夏祖讽：我的四十五年核电生涯的经历之三
巴基斯坦恰希玛核电厂及其它核工程设计的回顾
夏祖讽，全国工程设计大师，核工业工业设计大师，《南方能源建设》学术委员会委员，1964年毕业于同济大学建工系，留校任教十年。1974年调入上海核工程研究设计院，参加我国核电厂秦山一期工程建设，承担预应力混凝土安全壳结构的自主设计。也主持过出口巴基斯坦的恰希玛软地基核电厂的核島结构土建设计及研究，还参与多个其他核工程的设计研发工作。曾于1992-2001年担任院副总工程师，退休后继续返聘，迄今经历核电生涯达四十五年。主要成就为核工程结构设计研究及抗震分析。曾获国家科技进步二等奖二项，部级科技进步一等奖二项。
《南方能源建设》导读
巴基斯坦恰希玛核电厂座落在巴基斯坦旁遮普平原柴尔沙漠的西北部，印度河东岸，距巴基斯坦首都伊斯兰堡280公里。恰希玛核电厂包括4台机组。其中第1号机组于1993年8月1日浇注核岛底板第一罐混凝土，2000年6月13日正式并网。第4号机组于2017年9月8日举行竣工仪式，标志着全面建成。恰希玛核电厂是中巴两国合作的结晶，被中国和巴基斯坦双方誉为“南南合作”的优秀典范，得到了国际原子能机构（IAEA）好评，为中巴两国在和平利用核能领域进一步合作奠定了扎实基础。夏祖讽设计大师自90年起，全力投入到恰希玛核电厂核岛结构在地震作用下所作的土体与结构相互作用SSI分析这一国际前沿的研究领域，取得了国内领先、国际先进的科研成果，并于2007年再次获得国家科技进步二等奖。
—EG记者 郑文棠
“首次遇到软地基，成功预测恰希玛核电厂七年后的地基沉降值，巴方大呼：夏老师，你真神了 ！”
八十年代末，根据中巴两国政府间的意向，我国将出口建造巴基斯坦恰希玛核电厂，当时二机部决定由上海核工程研究设计院来承担核岛工程设计。因此自90 年起，本人在院副总林伟贤授意下，先期全力投入到前期技术准备工作中。根据当时收到的初步资料看，拟建的恰希玛核电厂厂址位于柴尔沙漠的边缘，有深达二百米的砂性沉积土层(俗称软地基)，更兼厂址的地震烈度又高于在基岩上的秦山核电厂，因此相比原先设计过的核电工程，恰希玛核电厂设计的主要挑战就集中在我院土建工种对这种软地基如何正确控制其绝对沉降及各厂房间的相对沉降，以免管道破损，而且更要保证反应堆厂房在软地基下倾斜值比民用规范要求更严上一个数量级，以保证反应堆控制棒的自由下落不受影响而出现安全问题：此外还得开展在强地震作用下软地基与其核岛上部结构间被称作相互作用SSI分析这种高技术难度课题的攻关研究。
在合同签订前的90 年3 月，林总率领我们几个赴恰希玛核电厂厂址现场做先期调研，在去现场的车队中，巴方提供了荷枪实弹士兵的前导警卫车保护。从伊斯兰堡出发，傍晚就到达厂址相邻的巴方原委会招待所。我注意到招待所附近，恰有工人在掘一条沟渠，沟渠深达1.5米左右，可是沟两侧的土体几乎呈垂直，而没有软土地区传统的放坡，可见当地土体强度其实还不错。我马上回到招待所端来一盆水向地上一泼，并不见水一下子马上消失，甚至过了一分钟尚能见少量水留在浅坑底。可见这种砂性土中黏粒含量颇丰，这在地震时对砂性土的液化可望不必太过担心。眼见为实，这下子对当地软土地基要搞核工程的自信心大增。好像有望直接采用天然地基。至于对今后核工程的沉降控制，我利用每次随访调研的机会，向当地有经验的工程师多做请教。刚好利用一次喝咖啡休息间歇，我向一位中年工程师请教在恰希玛核电厂工地附近地区的工程如何控沉降，因为出国前我翻了手头一本权威的教科书，指出那类砂性土地基的地基基床弹簧系数大致在150 ~1000t/m? 间大范围内变化，因此比较难于把握。他高兴地说起数年前在那个地区刚好搞过些工程设计效果不错，以他的经验认为地基基床系数以400t/m? 最恰当，当时一听我就感谢他无私的友好之举，心里一想按这个设计参数意味着在今后工程设计中，我们只需把核岛底板的反力控制在20t/㎡ 以内。那么地基的最终沉降估计就可以控制在5cm 左右这一合理的工程可行性范围之内。
1990年夏祖讽和原728院副总林伟贤等赴巴基斯坦调研，与巴基斯坦专家交流情形
