運(yùn)行核電設(shè)施在爆破振動(dòng)激勵(lì)下新安全標(biāo)準(zhǔn)探討

郭濤，謝全民，劉強(qiáng)，范磊，沈蔚

(1.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京 210007;2.武漢軍械士官學(xué)校，武漢 430075)

運(yùn)行核電設(shè)施在爆破振動(dòng)激勵(lì)下新安全標(biāo)準(zhǔn)探討

郭濤1，謝全民2，劉強(qiáng)1，范磊1，沈蔚1

(1.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京 210007;2.武漢軍械士官學(xué)校，武漢 430075)

針對(duì)我國(guó)核電基地即將或正在擴(kuò)建、而前端基礎(chǔ)開(kāi)挖所用爆破產(chǎn)生的振動(dòng)危害效應(yīng)會(huì)威脅核電設(shè)施安全問(wèn)題，基于分形理論開(kāi)展核電擴(kuò)建工程中爆破振動(dòng)新安全標(biāo)準(zhǔn)探討，研究成果對(duì)進(jìn)一步規(guī)范、約束在運(yùn)行核電設(shè)施附近實(shí)施工程爆破方法具有指導(dǎo)意義，為制定國(guó)家核電安全規(guī)劃及確保我國(guó)核電安全、高效發(fā)展奠定重要基礎(chǔ)。

爆破振動(dòng);核電設(shè)施;安全標(biāo)準(zhǔn);分形

據(jù)我國(guó)《核電發(fā)展專題規(guī)劃(2005－2020年)》，未來(lái)13年將新投產(chǎn)2300萬(wàn)千瓦核電站，標(biāo)志大量核電新建、擴(kuò)建工程逐步展開(kāi)，其基礎(chǔ)開(kāi)挖多采用爆破方法。近年來(lái)隨爆破基礎(chǔ)理論不斷突破、計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛運(yùn)用、爆破器材迅速革新及施工機(jī)械化、自動(dòng)化水平提高，精細(xì)爆破理論基礎(chǔ)與技術(shù)條件取得較大進(jìn)展［1］，爆破質(zhì)量及安全已有一定提高，但仍難完全實(shí)現(xiàn)對(duì)炸藥爆炸能量釋放過(guò)程的精確控制，致工程爆破在實(shí)現(xiàn)預(yù)期工程目的時(shí)會(huì)有一部分爆炸能量轉(zhuǎn)化為危害對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響，其中以振動(dòng)危害效應(yīng)為主，直接威脅運(yùn)行核電設(shè)施安全。

運(yùn)行核電設(shè)施結(jié)構(gòu)所處位置與附近擴(kuò)建工程中爆破施工產(chǎn)生的地震波作用范圍重合概率較大。相對(duì)新建核電站爆破施工及一般工程爆破施工而言，在已運(yùn)行或正進(jìn)行試運(yùn)行的核電機(jī)組附近進(jìn)行爆破施工時(shí)，為確保核島、常規(guī)島、主控機(jī)房、網(wǎng)控樓等重要核電設(shè)施的安全，須對(duì)爆破振動(dòng)效應(yīng)提出非常嚴(yán)格的控制要求［2］。

考慮到核電施工中爆區(qū)環(huán)境的復(fù)雜性、爆破作用次數(shù)多重性、作用方向隨機(jī)性及爆破地震波傳播場(chǎng)地介質(zhì)多樣性，使爆破振動(dòng)對(duì)運(yùn)行核電設(shè)施影響非常復(fù)雜。本文提出一套基于分形理論的爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)核電擴(kuò)建工程中大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)、合理性進(jìn)行充分驗(yàn)證，研究成果對(duì)進(jìn)一步規(guī)范、約束在運(yùn)行核電設(shè)施附近實(shí)施工程爆破的方法具有指導(dǎo)意義，為制定國(guó)家核電安全規(guī)劃及確保我國(guó)核電安全、高效發(fā)展奠定重要基礎(chǔ)。

1 爆破振動(dòng)安全判據(jù)現(xiàn)狀分析

爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)一直為研究熱點(diǎn)。國(guó)際有德國(guó)的DIN4標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)的爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)(礦業(yè)局(USMBE)及露天礦復(fù)墾處(OSMRE)標(biāo)準(zhǔn))、芬蘭標(biāo)準(zhǔn)及瑞典標(biāo)準(zhǔn)等。均對(duì)本國(guó)建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、國(guó)家整體發(fā)展水平等制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，作為安全管理準(zhǔn)則。

