運行核電設施在爆破振動激勵下新安全標準探討

郭濤，謝全民，劉強，范磊，沈蔚

(1.解放軍理工大學野戰工程學院，南京 210007;2.武漢軍械士官學校，武漢 430075)

運行核電設施在爆破振動激勵下新安全標準探討

郭濤1，謝全民2，劉強1，范磊1，沈蔚1

(1.解放軍理工大學野戰工程學院，南京 210007;2.武漢軍械士官學校，武漢 430075)

針對我國核電基地即將或正在擴建、而前端基礎開挖所用爆破產生的振動危害效應會威脅核電設施安全問題，基于分形理論開展核電擴建工程中爆破振動新安全標準探討，研究成果對進一步規范、約束在運行核電設施附近實施工程爆破方法具有指導意義，為制定國家核電安全規劃及確保我國核電安全、高效發展奠定重要基礎。

爆破振動;核電設施;安全標準;分形

據我國《核電發展專題規劃(2005－2020年)》，未來13年將新投產2300萬千瓦核電站，標志大量核電新建、擴建工程逐步展開，其基礎開挖多采用爆破方法。近年來隨爆破基礎理論不斷突破、計算機技術廣泛運用、爆破器材迅速革新及施工機械化、自動化水平提高，精細爆破理論基礎與技術條件取得較大進展［1］，爆破質量及安全已有一定提高，但仍難完全實現對炸藥爆炸能量釋放過程的精確控制，致工程爆破在實現預期工程目的時會有一部分爆炸能量轉化為危害對周圍環境產生不利影響，其中以振動危害效應為主，直接威脅運行核電設施安全。

運行核電設施結構所處位置與附近擴建工程中爆破施工產生的地震波作用范圍重合概率較大。相對新建核電站爆破施工及一般工程爆破施工而言，在已運行或正進行試運行的核電機組附近進行爆破施工時，為確保核島、常規島、主控機房、網控樓等重要核電設施的安全，須對爆破振動效應提出非常嚴格的控制要求［2］。

考慮到核電施工中爆區環境的復雜性、爆破作用次數多重性、作用方向隨機性及爆破地震波傳播場地介質多樣性，使爆破振動對運行核電設施影響非常復雜。本文提出一套基于分形理論的爆破振動安全標準，并通過核電擴建工程中大量實測數據對該標準科學、合理性進行充分驗證，研究成果對進一步規范、約束在運行核電設施附近實施工程爆破的方法具有指導意義，為制定國家核電安全規劃及確保我國核電安全、高效發展奠定重要基礎。

1 爆破振動安全判據現狀分析

爆破振動安全標準一直為研究熱點。國際有德國的DIN4標準、美國的爆破振動安全標準(礦業局(USMBE)及露天礦復墾處(OSMRE)標準)、芬蘭標準及瑞典標準等。均對本國建(構)筑物結構、質量、國家整體發展水平等制定相應標準，作為安全管理準則。

我國爆破振動安全普遍采用GB6722－1986標準。該標準為以爆后介質點最大振速作為安全判據。大量工程實例表明，僅用質點振速峰值表示地震動強度遠遠不夠，爆破振動頻率也會對爆破安全產生較大影響［3］。考慮爆破振動頻率對振動效應影響，新的爆破安全規程(GB6722－2003)采用振速－主頻聯合判據。該判據考慮不同頻率成分的爆破振動分量對結構影響程度差別，以主振頻率作為安全判據的重要指標，對于硐室大爆破等主頻率較低、頻率構成相對集中的爆破振動危害較有效;但對布藥分散的工程爆破，由于爆破振動主頻高，且頻帶較寬，與結構自振頻率接近的振動分量方對結構起主要破壞作用，而爆破地震動主頻率對其所致危害程度并非具有重要作用，而與爆破振動頻率分布特征密切相關。另外，振動持時作用亦不容忽視［4］。

為使我國工程爆破振動安全控制標準與國際接軌，需進一步開展相關研究，制定更科學合理、簡便實用、可操作性強的新標準。

2 爆破振動信號分形特征

2.1 分形維數計算模型

爆破振動信號為雙尺度，即縱向振動幅度及橫向時間尺度［2，5］。設爆破振動時程曲線S∈R2，將曲線覆蓋的平面R×R劃分為盡量小網格k(σ1×σ2)(k=1，2，3，…為網格放大倍數)。圖1為用一個基本步長k (σ1×σ2)的矩形覆蓋分析信號，并統計對應尺度下有效覆蓋網格數Nkσ。

圖1 標度δ下總盒數Nkσ(k=1，Nkσ=45)Fig.1 Total number of boxes under measure

設所有與S相交的網格數為Nkσi，在矩形盒覆蓋情況下振動曲線盒維數定義［5－8］為

對爆破振動信號這種無函數描述的無規則分形體，只在其無標度區［9］內才具有分形維數。Dσ1×σ2可通過在無標度區內作(－log(Nkσi)，log(Nkσi))(i=1或2)雙對數擬合曲線斜率求得。

