非巖基廠址條件下核電廠標準化地基模型研究

李 昶, 王旭宏, 尹訓強, 楊球玉, 呂 濤, 陳立偉,劉 鋒, 朱文秀, 劉翔宇, 鄭 軒

(1. 中國核電工程有限公司, 北京 100840; 2. 大連大學建筑工程學院, 遼寧 大連 116622)

0 引言

隨著全球各國經濟的不斷發展,全球能源缺乏的問題尤為突出,核電作為一種清潔、安全和高效的能源,對經濟建設與環境保護有著積極的作用,因此,核電廠的發展是一種必然趨勢[1-3]。當前為節省核電建設成本,核電廠標準化設計方法是核電廠抗震設計中的重要手段。

美國、法國等世界核電大國均在內陸地區建有大量核電站,在機組數量和裝機容量上都超過濱海地區,因此,在不同核電廠標準設計中考慮多種軟巖及和土層地基的情況,針對不同機組建立了多種標準化設計地基模型,積累了豐富的經驗[4-5]。比如,美國核管理委員會認證的核電機組ABWR,AP1000,ESBWR,US-APWR,US-EPR以及NuScale(表1),其中,AP1000標準化地基模型的建立是基于對美國落基山脈東部和西部22座商業化核電廠廠址的調研數據,在這些核電廠中也包括了部分AP600機組。以上機組的標準化地基模型均對已有或潛在核電廠址的調研數據所提出的。由于核電廠址安全性要求高,根據IAEA核電廠廠址評價和地基的巖土工程問題安全導則,為考慮地震反應分析的目的,均采用剪切波速作為廠址分類的指標,幾乎涵蓋了從軟土、硬土、軟巖以及硬巖的范圍,剪切波速范圍約300～2 500 m/s,另外,主要的參數還包括土層厚度、動剪切模量-應變曲線(G-r)、阻尼比-應變曲線(D-r)、容重、泊松比等。

表1 不同核電機組的標準化設計地基模型概述

標準化地基模型的作用在于為核電廠抗震設計提供不同地基條件的動力學參數輸入,對于滿足地基模型條件的地基可采用標準化的核電廠設計即可滿足抗震要求。而我國在“核電走出去”戰略中自主研發的主力堆型,需要適應不同國家當地的地質條件,國內核電的主力堆型針對剪切波速大于600 m/s的巖質地質條件已經提出了標準化設計地基模型。然而,為適應不同國家當地的地質條件,對于剪切波速小于600 m/s的軟質巖和硬土廠址還需要進一步開展研究。

針對上述問題,本文基于美國在核電廠標準地基模型方面的研究成果,兼顧其他國家的相關研究進展,綜合我國實際工程場地情況,針對剪切波速小于600 m/s的軟質巖和硬土廠址地基模型開展動參數調研,并通過開展動參數對地震反應的影響規律,定義軟質巖和硬土廠址的標準化地基模型。

1 典型軟質巖和硬土廠址動參數調研分析

1.1 調研數據的采集和選取

通過開展已有和潛在廠址的現場調研,整理國內外具有完整土動力學參數實驗數據的地震安全性評價報告以及地質勘查資料等,經整理最終保留有效場址共95個,鉆孔合計403個,選取有效的鉆孔資料,如剔除多余重復鉆孔,覆蓋土層埋深較淺鉆孔等,并提取相應的土層分布的統計數據。為方便表達,在數據整理時,基于《建筑抗震設計規范》[6]將所調查的巖土樣本在剪切波速300～600 m/s的區間劃分為兩個類型:軟巖和硬土。所調研場址基本涵蓋了主要的內陸省份,包含地鐵、隧道、機場和橋梁等建筑類型的非核電場址,也包含典型的核電場址,如福建省寧德市霞浦縣600 MW示范快堆工程場址、福建省漳州核電場址、河北省滄州市海興核電核島場址、廣東省臺山常規島、泵房及管廊巖土工程場址、安徽省吉陽核電廠房工程場址等。

1.2 動力學參數統計分析

本節中主要通過所調研場址的有效鉆孔土層數據,針對容重、動剪切模量比、動泊松比、剪切波速等動力學參數進行統計分析,并給出動參數的取值范圍,為下一節的敏感性分析提供參考。

1.2.1 容重隨深度的變化規律

如圖1所示為容重隨深度的變化統計,不難看出,描述土體容重與埋深間的關系相關性不大,均值線大約位于20 kN/m3位置,隨著深度的增加離散程度也沒有明顯的變化,因此,舍棄偏差較大的離散點,容重的變化范圍約為18.0～22.0 kN/m3。