经过一整年的精心策划，本人心中己有一个可行的设想，但前提是院工艺布置工种必须配合调整核岛厂房布置，我向林总作了汇报并取得他的承诺。于是1991年起本人就有信心主动请缨担任恰希玛核电厂项目的土建工种实际技术牵头人，经院方同意后马上安排吕荣樑带领年轻工程师按我们土建工种的设想，在核岛厂房工艺布置上作重大调整，即对反应堆厂房设计仍维持其秦山核电厂那样基本不变，适当降低安全壳的高度，以确保恰希玛核电厂设计进度不受太大影响，且应布置在整个核岛厂房群的中心位置上，其余所有核辅助性厂房则都围绕在其四周。并把所有核岛厂房整合在同一块80m×90m的基础大筏板之上，这样大概就可控制整个大核岛地下室筏基底板上反力在20t/㎡左右，以便实现最终沉降值控制在5cm的经验值之内。同时也能有效地控制住各核岛厂房间的相对沉降处于1~2cm范围上。在93年8月恰希玛核电厂1号机组FCD前夕，巴方业主的土建部门负责人(他在我处接受过专业培训)曾先询问过我院设计的核岛结构最终沉降值，我当时就随口说出小于5cm。因为我国规范的地基沉降计算方法与巴方不同，但计算中所需巴方厂址下每层土体变形参数的勘测值总会处于一个可变的范围之内，我院可以据此适当调整每层土体参数选用值，把核岛中心处最大沉降值控制在5cm以内。
在2000年恰希玛核电厂1号机组并网前，巴方再次核实沉降值确实不足5cm，于是那个土建部门负责人到访我院时就赞扬我说：“夏老师你真神了，七年前你给出的核岛沉降值计算值，七年后果真如此。”我当时说：“谬赞了，我们只是碰巧参考了你方工程师告知的那个地区使用的经验值而己。”
不
忘
初
心
夏祖讽设计大师在巴基斯坦恰希玛
核电厂前留影
“从头学起，边学边干，攻研SSI新课题，两年多科技攻关的日夜煎熬，我的头发一下子变得花白”
我们土建工种所设想的核岛总体布置调整，虽对核岛的沉降及倾斜控制有利，但却引出土建工种自身的大难题。因为恰希玛核电厂现场处于巴基斯坦柴尔沙漠那种十分干燥炎热的气候条件下，对目前这80m×90m这么大尺度筏基的大体积混凝土施工却面临十分严峻的考验，施工方有人告诉我，他们过去在伊拉克类似地区工程施工中，现场混凝土开裂十分严重，曾遭罚款赔了很多钱。虽然经秦山混凝土安全壳工程施工，我尝到过在混凝土中掺加粉煤灰能有效减轻大体积混凝土收缩开裂的甜头，但偏偏巴基斯坦缺煤，全国找不到粉煤灰。急得我只能去上海建科所找粉煤灰专家张教授请他出招支持。正是他果断提出在巴基斯坦恰希玛核电厂现场可利用当地现成的石灰石磨细粉末代替粉煤灰，也能取得同样的效果。他更提出愿携磨粉机至现场指导加工石粉加以验证。正是这一技术措施在恰希玛核电厂中推广实施，既节省了大量水泥以减低施工成本，又同时有效地减轻了大体积混凝土的收缩裂缝。这种做法也令巴方专家自愧不如，所以他们也赞口不绝。对这次巴基斯坦恰希玛核电工程，本人在91~93 年的工作重心，主要还是依靠本人相对扎实的理论功底指导研究生王明弹，并带领顾俊康、左家红、李韶平等年轻人去执行核电厂建在非岩性软地基下的SSI分析研究这一全新的课题。
我们确实全是从头学起，边学边干，经过两年多科技攻关的日夜煎熬，我的头发一下子变得花白。终于以我院的力量为主，并在哈尔滨工程力学所张教授及同济大学王教授两团队的协作下，对核岛结构在地震作用下所作的土体与结构相互作用SSI分析这一国际前沿的研究领域，取得了国内领先、国际先进的科研成果。并获得了巴方聘请的由国际原子能机构派遣的多名权威专家的严格审查，最后才取得他们的一致好评，因此该项研究成果获得了1994 年度中国核工业总公司的部级科技进步一等奖。整个恰希玛核电工程共分四期顺利的分期实施，这表明我院在采用国际标准前提下，及时吸取国际的先进经验，在核电工程自主设计的能力上全面提升至完全成熟的新阶段，其中一期工程在2007 年己获得过国家级科技进步二等奖。
巴基斯坦恰希玛核电厂4台机组全景
“主持我国首座固体废物地表处置场工程设计，获得中广核业主点赞”
