核電廠沉積巖巖基激振試驗(yàn)研究1

李 勇 鄭文棠

（廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣州 510663）

核電廠沉積巖巖基激振試驗(yàn)研究1

李 勇 鄭文棠

（廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣州 510663）

巖基是核電廠Ⅰ、Ⅱ類物項(xiàng)的承載基礎(chǔ)，其動(dòng)力參數(shù)取值對核電廠抗震設(shè)計(jì)意義重大。目前，我國核電站巖基以塊狀火成巖為主，其動(dòng)力參數(shù)取值和試驗(yàn)成果較少，而有關(guān)層狀巖體結(jié)構(gòu)的核電站沉積巖巖基動(dòng)力參數(shù)取值和試驗(yàn)研究則未見報(bào)道。本文以我國首個(gè)以沉積巖為巖基的核電廠為例，基于振動(dòng)基本理論，設(shè)計(jì)了自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)激振實(shí)驗(yàn)，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(yàn)結(jié)果，旨在獲得首個(gè)沉積巖核島巖基的巖基阻尼比、抗剪剛度和抗彎剛度等動(dòng)力參數(shù)，以期為類似工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)。試驗(yàn)表明：由自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)獲得的某核電站呈層狀巖體結(jié)構(gòu)的沉積巖核島巖基動(dòng)力參數(shù)相近，巖基抗壓剛度系數(shù)為 21.40—28.83MN/m3；巖基抗剪剛度系數(shù)為15.44—22.68MN/m3；巖基抗彎剛度系數(shù)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(zhuǎn)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(yàn)成果的各向異性指數(shù)為0.9%—7.5%；動(dòng)力參數(shù)呈弱各向異性。試驗(yàn)結(jié)果首次給出了該核電站沉積巖巖基的動(dòng)力參數(shù)取值范圍，對具有相似巖基的核電廠抗震設(shè)計(jì)有較好的工程參考價(jià)值。

核電廠 沉積巖 核島巖基 激振試驗(yàn) 阻尼比

引言

近年來，核電迎來了新的發(fā)展契機(jī)。我國的核電發(fā)展戰(zhàn)略也開始由“適度發(fā)展”向“積極發(fā)展”轉(zhuǎn)變（國家發(fā)展和改革委員會(huì)，2007）。按照目前的核電發(fā)展戰(zhàn)略，預(yù)計(jì)到2020年我國核電裝機(jī)容量將達(dá)到8600萬千瓦，這表明大量沿海和內(nèi)陸核電站廠址的選址和規(guī)劃建設(shè)亟待開展。以往我國核電站廠址大多選擇堅(jiān)硬完整的火成巖作為核電廠I、Ⅱ類物項(xiàng)相關(guān)的巖基（如花崗巖），其動(dòng)力參數(shù)取值和抗震設(shè)計(jì)可借鑒類似核電廠的原位試驗(yàn)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。然而，隨著優(yōu)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(nèi)陸發(fā)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(gè)采用沉積巖巖基的核電廠，由于其顯著發(fā)育緩傾角水平層理和構(gòu)造節(jié)理，具有特殊的巖體結(jié)構(gòu)特征，并迥異于已有的核電廠，其巖基動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)計(jì)和動(dòng)參數(shù)取值對我國未來的核電廠選址具有重要的工程參考價(jià)值。

在大多數(shù)情況下，可以較為容易地采用物理方法和經(jīng)驗(yàn)公式獲得巖基的質(zhì)量和剛度，但由于很難充分地了解巖基的能量損失機(jī)理，即巖基實(shí)際的能力損失機(jī)理比單自由度方程列式所簡單假設(shè)的黏滯阻尼要復(fù)雜的多，因此需要采用激振試驗(yàn)來確定一個(gè)適當(dāng)?shù)酿枘崽匦浴＿@些試驗(yàn)方法主要有自由振動(dòng)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(xiàn)場激振試驗(yàn)需要花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，所以一般只對重要的建筑物（如核電站、大型火電廠等）進(jìn)行試驗(yàn)。Tang（1991）和Morisita等（1993）開展了臺灣花蓮地區(qū)及羅東地震活動(dòng)區(qū)的大尺度動(dòng)力試驗(yàn)（Large-Scale Seismic Test），并設(shè)計(jì)了縮尺比為1∶4的核電站安全殼模型強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)，獲得了地震情形下的硬土巖基與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用數(shù)據(jù)。目前，我國核電站巖基以塊狀火成巖為主，其動(dòng)力參數(shù)取值和試驗(yàn)成果較少，關(guān)于層狀巖體結(jié)構(gòu)的核電站沉積巖巖基動(dòng)力參數(shù)取值和試驗(yàn)研究則未見報(bào)道，僅水利工程中有所涉及（張曉平等，2001）。本文以我國首個(gè)以沉積巖為巖基的核電廠為例（廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，2009），基于振動(dòng)基本原理設(shè)計(jì)了自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)激振實(shí)驗(yàn)，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(yàn)成果，旨在獲得首個(gè)沉積巖核島巖基的巖基阻尼比、抗剪剛度和抗彎剛度等動(dòng)力參數(shù)，以期為核電廠動(dòng)力計(jì)算及機(jī)器基礎(chǔ)的隔振設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 工程概述