據分析及矩形盒維數定義，在無標度區內－log(kσi)與－log(Nkσi)滿足線性回歸方程，即

式中:Nkσi=［(max(s(h))－min(s(h))/kσ2］+ φ(rem)(max(s(h))－min(s(h))，kσ2))，h∈(1，n)，n為采樣點數，φ(x)取值:x＞0，φ=1;x=0，φ=0，rem(u，v)為u與v相除的余數。

由于盒維數D是線性式(2)斜率的相反數，在σi值確定的情況下由log(Nkσi)與log(kσi)關系唯一確定。

2.2 矩形盒尺寸確定

考慮分形特性無標度特性要求［5，9］，矩形盒尺寸k(σ1×σ2)可據式(1)及爆破振動信號幅值A確定。其中矩形盒寬度kσ1最大不能超過振動信號半周期寬度T/2(半周期T/2由振動波形曲線最高峰值所在波峰的半周期曲線與基準線交點確定)。矩形盒高度kσ2最小值不能小于整個分析信號相鄰數據點間最小非零幅值差ΔAmin，kσ2不應大于信號最高峰值Amax。k為矩形盒放大倍數。爆破振動測試信號為離散采樣信號，采樣時間間隔Δt為有限值，同時其波形表示方式是將兩相鄰數據點用線段連接，取σ1＜Δt無意義，因此k= 1;為體現振動曲線的周期性，矩形盒寬度最大不超過半個主振周期，可確定k的最大取值k=［T/2Δt］+1 (中括弧表示取整)。

2.3 爆破振動信號分形維數計算

確定矩形盒尺寸σ2及k的取值范圍后，據式(1)、式(2)，經Matlab編程可在確定的無標度區間內統計出每個k值條件下該尺寸大小的矩形盒覆蓋爆破振動曲線盒數量Nkσi，再將對應的－log(kσi)與log(Nkσi)進行線性擬合獲得參量D，b。

實測爆破振動信號見圖2。圖3為圖2中－log(kσi)，log(Nkσi)擬合曲線，其方程為

該爆破振動信號的盒維數D=1.301 7，b= 2.356 8。

表1為田灣核電擴建工程中爆破振動監測實驗數據及相應爆破振動信號的分形維數計算結果。數據分析表明，實驗所有采集的爆破振動信號分形維數值均處于［1，2］之間，符合分形理論中分形曲線分形維數定義及特征要求［9］。并通過大量爆破振動實測數據分析結果驗證爆破振動時程曲線具有分形特征的結論可信、無疑。

圖2 實測爆破振動信號sFig.2 Measured blasting vibration signal

圖3 －log(kσ2)～log(Nkσ2)關系曲線Fig.3 Relationship of－log(kσ2)～log(Nkσ2)

表1 爆破振動測試數據Tab.1 Test data of blasting vibration

3 基于分形理論的爆破振動安全標準探討

由于研究已充分證明爆破振動信號具有分形特征。因此嘗試建立基于分形理論的爆破振動新安全標準。定義參數:①vc為質點振動速度，可采用薩氏公式計算;②vcr為臨界速度，即確保建(構)筑物安全的質點速度，由現場實測獲得;③vf為計頻速度，即考慮頻率影響的質點振動速度;④vt為計持時速度，即考慮振動持續時間的質點振動速度;⑤Dx為分形影響系數;⑥Df為頻率影響分形系數;⑦Dt為振動持時影響分形系數。

為在爆破振動安全標準中體現出質點振動速度、頻率、持時三要素影響，引入折合速度，即，

式中:Dx為分形影響系數，受頻率影響分形系數Df及振動持時影響分形系數Df綜合影響。即

當質點振動速度vc較小、爆破地震波能量尚不足使結構進入塑性階段時，爆破振動持時對結構不會有明顯的破壞作用，且爆破振動持時往往較短，對結構破壞作用不突出，可近似處理Dt≈1，僅考察頻率因素對爆破振動安全標準影響，此時折合速度為計頻速度，即

按未考慮振動頻率對安全標準造成影響，若vc＜vcr，爆破振動不會對設施物產生破壞作用。由式(6)知，vc＜vf，即未考慮振動頻率影響的質點振動速度小于考慮頻率影響的質點振動速度。由于以前爆破振動安全標準忽略該因素，可能導致即使滿足vc＜vcr，建(構)筑物卻發生破壞現象。因此，應對現行安全標準進行修正并提出新的爆破振動安全標準。為確保工程爆破安全，須采用計頻速度vf與臨界速度vcr進行比較，判別爆破振動是否安全。

只有當滿足vf＜vcr條件時，才能確保爆破安全。為確保爆破施工過程中的爆破安全，聯合式(6)可知，應該滿足條件

式中:vs=vcr/Df稱為計頻允許振速。

當vc＜vs時，即地面質點振動速度只有在小于計頻允許振速條件下，才不會產生爆破振動危害效應。此可作為判別爆破振動安全的新標準。分析國內外最新研究成果［4，10］并結合本文實驗所得大量爆破振動測試數據分析結果，可獲得受頻率影響分形系數Df與振動頻率f之關系，見表2。

