核電廠沉積巖巖基激振試驗研究1

李 勇 鄭文棠

（廣東省電力設計研究院，廣州 510663）

核電廠沉積巖巖基激振試驗研究1

李 勇 鄭文棠

（廣東省電力設計研究院，廣州 510663）

巖基是核電廠Ⅰ、Ⅱ類物項的承載基礎，其動力參數取值對核電廠抗震設計意義重大。目前，我國核電站巖基以塊狀火成巖為主，其動力參數取值和試驗成果較少，而有關層狀巖體結構的核電站沉積巖巖基動力參數取值和試驗研究則未見報道。本文以我國首個以沉積巖為巖基的核電廠為例，基于振動基本理論，設計了自由振動和強迫振動激振實驗，并對比了垂直層理水平方向和沿層理水平方向的激振試驗結果，旨在獲得首個沉積巖核島巖基的巖基阻尼比、抗剪剛度和抗彎剛度等動力參數，以期為類似工程提供設計依據。試驗表明：由自由振動和強迫振動獲得的某核電站呈層狀巖體結構的沉積巖核島巖基動力參數相近，巖基抗壓剛度系數為 21.40—28.83MN/m3；巖基抗剪剛度系數為15.44—22.68MN/m3；巖基抗彎剛度系數為44.24—60.72MN/m3；巖基豎直向阻尼比為7.34%—7.68%；巖基水平回轉向第一振型阻尼比為7.43%—7.44%；垂直層理水平方向和沿層理水平方向試驗成果的各向異性指數為0.9%—7.5%；動力參數呈弱各向異性。試驗結果首次給出了該核電站沉積巖巖基的動力參數取值范圍，對具有相似巖基的核電廠抗震設計有較好的工程參考價值。

核電廠 沉積巖 核島巖基 激振試驗 阻尼比

引言

近年來，核電迎來了新的發展契機。我國的核電發展戰略也開始由“適度發展”向“積極發展”轉變（國家發展和改革委員會，2007）。按照目前的核電發展戰略，預計到2020年我國核電裝機容量將達到8600萬千瓦，這表明大量沿海和內陸核電站廠址的選址和規劃建設亟待開展。以往我國核電站廠址大多選擇堅硬完整的火成巖作為核電廠I、Ⅱ類物項相關的巖基（如花崗巖），其動力參數取值和抗震設計可借鑒類似核電廠的原位試驗和設計經驗。然而，隨著優良塊狀火成巖巖基的核電站廠址逐漸減少，未來我國核電廠將向內陸發展，并可能考慮不同巖性的巖基（如沉積巖、硬土等）。近年來，我國第一個采用沉積巖巖基的核電廠，由于其顯著發育緩傾角水平層理和構造節理，具有特殊的巖體結構特征，并迥異于已有的核電廠，其巖基動力試驗設計和動參數取值對我國未來的核電廠選址具有重要的工程參考價值。

在大多數情況下，可以較為容易地采用物理方法和經驗公式獲得巖基的質量和剛度，但由于很難充分地了解巖基的能量損失機理，即巖基實際的能力損失機理比單自由度方程列式所簡單假設的黏滯阻尼要復雜的多，因此需要采用激振試驗來確定一個適當的黏滯阻尼特性。這些試驗方法主要有自由振動衰減法、共振放大法、半功率法和每周共振能量損失法。由于現場激振試驗需要花費大量的人力、物力和財力，所以一般只對重要的建筑物（如核電站、大型火電廠等）進行試驗。Tang（1991）和Morisita等（1993）開展了臺灣花蓮地區及羅東地震活動區的大尺度動力試驗（Large-Scale Seismic Test），并設計了縮尺比為1∶4的核電站安全殼模型強迫振動試驗，獲得了地震情形下的硬土巖基與結構動力相互作用數據。目前，我國核電站巖基以塊狀火成巖為主，其動力參數取值和試驗成果較少，關于層狀巖體結構的核電站沉積巖巖基動力參數取值和試驗研究則未見報道，僅水利工程中有所涉及（張曉平等，2001）。本文以我國首個以沉積巖為巖基的核電廠為例（廣東省電力設計研究院，2009），基于振動基本原理設計了自由振動和強迫振動激振實驗，并對比了垂直層理水平方向和沿層理水平方向的激振試驗成果，旨在獲得首個沉積巖核島巖基的巖基阻尼比、抗剪剛度和抗彎剛度等動力參數，以期為核電廠動力計算及機器基礎的隔振設計提供試驗依據。