某核電廠一期工程規(guī)劃容量為2×1000MW級CPR1000先進(jìn)壓水堆機(jī)組。一期工程核島區(qū)包括核反應(yīng)堆廠房（RX）及其緊鄰的核輔助廠房。核島區(qū)場地出露巖土層主要為志留系下統(tǒng)連灘群第五組的中部巖層，場地沉積構(gòu)造環(huán)境和沉積特征主要分為前泥盆紀(jì)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(dòng)帶盆地型沉積三大類。巖性主要以強(qiáng)風(fēng)化和中等風(fēng)化粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及與粉砂巖和泥頁巖互層、泥頁巖三種巖性構(gòu)成，呈薄層-中厚層狀。

核島區(qū)域的前期巖土工程勘察表明，沉積巖巖基中發(fā)育了緩傾角的原生層理和構(gòu)造節(jié)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(chǎn)生的原生構(gòu)造，以水平層理為主，局部出現(xiàn)交錯(cuò)層理、卷曲狀層理，具有明顯的沉積韻律，由粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖頁巖組成，最小尺度單個(gè)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(qū)域內(nèi)構(gòu)造節(jié)理同樣發(fā)育，按其成因，以構(gòu)造裂隙為主，次為風(fēng)化裂隙。通過大量調(diào)查統(tǒng)計(jì)，可將其分為2組：①走向?yàn)?00°—120°，傾向以北東向?yàn)橹鳎瑑A角30°—70°，為該層主要節(jié)理；②走向?yàn)?5°—40°，傾向以南東為主，傾角20°—60°。其節(jié)理玫瑰花圖如圖1所示。

核島基底標(biāo)高場地揭露了中等風(fēng)化粉砂巖、泥質(zhì)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(zhì)量指標(biāo)為Ⅴ—Ⅳ。

顯著的層狀巖體結(jié)構(gòu)特征，使該核電廠核島基巖具有特殊的動(dòng)力響應(yīng)特性。為此，本文分別設(shè)計(jì)了垂直層理水平方向和沿層理水平方向的自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)。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(shù)等動(dòng)力參數(shù)值及各向異性指數(shù)，以期為核電廠核設(shè)施機(jī)電設(shè)備基礎(chǔ)的隔振設(shè)計(jì)和抗震設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 核島區(qū)域構(gòu)造節(jié)理玫瑰花圖Fig. 1 Rose diagram of tectonic joints in the nuclear island

2 激振試驗(yàn)設(shè)備和原理

2.1 激振試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)點(diǎn)

本文采用了中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所的激振設(shè)備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分別采用兩種振動(dòng)方法：①豎直向自由振動(dòng)測試；沿層理水平向自由振動(dòng)測試和垂直層理水平向自由振動(dòng)測試；②豎直向強(qiáng)迫振動(dòng)測試；沿層理水平向強(qiáng)迫振動(dòng)測試和垂直層理水平向強(qiáng)迫振動(dòng)測試。自由振動(dòng)試驗(yàn)中激振設(shè)備采用20kg鐵球錘。強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)中激振設(shè)備（變擾力）采用機(jī)械式偏心激振器，所用電機(jī)為5.5千瓦的變頻電機(jī)，工作頻率為3—50Hz，最大擾力可達(dá)50kN。位移監(jiān)測系統(tǒng)采用891－Ⅱ型位移傳感器，數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)采用WS_USB海量數(shù)據(jù)數(shù)字記錄儀及Vib-SYS數(shù)值振動(dòng)信號采集分析系統(tǒng)，可對振動(dòng)信號進(jìn)行長時(shí)間采集、時(shí)域、頻域分析以及數(shù)字信號加工等。