1.2.2 動剪切模量比和阻尼比

土的動剪切模量比G/Gmax和阻尼比D是土動力學特性中除剪切波速以外的另外兩個重要參數[7]。本文以埋深為統計依據,每10 m為一個統計區間,在剔除離散較大的數據后將樣本進行均值化處理。從調研數據中發現,G/Gmax-r和阻尼比D-r的變化曲線隨埋深變化較小,因此,將敏感性較低的埋深區間進行合并分層處理,選取了三種分層方案,即:(1) GD1剖面分層方案,劃分為四個分區,0～20 m,20～40 m,40～60 m,以及60 m以上;(2) GD2剖面分層方案,劃分為三個分區,0～20 m,20～60 m,以及60 m以上;(3) GD3剖面分層方案,不劃分分區。三種不同分層模型的G/Gmax-r與D-r變化曲線如圖2所示。

圖1 容重隨深度的變化統計Fig.1 Statistics of changes in bulk density with depth

1.2.3 動泊松比的變化規律

本文的動參數調研中,大部分的數據來源于地震安全性評價報告,大約十幾個場址來源于實際核電廠址的地質勘查資料,其中,在各個場址的地震安全性評價報告中,土層動力反應中基本為一維模型,因此,在動參數中很少涉及到動泊松比的選取,導致參數調研中的動泊松比的樣本數據較少,在數據統計分析中規律性較小。表2所示為動泊松比隨埋深變化統計,可以發現,動泊松比的變化基本0.34～0.37區間內,均值為0.35。在后續的二維或三維的核島結構-地基的動力相互作用分析中,動泊松比可以在0.3～0.4范圍內進行敏感性分析,獲取動泊松比的影響規律,從而確定標準化地基模型的參數取值。

圖2 各分層模型的動剪切模量比和阻尼比均值擬合曲線Fig.2 Fitting curve of the mean value of dynamic shear modulus ratio and damping ratio of each hierarchical model

表2 動泊松比隨埋深變化統計值

1.2.4 剪切波速隨深度的變化規律

由于所調研的場址比較分散,導致土樣種類較多,各土層的組成隨機性較大,因此不分土的種類并按覆蓋土層剪切波速的分布進行統計分析。如圖3所示調研場址剪切波速的分布,可以得出:土層的剪切波速隨著土層埋深的增加呈現出增加的趨勢,剪切波速隨深度的分布大部分集中在400～600 m/s區間。

圖3 調研場址剪切波速的分布Fig.3 Distribution of shear wave velocity at survey sites

為評價土體分層與深度的關系對土體剪切波速變化的影響,將調研場址的土層剪切波速按照基礎底面的剪切波速進行歸一化分析處理,如圖4所示,歸一化后剪切波速基本處于無量綱1～2之間,隨著基巖深度的增加,即土層深度的增大,歸一化剪切波速的雖然也有增大的趨勢,但是變化幅度較小,在基巖深度100 m(圖中紅色直線),以及更深的150 m處,也很少出現大于無量綱2的情況。基于此,為包含大部分的潛在場址條件,在地基模型中將包括廣泛的材料屬性及土層剖面特性,初步定義五種類型共9個典型的剪切波速剖面特征曲線,其中包含了“硬土”場地模型(常數和線性變化2種)、“硬土(上限)”場地模型(線性和拋物線變化2種),“硬土-軟巖”場地模型(雙折線和拋物線變化2種),“軟巖”場地模型(線性變化2種),“深厚土層”場地模型(1種),由于所調研場址的土層樣本的基巖深度大多在100 m以內,因此,初步定義的地基模型取100 m作為假想基巖面位置。其中,將剪切波速最低下限值300 m/s作為“硬土”模型的下包絡線,考慮了常數和線性變化2種;“硬土(上限)”場地模型主要針對基巖深度大于50 m區間的場址在隨著深度的增加時,剪切波速雖有增加,但往往無法達到地表剪切波速的2倍,將硬土的上限剪切波速500 m/s作為該種模型的參考值;“硬土-軟巖”場地模型主要針對基巖深度位于30～50 m區間場址,基于調研結果,此類模型中歸一化剪切波速從地表隨深度變化至約50 m處能增大至少1倍;“軟巖”場地模型將所定義的軟巖的剪切波速下限值500 m/s作為此類模型的參考值;“深厚土層”場地模型主要基于調研數據,在基巖深度大于100 m的區間,還有部分深厚土層的場址,基巖深度達到了200 m以上,此種類型的剪切波速在0～100 m區間的變化趨勢與“硬土”場地模型類似。