我國(guó)爆破振動(dòng)安全普遍采用GB6722－1986標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)為以爆后介質(zhì)點(diǎn)最大振速作為安全判據(jù)。大量工程實(shí)例表明，僅用質(zhì)點(diǎn)振速峰值表示地震動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，爆破振動(dòng)頻率也會(huì)對(duì)爆破安全產(chǎn)生較大影響［3］?？紤]爆破振動(dòng)頻率對(duì)振動(dòng)效應(yīng)影響，新的爆破安全規(guī)程(GB6722－2003)采用振速－主頻聯(lián)合判據(jù)。該判據(jù)考慮不同頻率成分的爆破振動(dòng)分量對(duì)結(jié)構(gòu)影響程度差別，以主振頻率作為安全判據(jù)的重要指標(biāo)，對(duì)于硐室大爆破等主頻率較低、頻率構(gòu)成相對(duì)集中的爆破振動(dòng)危害較有效;但對(duì)布藥分散的工程爆破，由于爆破振動(dòng)主頻高，且頻帶較寬，與結(jié)構(gòu)自振頻率接近的振動(dòng)分量方對(duì)結(jié)構(gòu)起主要破壞作用，而爆破地震動(dòng)主頻率對(duì)其所致危害程度并非具有重要作用，而與爆破振動(dòng)頻率分布特征密切相關(guān)。另外，振動(dòng)持時(shí)作用亦不容忽視［4］。

為使我國(guó)工程爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際接軌，需進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究，制定更科學(xué)合理、簡(jiǎn)便實(shí)用、可操作性強(qiáng)的新標(biāo)準(zhǔn)。

2 爆破振動(dòng)信號(hào)分形特征

2.1 分形維數(shù)計(jì)算模型

爆破振動(dòng)信號(hào)為雙尺度，即縱向振動(dòng)幅度及橫向時(shí)間尺度［2，5］。設(shè)爆破振動(dòng)時(shí)程曲線S∈R2，將曲線覆蓋的平面R×R劃分為盡量小網(wǎng)格k(σ1×σ2)(k=1，2，3，…為網(wǎng)格放大倍數(shù))。圖1為用一個(gè)基本步長(zhǎng)k (σ1×σ2)的矩形覆蓋分析信號(hào)，并統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)尺度下有效覆蓋網(wǎng)格數(shù)Nkσ。

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

設(shè)所有與S相交的網(wǎng)格數(shù)為Nkσi，在矩形盒覆蓋情況下振動(dòng)曲線盒維數(shù)定義［5－8］為

對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)這種無(wú)函數(shù)描述的無(wú)規(guī)則分形體，只在其無(wú)標(biāo)度區(qū)［9］內(nèi)才具有分形維數(shù)。Dσ1×σ2可通過(guò)在無(wú)標(biāo)度區(qū)內(nèi)作(－log(Nkσi)，log(Nkσi))(i=1或2)雙對(duì)數(shù)擬合曲線斜率求得。

據(jù)分析及矩形盒維數(shù)定義，在無(wú)標(biāo)度區(qū)內(nèi)－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(diǎn)數(shù)，φ(x)取值:x＞0，φ=1;x=0，φ=0，rem(u，v)為u與v相除的余數(shù)。

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

2.2 矩形盒尺寸確定

考慮分形特性無(wú)標(biāo)度特性要求［5，9］，矩形盒尺寸k(σ1×σ2)可據(jù)式(1)及爆破振動(dòng)信號(hào)幅值A(chǔ)確定。其中矩形盒寬度kσ1最大不能超過(guò)振動(dòng)信號(hào)半周期寬度T/2(半周期T/2由振動(dòng)波形曲線最高峰值所在波峰的半周期曲線與基準(zhǔn)線交點(diǎn)確定)。矩形盒高度kσ2最小值不能小于整個(gè)分析信號(hào)相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)間最小非零幅值差ΔAmin，kσ2不應(yīng)大于信號(hào)最高峰值A(chǔ)max。k為矩形盒放大倍數(shù)。爆破振動(dòng)測(cè)試信號(hào)為離散采樣信號(hào)，采樣時(shí)間間隔Δt為有限值，同時(shí)其波形表示方式是將兩相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)用線段連接，取σ1＜Δt無(wú)意義，因此k= 1;為體現(xiàn)振動(dòng)曲線的周期性，矩形盒寬度最大不超過(guò)半個(gè)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(dòng)信號(hào)分形維數(shù)計(jì)算

確定矩形盒尺寸σ2及k的取值范圍后，據(jù)式(1)、式(2)，經(jīng)Matlab編程可在確定的無(wú)標(biāo)度區(qū)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)出每個(gè)k值條件下該尺寸大小的矩形盒覆蓋爆破振動(dòng)曲線盒數(shù)量Nkσi，再將對(duì)應(yīng)的－log(kσi)與log(Nkσi)進(jìn)行線性擬合獲得參量D，b。

實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)見(jiàn)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(dòng)信號(hào)的盒維數(shù)D=1.301 7，b= 2.356 8。