1992 年起本人被任命为院副总工程师，开始正式主持我院土建工种的全面技术管理工作，但本人的性格是闲不住，更放不下自己心爱的具有挑战性的专业工作。因此1995 年本人又主持了广东中低放固体废物北龙处置场工程的设计。它毕竟是我国首座固体废物地表处置场，工程得按三百年监护期执行，我院过去从未涉及过类似工程的设计，面临着高难度技术性挑战。原来该项目的原设计方忙于其主业，在该项目中投入不力，中广核集团迫于进度才临时改请我院接手重新实施，因此我院没时间缓冲准备，只能边学边干匆匆上马。
本人接手该项目就奔赴现场了解详情，发现该工程现场已开挖1 年多，但个人仔细核实业主方提供的厂址水文地质资料后，在现场立即叫停了业主按原设计对场坪计划再向下开挖40cm 落到原设定标高的决定，确保了作为处置场今后长期防洪标高应处于更合理的安全水平之上，否则今后的防洪安全性保证即可能大打折扣，而且还替业主省下一笔开挖费用。在该项目中，本人的具体工作是确定固体废物的地表总体处置方案及工程的总平面设计，更直接承担其中17m×17m×7m 的钢筋混凝土处置单元的结构设计。而该工程的工艺及吊装处理则请本院有经验的老工程师翁明辉及郑崇裕负责，因此中广核业主对我院最终完成这项工程设计评价颇高。
广东中低放固体废物北龙处置场
“秦山三期（重水堆）核电厂工程建设中的启示”
自巴基斯坦恰希玛核电工程连续搞了四期及北龙处置场工程设计告一段落后，1998 年起本人趁空又主持实施了新一代(第三代)半球顶的预应力混凝土安全壳的设计研究，并于2001 年初全部完成，使国内核电厂预应力混凝土安全壳的自主设计又上了一个新台阶，继续保持我院混凝土安全壳的自主设计处于国际先进水平之上。该研究成果直接用于当时国产化百万千瓦级核电厂CNP1000 的我院标准设计中。
在1999 年本人还主持完成了秦山三期(重水堆)核电厂的选址及工程可行性研究报告的编制工作。此工程的核岛由加拿大AECL 公司负责设计，其后工程施工中我发现对其中的土建结构照搬以往工程原设计太陈旧，如预应力混凝土安全壳的筒壁采用滑模施工，看似进度很快，但进度又不是真正关键控制路径上，而内壁却无法采用钢内衬。但滑模施工中容易产生混凝土筒身的深大环向裂缝，光依靠内壁涂刷环氧树脂其安全壳的泄漏率难以长期保证。其次是底板上施加了双向预应力的设计在基岩地基上实属鸡肋，完全没有必要，而且这次一号堆底板后张拉时出现钢束锚头处严重开裂，业主邀我出面去处理这一事故，我发现其中根本原因是国情不同所致。因为我国土建施工公司习惯按图施工，而加方AE 公司的安全壳底板施工图中预应力钢束的锚头处附近连常规的附加防裂箍筋和网片都没设置。因为与预应力施工相关的构造配置在国外都由承担预应力后张施工的专业公司完成的。因此我的处理意见是对一号堆的底板锚头处裂缝用灌环氧树脂封闭，而对二号堆底板幸亏还没浇筑混凝土，得尽快在其锚头处补加防裂箍筋及网片加强筋。这样倘若国内今后再有机会搞重水堆核电厂时，对其中的预应力混凝土安全壳设计的上述两项明显缺点务必不能照搬，即对底板可取消预应力钢束，重新设计普通钢筋，对混凝土安全壳得采用钢衬里(不采用滑模施工)。
总之对国外的设计不可过分迷信，即使是技术引进项目，也可在合同中强调对其设计图纸，业主应有保持审核的机制，如果不听而造成损失的则可执行索赔程序。
注：本文为连载系列之三，敬请关注下期报道“夏祖讽：我的四十五年核电生涯经历之四：退休后返聘十八年间的工作回顾”。
夏祖讽设计大师于2007年以“恰希玛核电工程技术研究设计”再次荣获国家科学技术二等奖
往期精彩回顾
初心故事|夏祖讽设计大师的四十五年核电生涯经历之二：秦山核电厂安全壳的建造回顾
——发表时间：2019年10月26日
初心故事|夏祖讽设计大师的四十五年核电生涯经历之一：秦山核电厂安全壳结构的设计回顾
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编辑发布：《南方能源建设》编辑部 郑文棠、李辉
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