本人在院副總林偉賢授意下，先期全力投入到前期技術準備工作中。根據當時收到的初步資料看，擬建的恰希瑪核電廠廠址位於柴爾沙漠的邊緣，有深達二百米的砂性沉積土層(俗稱軟地基)，更兼廠址的地震烈度又高於在基岩上的秦山核電廠，因此相比原先設計過的核電工程，恰希瑪核電廠設計的主要挑戰就集中在我院土建工種對這種軟地基如何正確控制其絕對沉降及各廠房間的相對沉降，以免管道破損，而且更要保證反應堆廠房在軟地基下傾斜值比民用規範要求更嚴上一個數量級，以保證反應堆控制棒的自由下落不受影響而出現安全問題：此外還得開展在強地震作用下軟地基與其核島上部結構間被稱作相互作用SSI分析這種高技術難度課題的攻關研究。
在合同簽訂前的90 年3 月，林總率領我們幾個赴恰希瑪核電廠廠址現場做先期調研，在去現場的車隊中，巴方提供了荷槍實彈士兵的前導警衛車保護。從伊斯蘭堡出發，傍晚就到達廠址相鄰的巴方原委會招待所。我注意到招待所附近，恰有工人在掘一條溝渠，溝渠深達1.5米左右，可是溝兩側的土體幾乎呈垂直，而沒有軟土地區傳統的放坡，可見當地土體強度其實還不錯。我馬上回到招待所端來一盆水向地上一潑，並不見水一下子馬上消失，甚至過了一分鐘尚能見少量水留在淺坑底。可見這種砂性土中黏粒含量頗豐，這在地震時對砂性土的液化可望不必太過擔心。眼見為實，這下子對當地軟土地基要搞核工程的自信心大增。好像有望直接採用天然地基。至於對今後核工程的沉降控制，我利用每次隨訪調研的機會，向當地有經驗的工程師多做請教。剛好利用一次喝咖啡休息間歇，我向一位中年工程師請教在恰希瑪核電廠工地附近地區的工程如何控沉降，因為出國前我翻了手頭一本權威的教科書，指出那類砂性土地基的地基基床彈簧係數大致在150 ~1000t/m³ 間大範圍內變化，因此比較難於把握。他高興地說起數年前在那個地區剛好搞過些工程設計效果不錯，以他的經驗認為地基基床係數以400t/m³ 最恰當，當時一聽我就感謝他無私的友好之舉，心裡一想按這個設計參數意味著在今後工程設計中，我們只需把核島底板的反力控制在20t/㎡ 以內。那麼地基的最終沉降估計就可以控制在5cm 左右這一合理的工程可行性範圍之內。
1990年夏祖諷和原728院副總林偉賢等赴巴基斯坦調研，與巴基斯坦專家交流情形
經過一整年的精心策劃，本人心中己有一個可行的設想，但前提是院工藝佈置工種必須配合調整核島廠房佈置，我向林總作了彙報並取得他的承諾。於是1991年起本人就有信心主動請纓擔任恰希瑪核電廠項目的土建工種實際技術牽頭人，經院方同意後馬上安排呂榮樑帶領年輕工程師按我們土建工種的設想，在核島廠房工藝佈置上作重大調整，即對反應堆廠房設計仍維持其秦山核電廠那樣基本不變，適當降低安全殼的高度，以確保恰希瑪核電廠設計進度不受太大影響，且應佈置在整個核島廠房群的中心位置上，其餘所有核輔助性廠房則都圍繞在其四周。並把所有核島廠房整合在同一塊80m×90m的基礎大筏板之上，這樣大概就可控制整個大核島地下室筏基底板上反力在20t/㎡左右，以便實現最終沉降值控制在5cm的經驗值之內。同時也能有效地控制住各核島廠房間的相對沉降處於1~2cm範圍上。在93年8月恰希瑪核電廠1號機組FCD前夕，巴方業主的土建部門負責人(他在我處接受過專業培訓)曾先詢問過我院設計的核島結構最終沉降值，我當時就隨口說出小於5cm。因為我國規範的地基沉降計算方法與巴方不同，但計算中所需巴方廠址下每層土體變形參數的勘測值總會處於一個可變的範圍之內，我院可以據此適當調整每層土體參數選用值，把核島中心處最大沉降值控制在5cm以內。