1 工程概述

某核電廠一期工程規劃容量為2×1000MW級CPR1000先進壓水堆機組。一期工程核島區包括核反應堆廠房（RX）及其緊鄰的核輔助廠房。核島區場地出露巖土層主要為志留系下統連灘群第五組的中部巖層，場地沉積構造環境和沉積特征主要分為前泥盆紀地槽型沉積、晚古生代地臺型沉積、中生代和新生代陸緣活動帶盆地型沉積三大類。巖性主要以強風化和中等風化粉砂巖、泥質粉砂巖及與粉砂巖和泥頁巖互層、泥頁巖三種巖性構成，呈薄層-中厚層狀。

核島區域的前期巖土工程勘察表明，沉積巖巖基中發育了緩傾角的原生層理和構造節理，具有典型的各向異性特性，與其它核電站呈完整塊狀的花崗巖巖基截然不同。其中，原生層理為沉積巖在沉積過程和成巖過程中產生的原生構造，以水平層理為主，局部出現交錯層理、卷曲狀層理，具有明顯的沉積韻律，由粉砂巖、泥質粉砂巖、泥巖頁巖組成，最小尺度單個韻律厚度為3—40cm，較大韻律厚度為150—300m，更大尺度的甚至超過500m。

核島區域內構造節理同樣發育，按其成因，以構造裂隙為主，次為風化裂隙。通過大量調查統計，可將其分為2組：①走向為100°—120°，傾向以北東向為主，傾角30°—70°，為該層主要節理；②走向為15°—40°，傾向以南東為主，傾角20°—60°。其節理玫瑰花圖如圖1所示。

核島基底標高場地揭露了中等風化粉砂巖、泥質粉砂巖、泥巖頁巖，通過定性和定量兩種方法綜合評定的場地巖基的完整程度為破碎-較破碎，質量指標為Ⅴ—Ⅳ。

顯著的層狀巖體結構特征，使該核電廠核島基巖具有特殊的動力響應特性。為此，本文分別設計了垂直層理水平方向和沿層理水平方向的自由振動和強迫振動試驗。通過研究水平和豎直方向上沉積巖基阻尼比、固有頻率、剛度系數等動力參數值及各向異性指數，以期為核電廠核設施機電設備基礎的隔振設計和抗震設計提供科學依據。

圖1 核島區域構造節理玫瑰花圖Fig. 1 Rose diagram of tectonic joints in the nuclear island

2 激振試驗設備和原理

2.1 激振試驗設備和試驗點

本文采用了中國科學院武漢巖土力學研究所的激振設備和數據采集系統，分別采用兩種振動方法：①豎直向自由振動測試；沿層理水平向自由振動測試和垂直層理水平向自由振動測試；②豎直向強迫振動測試；沿層理水平向強迫振動測試和垂直層理水平向強迫振動測試。自由振動試驗中激振設備采用20kg鐵球錘。強迫振動試驗中激振設備（變擾力）采用機械式偏心激振器，所用電機為5.5千瓦的變頻電機，工作頻率為3—50Hz，最大擾力可達50kN。位移監測系統采用891－Ⅱ型位移傳感器，數據記錄系統采用WS_USB海量數據數字記錄儀及Vib-SYS數值振動信號采集分析系統，可對振動信號進行長時間采集、時域、頻域分析以及數字信號加工等。

試驗點選擇在汽輪機廠房附近的 1#和 2#核島基巖地段，根據地質條件，基礎底面以下1#核島為中風化泥頁巖；2#核島為中風砂巖。分別預制自由振動模擬基礎及強迫振動模擬基礎各1個。其中，自由振動模擬基礎塊體尺寸為1.0m×1.0m×1.0m；強迫振動模擬基礎塊體尺寸為2.0m×1.5m×1.0m。混凝土強度等級采用C25，制作過程中加入適量鋼筋。然后，在每個試驗點分別采用自由振動和強迫振動進行測試。

2.2 自由振動原理及方法

自由振動采用20kg鐵球錘作為沖擊物，其質量為核島基礎質量的1/100—1/150。在豎向自由振動測試中，用鐵球沖擊測試基礎頂面的中心處，同時，在基礎頂面沿長度方向軸線的兩端各布置1臺豎向傳感器，量測基礎的固有頻率和最大振幅。在水平回轉自由振動測試中，用鐵球沖擊測試基礎水平軸線側面的頂部，在基礎頂面沿長度方向軸線的兩端各布置1臺豎向傳感器測點，在長度方向軸線的中心處布置1臺水平向傳感器測點，量測基礎的固有頻率和最大振幅。測試示意圖如圖2所示。