圖4 初步定義標準設計地基模型的剖面特征曲線Fig.4 Preliminary definition of profile characteristic curve of standard design foundation model

2 典型軟質巖和硬土廠址動參數分析

綜合評價地基模型的合理適用性的考量指標主要包括最大加速度隨深度變化與加速度反應譜。基于ANSYS軟件采用APDL進行參數化建模,采用SuperFLUSH/2D Ver6.0軟件[8]進行土層地震反應分析,分別對G/Gmax-r與D-r曲線、容重以及剪切波速隨深度分布進行敏感性分析。其中,土層地震反應分析模型中的土層非線性特征采用等效線性法來模擬,而邊界條件設置為黏性人工邊界,地震動則通過等效節點荷載施加,地震輸入采用美國改進NRC R.G.1.60標準反應譜對應的時程,如圖5所示,基巖峰值加速度設計值取0.30g。另外,在計算中,基巖剪切波速取2 000 m/s,基巖容重取24.0 kN/m3。

圖5 改進型RG1.60地震波時程曲線Fig.5 Seismic wave time history curve based on the improved RG1.60

2.1 G/Gmax-r與D-r曲線的影響分析

本節依據調研數據的統計分析,考慮了3種不同的G/Gmax-r與D-r曲線取值,分別為2.2.2節所述的GD1、GD2、GD3分層模型曲線,在計算中,土層的容重取19.0 kN/m3,由于各地基模型所得的規律基本一致,為節省篇幅,本文僅列出M1_YT-2的相關結果曲線圖。

從圖6所示的M1_YT-2地基模型不同關系曲線工況下水平X向最大加速度隨深度變化來看,依據三種分層模型(GD1、GD2、GD3)曲線計算的最大加速度隨深度的變化規律基本一致,但在數值上,GD1與GD2兩個分層模型的數值相差不大,地表的峰值加速度分別為0.31g與0.31g,然而,GD3模型由于沒有考慮埋深的影響,將所有的G/Gmax-r與D-r曲線做均值化處理,因此,導致淺層場地的剛度較大,從而從埋深50 m左右開始,GD3模型的變形較小,在地表處的峰值加速度為0.29g,與其他兩個模型有一定的差異。水平Y向的最大加速度分布規律基本類似,GD1、GD2及GD3三個分層模型的地表加速度分別為0.32g、0.32g及0.29g。

圖6 不同關系曲線工況下M1_YT-2最大加速度隨深度變化曲線Fig.6 Variation curve of the maximum acceleration of M1_YT-2 with depth under different relationship curve conditions

由于不同阻尼比情況下的加速度反應譜變化趨勢基本相同,因此在本文中僅給出5%阻尼比下地表處的加速度反應譜峰值隨不同G/Gmax-r與D-r關系曲線(GD)的變化曲線,如圖7所示。

圖7 不同關系曲線工況下M1_YT-2地表處加速度反應譜變化曲線Fig.7 Variation curve of acceleration response spectrum at M1_YT-2 surface under different relationship curve conditions

從圖7所示M1_YT-2地基模型水平X向地表處加速度反應譜隨不同關系曲線的變化曲線來看,依據GD1、GD2分層模型曲線計算的加速度反應譜結果趨勢大致相同,而GD3模型的計算結果在變化趨勢上雖然與前述兩模型大體一致,且峰值處于[0.2 s,1.2 s]周期,但在數值上有一定的差別,三種模型的峰值加速度均出現在0.570 s,分別為0.95g、0.95g及0.89g。水平Y向的加速度反應譜的變化規律基本類似,三種模型的峰值加速度均出現在0.560 s,分別為1.02g、1.02g及0.95g。

綜上所述,GD1與GD2分層模型工況下最大加速度隨深度的變化、加速度反應譜的變化規律及數值都基本吻合,而GD3模型雖然與上述兩模型的變化規律大體一致,但是對于部分地基模型在數值上還是有較大差異,因此,為考慮埋深影響且簡化計算,選取GD2分層模型的G/Gmax-r與D-r曲線作為地基模型的參數輸入。

2.2 容重的影響分析

本節主要針對地基模型的容重進行敏感性分析,在計算中,依據調研報告中所推薦的容重變化范圍18.0～22.0 kN/m3,考慮了5種不同的容重取值,分別為18.0、19.0、20.0、21.0及22.0 kN/m3,并選取GD2分層模型的G/Gmax-r與D-r曲線。