在2000年恰希瑪核電廠1號機組併網前，巴方再次核實沉降值確實不足5cm，於是那個土建部門負責人到訪我院時就讚揚我說：“夏老師你真神了，七年前你給出的核島沉降值計算值，七年後果真如此。”我當時說：“謬讚了，我們只是碰巧參考了你方工程師告知的那個地區使用的經驗值而己。”
不
忘
初
心
夏祖諷設計大師在巴基斯坦恰希瑪核電廠前留影
“從頭學起，邊學邊幹，攻研SSI新課題，兩年多科技攻關的日夜煎熬，我的頭髮一下子變得花白”
我們土建工種所設想的核島總體佈置調整，雖對核島的沉降及傾斜控制有利，但卻引出土建工種自身的大難題。因為恰希瑪核電廠現場處於巴基斯坦柴爾沙漠那種十分乾燥炎熱的氣候條件下，對目前這80m×90m這麼大尺度筏基的大體積混凝土施工卻面臨十分嚴峻的考驗，施工方有人告訴我，他們過去在伊拉克類似地區工程施工中，現場混凝土開裂十分嚴重，曾遭罰款賠了很多錢。雖然經秦山混凝土安全殼工程施工，我嚐到過在混凝土中摻加粉煤灰能有效減輕大體積混凝土收縮開裂的甜頭，但偏偏巴基斯坦缺煤，全國找不到粉煤灰。急得我只能去上海建科所找粉煤灰專家張教授請他出招支持。正是他果斷提出在巴基斯坦恰希瑪核電廠現場可利用當地現成的石灰石磨細粉末代替粉煤灰，也能取得同樣的效果。他更提出願攜磨粉機至現場指導加工石粉加以驗證。正是這一技術措施在恰希瑪核電廠中推廣實施，既節省了大量水泥以減低施工成本，又同時有效地減輕了大體積混凝土的收縮裂縫。這種做法也令巴方專家自愧不如，所以他們也讚口不絕。對這次巴基斯坦恰希瑪核電工程，本人在91~93 年的工作重心，主要還是依靠本人相對紮實的理論功底指導研究生王明彈，並帶領顧俊康、左家紅、李韶平等年輕人去執行核電廠建在非巖性軟地基下的SSI分析研究這一全新的課題。
我們確實全是從頭學起，邊學邊幹，經過兩年多科技攻關的日夜煎熬，我的頭髮一下子變得花白。終於以我院的力量為主，並在哈爾濱工程力學所張教授及同濟大學王教授兩團隊的協作下，對核島結構在地震作用下所作的土體與結構相互作用SSI分析這一國際前沿的研究領域，取得了國內領先、國際先進的科研成果。並獲得了巴方聘請的由國際原子能機構派遣的多名權威專家的嚴格審查，最後才取得他們的一致好評，因此該項研究成果獲得了1994 年度中國核工業總公司的部級科技進步一等獎。整個恰希瑪核電工程共分四期順利的分期實施，這表明我院在採用國際標準前提下，及時吸取國際的先進經驗，在核電工程自主設計的能力上全面提升至完全成熟的新階段，其中一期工程在2007 年己獲得過國家級科技進步二等獎。
巴基斯坦恰希瑪核電廠4臺機組全景
“主持我國首座固體廢物地表處置場工程設計，獲得中廣核業主點贊”
1992 年起本人被任命為院副總工程師，開始正式主持我院土建工種的全面技術管理工作，但本人的性格是閒不住，更放不下自己心愛的具有挑戰性的專業工作。因此1995 年本人又主持了廣東中低放固體廢物北龍處置場工程的設計。它畢竟是我國首座固體廢物地表處置場，工程得按三百年監護期執行，我院過去從未涉及過類似工程的設計，面臨著高難度技術性挑戰。原來該項目的原設計方忙於其主業，在該項目中投入不力，中廣核集團迫於進度才臨時改請我院接手重新實施，因此我院沒時間緩衝準備，只能邊學邊幹匆匆上馬。