圖2 自由振動示意圖Fig. 2 Schematic diagram of free vibration

基于自由振動衰減法的自由振動試驗，是獲得黏滯阻尼比的最簡單和實用的方法，該方法使巖基產生自由振動后，通過測量相隔n周的2個位移幅值之比來確定阻尼比。則巖基水平回轉向第一振型阻尼比和豎向阻尼比ζx和ζZ、基礎豎直向振動參振總質量mz、基礎抗壓剛度K、抗壓剛度系數C和固有頻率f按式（1）—（8）計算：

式中，AX1、AX（n+1）分別為第1周和第n+1周的水平振幅；AZ1、AZ（n+1）分別為第1周和第n+1周的豎直振幅；n為自由振動的周數；Amax為基礎最大振幅；m1為鐵球的質量；v為鐵球自由下落時的速度；e1為回彈系數，其值為H1和H2比值的開方，H1、H2分別為鐵球下落、回彈高度；t0為2次沖擊的時間間隔；S0為測試基礎的底面積（m2）；I為基礎底面對通過其形心軸的慣性矩；Jc為基礎對通過其底面形心軸的轉動慣量；Ab為基礎底面的水平振幅；fnz為基礎豎向無阻尼固有頻率，fd為基礎有阻尼固有頻率。

2.3 強迫振動原理及方法

采用強迫振動方法進行豎向振動測試時，在基礎頂面沿長度方向軸線的兩端各布置1臺豎向傳感器（見圖3）。在進行水平回轉自由振動測試時，激振設備的擾力為水平向，在基礎頂面沿長度方向軸線的兩端各布置1臺豎向傳感器，在中間布置1臺水平向傳感器。

根據現場強迫振動測試結果，采用豎向強迫振動和水平回轉強迫振動來確定巖基豎向阻尼比、巖基的抗壓剛度和抗壓剛度系數，巖基水平和豎向阻尼比ζx和ζZ、基礎抗壓剛度K、抗壓剛度系數C和無阻尼固有頻率fn按式（9）—（16）計算：

圖3 強迫振動測試Fig. 3 Schematic diagram of forced vibration

式中，m0為激振設備旋轉部分的質量；e0為激振設備旋轉部分質量的偏心距，其它參數與自由振動中定義的參數相同。

3 激振試驗成果分析

表1和表2總結了某核電廠沉積巖核島基巖的豎直向、垂直層理水平方向和沿層理水平方向的自由振動試驗和強迫振動試驗結果。試驗結果給出了首例沉積巖核島巖基的動力參數，對相似的沉積巖核島巖基具有較好的參考價值，主要包括以下激振試驗結果：

（1）自由振動獲得的沉積巖巖基抗壓剛度系數為 21.40MN/m3；巖基抗剪剛度系數為15.44MN/m3；巖基抗彎剛度系數為 44.24MN/m3；巖基豎直向阻尼比為 7.34%；巖基水平回轉向第一振型阻尼比為7.44%。

（2）強迫振動獲得的巖基抗壓剛度系數為 28.83MN/m3；巖基抗剪剛度系數為22.68MN/m3；巖基抗彎剛度系數為 60.72MN/m3；巖基豎直向阻尼比為 7.68%；巖基水平回轉向第一振型阻尼比為7.43%。

（3）該核電廠沉積巖核島巖基自由振動和強迫振動獲得的動力參數相近。垂直層理水平方向和沿層理水平方向激振試驗結果的各向異性指數在0.9%—7.5%之間，表明雖然沉積巖核島巖基為層狀巖體結構，具有各向異性，但是該場地巖性多由中等風化中厚層砂巖類與泥質粉砂巖類互巖組成，沒有軟弱夾層充填，張拉裂隙多被石英脈充填，因此基巖整體性較好，激振試驗得出的動力參數呈弱各向異性。

表1 某核電廠核島巖體現場激振試驗各向異性指數Table 1 Anisotropic ratio from exciter tests on the nuclear island rockbase of a nuclear power plant

表2 某核電廠核島巖基現場激振試驗統計結果Table 2 Statistical result from exciter tests on certain nuclear island rockbase of a nuclear power plant