從圖8所示的M1_YT-2地基模型不同關系曲線工況下水平X向最大加速度隨深度變化來看,依據5種不同容重模型[P(18)、P(19)、P(20)、P(21)、P(22)]曲線計算的最大加速度隨深度的變化規律基本一致,但在數值上,M1_YT_2_X_P(18)、M1_YT_2_X_P(19)、M1_YT_2_X_P (20)、M1_YT_2_X_P(21)與M1_YT_2_X_P (22) 5個模型的數值相差不大,地表的峰值加速度均為0.31g。水平Y向的最大加速度分布規律基本類似,M1_ZYT_X_P(18) 模型的數值略大,地表的峰值加速度均為0.32g,其余4種計算模型地表的峰值加速度均為0.31g。

圖8 不同容重條件下M1_YT-2最大加速度隨深度變化曲線Fig.8 Variation curve of the maximum acceleration of M1_YT-2 with depth under different bulk density conditions

從圖9所示M1_YT-2地基模型水平X向地表處加速度反應譜隨不同關系曲線的變化曲線來看,依據5種不同容重模型曲線計算的加速度反應譜結果趨勢大致相同,變化趨勢上大體一致,且峰值處于[0.1 s,1.0 s]周期,但在數值上有一定的差別,5種模型的峰值加速度均出現在0.570 s,分別為0.952g、0.948g、0.943g、0.939g及0.933g。水平Y向的加速度反應譜的變化規律基本類似,5種模型的峰值加速度均出現在0.560 s,分別為1.022g、1.019g、1.017g及1.013g,1.011g。

綜上所述,不同容重工況下最大加速度隨深度的變化、加速度反應譜的變化規律都基本吻合,雖然隨著容重的增大,所得峰值加速度、加速度反應譜等有減小的趨勢,但是變化幅度并不大。因此,選取容重為20.0 kN/m3作為地基模型的參數輸入。

2.3 剪切波速沿深度分布的影響分析

本節主要針對9種初步定義標準地基模型的剪切波速剖面特征進行計算分析,研究初步定義的地基模型是否存在類似或包絡的動參數變化規律,在計算中選取GD2分層模型的G/Gmax-r與D-r曲線,選取容重為20.0 kN/m3。

圖9 不同容重工況下M1_YT-2地表處加速度反應譜變化曲線Fig.9 Variation curve of acceleration response spectrum at M1_YT-2 surface under different bulk density conditions

從圖10所示的不同剪切波速沿深度分布條件下地基模型不同關系曲線工況下水平X向最大加速度隨深度變化來看,依據9種不同剪切波速模型(M1～M5)曲線計算的最大加速度隨深度的變化規律相差較大,在數值上也有差異,M1_YT-1、M1_YT-2、M2_YT(SX)-1、M2_YT(SX)-2、M3_YR-1、M3_YR-2、M4_RT-1、M4_RT-2及M5-SHT的峰值加速度分別為0.26g、0.30g、0.40g、0.41g、0.42g、0.40g、0.41g、0.41g及0.33g,水平Y向的最大加速度分布規律基本類似,M3_YR-1 模型的數值略大,地表的峰值加速度為0.53g,其余M1_YT-1、M1_YT-2、M2_YT(SX)-1、M2_YT(SX)-2、M3_YR-2、M4_RT-1、M4_RT-2、M5-SHT,8種計算模型地表的峰值加速度分別為0.19g、0.30g、0.41g、0.47g、0.53g、0.47g、0.47g及0.31g。

如圖11所示的不同地基模型的地表峰值加速度譜值水平X向隨關系曲線(剪切波速),整體來看,9種地基模型的加速度反應譜峰值覆蓋了0.5～10 Hz較寬的頻率范圍,其中,M1系列的“硬土”地基模型與M5“深厚土”地基模型的峰值頻率主要出現在低頻段(0.2～1 Hz);而M4系列的“軟巖”地基模型的峰值頻率則更偏向于高頻段。

圖10 不同剪切波速沿深度分布條件下最大加速度隨深度變化曲線Fig.10 Variation curve of the maximum acceleration with depth under different distribution of shear wave velocity along depth

從數值上來看,M3地基模型則相對較大,M5地基模型相對較小,例如,M1～M9地基模型工況條件下的峰值加速度分別為0.83g、0.94g、1.43g、1.67g、1.70g、1.56g、1.46g、1.52g及1.03g。從圖12所示水平Y向的地震激勵下的地表峰值變化與水平X向基本一致,M1_ZYT地基模型在M1～M5 地基模型工況下的峰值加速度分別為0.72g、1.02g、1.42g、1.67g、1.95g、1.77g、1.62g、1.48g及0.89g。