試驗(yàn)點(diǎn)選擇在汽輪機(jī)廠房附近的 1#和 2#核島基巖地段，根據(jù)地質(zhì)條件，基礎(chǔ)底面以下1#核島為中風(fēng)化泥頁巖；2#核島為中風(fēng)砂巖。分別預(yù)制自由振動(dòng)模擬基礎(chǔ)及強(qiáng)迫振動(dòng)模擬基礎(chǔ)各1個(gè)。其中，自由振動(dòng)模擬基礎(chǔ)塊體尺寸為1.0m×1.0m×1.0m；強(qiáng)迫振動(dòng)模擬基礎(chǔ)塊體尺寸為2.0m×1.5m×1.0m?；炷翉?qiáng)度等級采用C25，制作過程中加入適量鋼筋。然后，在每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分別采用自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)進(jìn)行測試。

2.2 自由振動(dòng)原理及方法

自由振動(dòng)采用20kg鐵球錘作為沖擊物，其質(zhì)量為核島基礎(chǔ)質(zhì)量的1/100—1/150。在豎向自由振動(dòng)測試中，用鐵球沖擊測試基礎(chǔ)頂面的中心處，同時(shí)，在基礎(chǔ)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(chǔ)的固有頻率和最大振幅。在水平回轉(zhuǎn)自由振動(dòng)測試中，用鐵球沖擊測試基礎(chǔ)水平軸線側(cè)面的頂部，在基礎(chǔ)頂面沿長度方向軸線的兩端各布置1臺豎向傳感器測點(diǎn)，在長度方向軸線的中心處布置1臺水平向傳感器測點(diǎn)，量測基礎(chǔ)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(dòng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of free vibration

基于自由振動(dòng)衰減法的自由振動(dòng)試驗(yàn)，是獲得黏滯阻尼比的最簡單和實(shí)用的方法，該方法使巖基產(chǎn)生自由振動(dòng)后，通過測量相隔n周的2個(gè)位移幅值之比來確定阻尼比。則巖基水平回轉(zhuǎn)向第一振型阻尼比和豎向阻尼比ζx和ζZ、基礎(chǔ)豎直向振動(dòng)參振總質(zhì)量mz、基礎(chǔ)抗壓剛度K、抗壓剛度系數(shù)C和固有頻率f按式（1）—（8）計(jì)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(dòng)的周數(shù)；Amax為基礎(chǔ)最大振幅；m1為鐵球的質(zhì)量；v為鐵球自由下落時(shí)的速度；e1為回彈系數(shù)，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(shí)間間隔；S0為測試基礎(chǔ)的底面積（m2）；I為基礎(chǔ)底面對通過其形心軸的慣性矩；Jc為基礎(chǔ)對通過其底面形心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ab為基礎(chǔ)底面的水平振幅；fnz為基礎(chǔ)豎向無阻尼固有頻率，fd為基礎(chǔ)有阻尼固有頻率。

2.3 強(qiáng)迫振動(dòng)原理及方法

采用強(qiáng)迫振動(dòng)方法進(jìn)行豎向振動(dòng)測試時(shí)，在基礎(chǔ)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(jìn)行水平回轉(zhuǎn)自由振動(dòng)測試時(shí)，激振設(shè)備的擾力為水平向，在基礎(chǔ)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(jù)現(xiàn)場強(qiáng)迫振動(dòng)測試結(jié)果，采用豎向強(qiáng)迫振動(dòng)和水平回轉(zhuǎn)強(qiáng)迫振動(dòng)來確定巖基豎向阻尼比、巖基的抗壓剛度和抗壓剛度系數(shù)，巖基水平和豎向阻尼比ζx和ζZ、基礎(chǔ)抗壓剛度K、抗壓剛度系數(shù)C和無阻尼固有頻率fn按式（9）—（16）計(jì)算：

圖3 強(qiáng)迫振動(dòng)測試Fig. 3 Schematic diagram of forced vibration

式中，m0為激振設(shè)備旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量；e0為激振設(shè)備旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量的偏心距，其它參數(shù)與自由振動(dòng)中定義的參數(shù)相同。