4 結論

本文以我國首個以沉積巖為巖基的核電廠為例，基于振動基本理論，設計了自由振動和強迫振動激振實驗，并對比了垂直層理水平方向和沿層理水平方向的激振試驗結果，旨在獲得首個沉積巖核島巖基的巖基阻尼比、抗剪剛度和抗彎剛度等動力參數，以期為類似工程提供設計依據。試驗表明：

（1）試驗首次給出了層狀巖體結構的核電站沉積巖巖基動力參數取值和試驗方法，由自由振動和強迫振動獲得的該核電站呈層狀巖體結構的沉積巖核島巖基動力參數相近，巖基抗壓剛度系數為21.40—28.83MN/m3；巖基抗剪剛度系數為15.44—22.68MN/m3；巖基抗彎剛度系數為44.24—60.72MN/m3；巖基豎直向阻尼比為7.34%—7.68%；巖基水平回轉向第一振型阻尼比為7.43%—7.44%。

（2）為分析層狀結構沉積巖巖基動力參數的各向異性指數，分別設計了垂直層理水平方向和沿層理水平方向的激振試驗，結果表明各向異性指數為0.9%—7.5%，動力參數呈弱各向異性。

（3）自由振動和強迫振動兩種方法給出的動力參數為明置基礎測試所得到的結果。當基礎為埋置時，巖基的剛度系數、阻尼比將有所增加，為此建議進行機器動力參數設計時，可按《動力機器基礎設計規范（GB 50040-96）》（中華人民共和國國家標準，1996）做相應修正。

（4）試驗結果首次給出了該核電站沉積巖巖基的動力參數取值范圍，對具有相似巖基的核電廠抗震設計有較好的工程參考價值。

廣東省電力設計研究院，2009. 某核電廠一期工程核島區初步設計階段（詳勘）巖土工程勘測報告（B版）.

國家發展和改革委員會，2007. 核電中長期發展規劃（2005—2020年）.

張曉平，吳杰芳，2001. 多點激振系統應用于模型試驗. 長江科學院院報，18（2）：51—53.

中華人民共和國國家標準，1996. 動力機器基礎設計規范（GB 50040-96）. 北京：中國計劃出版社.

Morisita H.，Tanaka H.，Nakamura N. et al.，1993. Forced vibration test of the Hualien large scale soil structure interaction model. Nuclear Engineering and Design，172（3）：273－280.

Tang H.T.，1991. The Hualien Large-Scale Seismic Test for Soil-structure Interaction Research. 11-SMIRT，K04/4，Tokyo，Japan，（8）：18－23.

Exciter Test on Sedimentary Rock Base for the Nuclear Power Plant

Li Yong and Zheng Wentang
（Guangdong Electric Power Design Institute, Guangzhou 510663, China）

As the foundation of the nuclear power plant, batholith and its dynamic parameters are of great significance for the seismic safety design. Nowadays, batholith in China nuclear power plants is mainly comprised of intact igneous rock mass and its dynamic parameters are less studied. Taking the first sedimentary batholith of China nuclear power plant for an example, we designed exciter tests of free vibration and forced vibration on parallel bedding and vertical bedding, based on the fundamental methods of vibration theory. The damping ratio,shearing rigidity and flexural rigidity of sedimentary batholith of certain nuclear island batholith of certain nuclear power plant in first state were achieved. Our results indicate that the dynamic parameters of the sedimentary nuclear island batholith of a certain nuclear power plant in first state are similar. The compressional stiffness is in 21.40—28.83MN/m3, the shear stiffness is in 15.44—22.68MN/m3, the bending rigidity is in 44.24—60.72MN/m3,the vertical damping ratio is in 7.34—7.68%, and the horizontal rotary damping ratio is in 7.43—7.44%. The dynamic parameters shows weak anisotropic indexes which are in 0.9%—7.5%. The exciter tests give the first value range of dynamic parameters of the sedimentary nuclear island batholith and they have important significance to the seismic design of other nuclear power plants with sedimentary rock base in China.

Nuclear Power Plant；Sedimentary Rock；Nuclear island rock base；Exciter test；Damping ratio

李勇，鄭文棠，2011. 核電廠沉積巖巖基激振試驗研究. 震災防御技術，6（1）：69—76.

廣東省電力設計研究院院級科標經費資助

2010-07-01

李勇，女，生于1977年。碩士，注冊巖土工程師。主要從事大型火電工程和核電工程巖土工程勘察。E-mail：liyong@gedi.com.cn

致謝：本文的試驗得到了中國科學院武漢巖土力學研究所和深圳中廣核設計有限公司的指導和協助，在此表示衷心感謝。