本人接手該項目就奔赴現場瞭解詳情，發現該工程現場已開挖1 年多，但個人仔細核實業主方提供的廠址水文地質資料後，在現場立即叫停了業主按原設計對場坪計劃再向下開挖40cm 落到原設定標高的決定，確保了作為處置場今後長期防洪標高應處於更合理的安全水平之上，否則今後的防洪安全性保證即可能大打折扣，而且還替業主省下一筆開挖費用。在該項目中，本人的具體工作是確定固體廢物的地表總體處置方案及工程的總平面設計，更直接承擔其中17m×17m×7m 的鋼筋混凝土處置單元的結構設計。而該工程的工藝及吊裝處理則請本院有經驗的老工程師翁明輝及鄭崇裕負責，因此中廣核業主對我院最終完成這項工程設計評價頗高。
廣東中低放固體廢物北龍處置場
“秦山三期（重水堆）核電廠工程建設中的啟示”
自巴基斯坦恰希瑪核電工程連續搞了四期及北龍處置場工程設計告一段落後，1998 年起本人趁空又主持實施了新一代(第三代)半球頂的預應力混凝土安全殼的設計研究，並於2001 年初全部完成，使國內核電廠預應力混凝土安全殼的自主設計又上了一個新臺階，繼續保持我院混凝土安全殼的自主設計處於國際先進水平之上。該研究成果直接用於當時國產化百萬千瓦級核電廠CNP1000 的我院標準設計中。
在1999 年本人還主持完成了秦山三期(重水堆)核電廠的選址及工程可行性研究報告的編制工作。此工程的核島由加拿大AECL 公司負責設計，其後工程施工中我發現對其中的土建結構照搬以往工程原設計太陳舊，如預應力混凝土安全殼的筒壁採用滑模施工，看似進度很快，但進度又不是真正關鍵控制路徑上，而內壁卻無法採用鋼內襯。但滑模施工中容易產生混凝土筒身的深大環向裂縫，光依靠內壁塗刷環氧樹脂其安全殼的洩漏率難以長期保證。其次是底板上施加了雙向預應力的設計在基岩地基上實屬雞肋，完全沒有必要，而且這次一號堆底板後張拉時出現鋼束錨頭處嚴重開裂，業主邀我出面去處理這一事故，我發現其中根本原因是國情不同所致。因為我國土建施工公司習慣按圖施工，而加方AE 公司的安全殼底板施工圖中預應力鋼束的錨頭處附近連常規的附加防裂箍筋和網片都沒設置。因為與預應力施工相關的構造配置在國外都由承擔預應力後張施工的專業公司完成的。因此我的處理意見是對一號堆的底板錨頭處裂縫用灌環氧樹脂封閉，而對二號堆底板幸虧還沒澆築混凝土，得儘快在其錨頭處補加防裂箍筋及網片加強筋。這樣倘若國內今後再有機會搞重水堆核電廠時，對其中的預應力混凝土安全殼設計的上述兩項明顯缺點務必不能照搬，即對底板可取消預應力鋼束，重新設計普通鋼筋，對混凝土安全殼得采用鋼襯裡(不採用滑模施工)。
總之對國外的設計不可過分迷信，即使是技術引進項目，也可在合同中強調對其設計圖紙，業主應有保持審核的機制，如果不聽而造成損失的則可執行索賠程序。
注：本文為連載系列之三，敬請關注下期報道“夏祖諷：我的四十五年核電生涯經歷之四：退休後返聘十八年間的工作回顧”。
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編輯發佈：《南方能源建設》編輯部 鄭文棠、李輝
期刊網站：http://energy.gedi.com.cn/
未經允許不得擅改、套用或已其他方式使用，轉載文章請聯繫告知並標明出處。《南方能源建設》（ CN44-1715/TK，ISSN 2095-8676）為南方電網傳媒有限公司主管，中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司主辦的能源行業科技期刊，2014年12月創刊，目前為全國電力優秀期刊，廣東省特色科技期刊，國家開放科學技術期刊。
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