3 激振試驗(yàn)成果分析

表1和表2總結(jié)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(dòng)試驗(yàn)和強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果給出了首例沉積巖核島巖基的動(dòng)力參數(shù)，對相似的沉積巖核島巖基具有較好的參考價(jià)值，主要包括以下激振試驗(yàn)結(jié)果：

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

（2）強(qiáng)迫振動(dòng)獲得的巖基抗壓剛度系數(shù)為 28.83MN/m3；巖基抗剪剛度系數(shù)為22.68MN/m3；巖基抗彎剛度系數(shù)為 60.72MN/m3；巖基豎直向阻尼比為 7.68%；巖基水平回轉(zhuǎn)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(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)獲得的動(dòng)力參數(shù)相近。垂直層理水平方向和沿層理水平方向激振試驗(yàn)結(jié)果的各向異性指數(shù)在0.9%—7.5%之間，表明雖然沉積巖核島巖基為層狀巖體結(jié)構(gòu)，具有各向異性，但是該場地巖性多由中等風(fēng)化中厚層砂巖類與泥質(zhì)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(yàn)得出的動(dòng)力參數(shù)呈弱各向異性。

表1 某核電廠核島巖體現(xiàn)場激振試驗(yàn)各向異性指數(shù)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(xiàn)場激振試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical result from exciter tests on certain nuclear island rockbase of a nuclear power plant

4 結(jié)論

本文以我國首個(gè)以沉積巖為巖基的核電廠為例，基于振動(dòng)基本理論，設(shè)計(jì)了自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)激振實(shí)驗(yàn)，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(yàn)結(jié)果，旨在獲得首個(gè)沉積巖核島巖基的巖基阻尼比、抗剪剛度和抗彎剛度等動(dòng)力參數(shù)，以期為類似工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)。試驗(yàn)表明：

（1）試驗(yàn)首次給出了層狀巖體結(jié)構(gòu)的核電站沉積巖巖基動(dòng)力參數(shù)取值和試驗(yàn)方法，由自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)獲得的該核電站呈層狀巖體結(jié)構(gòu)的沉積巖核島巖基動(dòng)力參數(shù)相近，巖基抗壓剛度系數(shù)為21.40—28.83MN/m3；巖基抗剪剛度系數(shù)為15.44—22.68MN/m3；巖基抗彎剛度系數(shù)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(zhuǎn)向第一振型阻尼比為7.43%—7.44%。

（2）為分析層狀結(jié)構(gòu)沉積巖巖基動(dòng)力參數(shù)的各向異性指數(shù)，分別設(shè)計(jì)了垂直層理水平方向和沿層理水平方向的激振試驗(yàn)，結(jié)果表明各向異性指數(shù)為0.9%—7.5%，動(dòng)力參數(shù)呈弱各向異性。

（3）自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)兩種方法給出的動(dòng)力參數(shù)為明置基礎(chǔ)測試所得到的結(jié)果。當(dāng)基礎(chǔ)為埋置時(shí)，巖基的剛度系數(shù)、阻尼比將有所增加，為此建議進(jìn)行機(jī)器動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，可按《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50040-96）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，1996）做相應(yīng)修正。

（4）試驗(yàn)結(jié)果首次給出了該核電站沉積巖巖基的動(dòng)力參數(shù)取值范圍，對具有相似巖基的核電廠抗震設(shè)計(jì)有較好的工程參考價(jià)值。

廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，2009. 某核電廠一期工程核島區(qū)初步設(shè)計(jì)階段（詳勘）巖土工程勘測報(bào)告（B版）.

國家發(fā)展和改革委員會(huì)，2007. 核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005—2020年）.

張曉平，吳杰芳，2001. 多點(diǎn)激振系統(tǒng)應(yīng)用于模型試驗(yàn). 長江科學(xué)院院報(bào)，18（2）：51—53.

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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(yàn)研究. 震災(zāi)防御技術(shù)，6（1）：69—76.

廣東省電力設(shè)計(jì)研究院院級科標(biāo)經(jīng)費(fèi)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(yàn)得到了中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所和深圳中廣核設(shè)計(jì)有限公司的指導(dǎo)和協(xié)助，在此表示衷心感謝。