表2 Df與f關系Tab.2 Relationship of Df～f

田灣核電站建設規模為8臺百萬千瓦級壓水堆核電機組，1－2號機組已投入運行，目前正進行3－4號機組基坑爆破開挖。考慮1－2號機組及周邊設施已建成，5－6號機組土建施工也同時展開，擴建工程周邊需保護的對象多、距離近、環境復雜，見圖4。因此如何控制3－4號機組基礎爆破開挖時產生的地震動效應對1－2號機組正運行核電設施的危害影響，同時確保運行核電機組的安全穩定運營成為核電集團、爆破施工單位、安全管理主管部門等共同面臨的重大技術難題。

由于目前尚未從根本上認識爆破地震波作用時運營狀態下常規島、主控機房、網控樓、氣象站等主要核電設施的振動響應機理和破壞模式，缺乏足夠的相關理論分析及可信的數值計算成果，難以定量評估核電擴建工程中爆破施工對正運行核電設施結構安全穩定性造成的影響程度。因此，僅能在較大安全系數前提下，以限制爆破作業范圍、降低施工進度為代價，對核電擴建工程中爆破作業范圍、一次齊爆藥量等進行嚴格控制。該站3－4號機組基坑爆破開挖時爆破振動安全控制主要通過現場試驗并結合薩道夫斯基公式得到臨界速度值，見表3。

隨核電擴建工程不斷推進，以前的爆破振動安全標準已不能滿足需要，須進行安全修正。核電擴建爆破工程產生的主振頻率一般較小，約20 Hz。據表1取Df=1.2。據式(7)獲得可靠計頻允許振速，見表4。據此判據，可確保田灣核電站擴建工程的爆破施工安全。

表3 田灣核電站石方爆破最大允許振速Tab.3 Maximum allowable quantity and blasting vibration velocity in Tianwan nuclear power station blasting

表4 田灣核電站石方爆破現行最大允許振速Tab.4 Current maximum allowable quantity and blasting vibration velocity in Tianwan nuclear power station blasting

當質點振動速度vc足以使結構進入塑性階段、且爆破振動持時到幾秒情況下，爆破振動破壞效應會非常嚴重。持時較長的爆破振動作用可能使已在強振中進入塑性狀態甚至破壞的結構在持續爆破地震動作用下因疲勞而加劇破壞甚至倒塌。爆破振動持時在地震波對結構破壞起關鍵性作用。此時Dt≠1，通過大量爆破振動測試數據統計分析結果，可得受振動持時影響的分形系數Dt與振動持時t之關系，見表5。鑒于爆破的總裝藥量及雷管段數是決定爆破地震動持時的主要因素，在爆破工程實踐中應據爆破現場條件及周圍環境合理進行爆破方案設計并優化，嚴格控制總裝藥量、雷管段數，有效控制爆破地震動的持續作用時間，達到減小爆破振動危害效應目的，確保爆破安全。

表5 Dt與t關系Tab.5 Relationship of Df～t

4 結論

(1)考慮爆破振動信號具有分形特征，為能在運行核電設施在爆破振動激勵下的安全標準中體現出質點振動速度、頻率、持時三要素影響，在分形影響系數基礎上引入折合速度vz作為爆破振動安全評判的新標準，為使我國工程爆破振動安全控制標準與國際接軌奠定了一定基礎。

(2)通過田灣核電爆破施工中大量實驗測試數據統計結果獲得受頻率影響分形系數Df與振動頻率f之關系、振動持時影響分形系數Dt與振動持時t之關系。通過工程監測實驗數據表明基于分形理論的爆破振動安全標準科學、合理，具有較好的工程應用前景。

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New safety standards for running nuclear power facilities under blasting vibration

GUO Tao1，XIE Quan－min2，LIU Qiang1，FAN Lei1，SHEN Wei1
(1.College of Field Engineering，PLA Univ.of Sci.＆Tech.，Nanjing 210007，China; 2.Wuhan Ordance N.C.O Academy of PLA，Wuhan 430075，China)

The safety control of running nuclear power facilities inspired by blasting seismic wave is an important subject relating the safety of nuclear power plants.China is building or extending nuclear power bases，and blasting methods will be widely used in front－end foundation excavation，and blasting danger will threaten the safety of running nuclear power facilities.New safety standards against blasting vibration，applicable in nuclear power expansion projects was discussed based on the fractal theory.The results have guiding significance in further standardizing and restraining engineering blasting implementation nearby the running nuclear power facilities and will lay important basis to work out the national planning and ensure the safety of nuclear power plants in China.

blasting vibration;nuclear power facilities;safety standards;fractal

TD235.1;O384

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.02.004

國家自然科學基金資助(51208508);國家自然科學基金資助(51204071)

2013－08－26修改稿收到日期:2013－11－15

郭濤男，博士生，1978年5月生郵箱:guotaogu@sina.com