從類似地基模型的反應譜來看,M5_SHT地基模型由于下臥土層的影響,使峰值頻率要低于M1_YT-2地基模型,而兩種模型的加速度反應譜基本能將M1_YT-1地基模型包絡,只是有個別的頻率有超出部分(小于0.05g),對于設計響應不會有顯著的影響;M2-YT(SX)-1硬土(上限)-線性地基模型與M2-YT(SX)-2拋物線模型在反應譜分布與數值上還是有一定的差別,由于典型的砂土場地的剪切波速一般為曲線變化而不是線性變化,另外,M2-YT(SX)-2拋物線地基模型的反應譜在大部分頻率也能包絡M2-YT(SX)-1模型,因此,在標準化地基模型中,選取M2-YT(SX)-2拋物線地基模型為“硬土(上限)”場地模型;雙折線模型與拋物線模型的加速度反應譜在變化趨勢基本類似,尤其在2 Hz以下的頻率基本吻合,在大于2 Hz的頻段內,除個別頻率點外,M3-YR-1(雙折線)地基模型的反應譜基本能包絡M3-YR-2(拋物線)地基模型,由于此類模型中,埋深50～100 m區間內,兩種模型的剪切波速變化范圍基本一致,主要的區別在上部區域,雖然拋物線模型能較好反映出土層的剛度變化,但是在此類模型中總體上對地震響應影響較小;“軟巖”場地模型的對比,不難發現,兩種模型的加速度反應譜在變化趨勢基本吻合,在數值上,除個別頻率點外,M4-RY-2(上包線)地基模型的反應譜基本能包絡M4-RY-1地基模型。

圖11 不同剪切波速沿深度分布條件下地表處加速度反應譜變化曲線對比Fig.11 Comparison between acceleration response spectrum curves at the surface under different shear wave velocity distribution along depth

3 非巖基廠址標準化設計地基模型的定義

初步定義的不同地基模型在最大加速度隨深度的變化、加速度反應譜的變化規律存在較大的差異,并且加速度反應譜的峰值頻率基本能覆蓋0.5～10 Hz較寬的頻率范圍。其中,“硬土”地基模型(M1-YT-2)與“深厚土層”地基模型(M5-SHT)能控制包絡土層的低頻地震響應;“硬土(上限)-拋物線”地基模型(M2-YT(SX)-2)能較好反映剪切波速為300～500 m/s范圍內硬土場地的動力特性;“硬土-軟巖”場地模型兩種模型在低頻段基本吻合,但在較高頻段內M3-YR-1地基模型的加速度反應譜的控制包絡更好;“軟巖”場地模型的加速度反應譜的變化規律基本一致,但M4-RY-2地基模型能控制包絡大部分的頻率范圍。

基于上述分析,依據核電廠標準化設計和地震反應分析需求,剪切波速不小于300 m/s(重點為300～600 m/s范圍)軟質巖和硬土廠址條件下的核電廠標準化地基模型可劃分為五種,即“硬土”(M1_YT)、“硬土(上限)”(M2-YT(SX))、“硬土-軟巖” (M3-YR)、“軟巖”(M4-RY)以及“深厚土層”(M5_SHT),其剖面特征曲線如圖12所示。

圖12 標準設計地基模型的剖面特征曲線Fig.12 Profile characteristic curve of standard design foundation model

其他動力參數分別為:土層容重為20.0 kN/m3,GD2分層模型的G/Gmax-r與D-r曲線作為地基模型的參數輸入,取埋深100 m作為假想基巖面位置(M5-深厚土層模型取200 m),基巖剪切波速取2 000 m/s,基巖容重取24.0 kN/m3。

4 結論

(1) 軟質巖和硬土廠址條件下核電廠標準化地基模型的提出需基于潛在核電廠址的調研數據,并以剪切波速vS作為分類的指標,考慮土體非線性動力特征的影響;

(2) 通過對國內外典型廠址動參數的統計歸納初步定義地基模型,進而以土層地震反應分析為手段,對初步定義模型的動參數進行了敏感性分析,確定了GD2分層模型作為土體的G/Gmax-r與D-r曲線,容重為20.0 kN/m3,依據初步地基模型的剪切波速剖面的相似性及包絡性,最終定義了非巖基廠址條件下核電廠標準化地基模型。

(3) 現階段提出的標準化地基模型中還未考慮核島上部結構的影響,因此,在特定核電機組的標準化設計中,還需考慮土體-核島結構動力相互作用,最終確定適用于該機組的標準化地基模型。