表1為田灣核電擴(kuò)建工程中爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相應(yīng)爆破振動(dòng)信號(hào)的分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果。數(shù)據(jù)分析表明，實(shí)驗(yàn)所有采集的爆破振動(dòng)信號(hào)分形維數(shù)值均處于［1，2］之間，符合分形理論中分形曲線分形維數(shù)定義及特征要求［9］。并通過(guò)大量爆破振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果驗(yàn)證爆破振動(dòng)時(shí)程曲線具有分形特征的結(jié)論可信、無(wú)疑。

圖2 實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)sFig.2 Measured blasting vibration signal

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

表1 爆破振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of blasting vibration

3 基于分形理論的爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)探討

由于研究已充分證明爆破振動(dòng)信號(hào)具有分形特征。因此嘗試建立基于分形理論的爆破振動(dòng)新安全標(biāo)準(zhǔn)。定義參數(shù):①vc為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，可采用薩氏公式計(jì)算;②vcr為臨界速度，即確保建(構(gòu))筑物安全的質(zhì)點(diǎn)速度，由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得;③vf為計(jì)頻速度，即考慮頻率影響的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度;④vt為計(jì)持時(shí)速度，即考慮振動(dòng)持續(xù)時(shí)間的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度;⑤Dx為分形影響系數(shù);⑥D(zhuǎn)f為頻率影響分形系數(shù);⑦Dt為振動(dòng)持時(shí)影響分形系數(shù)。

為在爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)中體現(xiàn)出質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、頻率、持時(shí)三要素影響，引入折合速度，即，

式中:Dx為分形影響系數(shù)，受頻率影響分形系數(shù)Df及振動(dòng)持時(shí)影響分形系數(shù)Df綜合影響。即

當(dāng)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度vc較小、爆破地震波能量尚不足使結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段時(shí)，爆破振動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)不會(huì)有明顯的破壞作用，且爆破振動(dòng)持時(shí)往往較短，對(duì)結(jié)構(gòu)破壞作用不突出，可近似處理Dt≈1，僅考察頻率因素對(duì)爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)影響，此時(shí)折合速度為計(jì)頻速度，即

按未考慮振動(dòng)頻率對(duì)安全標(biāo)準(zhǔn)造成影響，若vc＜vcr，爆破振動(dòng)不會(huì)對(duì)設(shè)施物產(chǎn)生破壞作用。由式(6)知，vc＜vf，即未考慮振動(dòng)頻率影響的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度小于考慮頻率影響的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。由于以前爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)忽略該因素，可能導(dǎo)致即使?jié)M足vc＜vcr，建(構(gòu))筑物卻發(fā)生破壞現(xiàn)象。因此，應(yīng)對(duì)現(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正并提出新的爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)。為確保工程爆破安全，須采用計(jì)頻速度vf與臨界速度vcr進(jìn)行比較，判別爆破振動(dòng)是否安全。

只有當(dāng)滿足vf＜vcr條件時(shí)，才能確保爆破安全。為確保爆破施工過(guò)程中的爆破安全，聯(lián)合式(6)可知，應(yīng)該滿足條件

式中:vs=vcr/Df稱為計(jì)頻允許振速。

當(dāng)vc＜vs時(shí)，即地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度只有在小于計(jì)頻允許振速條件下，才不會(huì)產(chǎn)生爆破振動(dòng)危害效應(yīng)。此可作為判別爆破振動(dòng)安全的新標(biāo)準(zhǔn)。分析國(guó)內(nèi)外最新研究成果［4，10］并結(jié)合本文實(shí)驗(yàn)所得大量爆破振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果，可獲得受頻率影響分形系數(shù)Df與振動(dòng)頻率f之關(guān)系，見(jiàn)表2。

表2 Df與f關(guān)系Tab.2 Relationship of Df～f

田灣核電站建設(shè)規(guī)模為8臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電機(jī)組，1－2號(hào)機(jī)組已投入運(yùn)行，目前正進(jìn)行3－4號(hào)機(jī)組基坑爆破開(kāi)挖?？紤]1－2號(hào)機(jī)組及周邊設(shè)施已建成，5－6號(hào)機(jī)組土建施工也同時(shí)展開(kāi)，擴(kuò)建工程周邊需保護(hù)的對(duì)象多、距離近、環(huán)境復(fù)雜，見(jiàn)圖4。因此如何控制3－4號(hào)機(jī)組基礎(chǔ)爆破開(kāi)挖時(shí)產(chǎn)生的地震動(dòng)效應(yīng)對(duì)1－2號(hào)機(jī)組正運(yùn)行核電設(shè)施的危害影響，同時(shí)確保運(yùn)行核電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)成為核電集團(tuán)、爆破施工單位、安全管理主管部門等共同面臨的重大技術(shù)難題。

由于目前尚未從根本上認(rèn)識(shí)爆破地震波作用時(shí)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下常規(guī)島、主控機(jī)房、網(wǎng)控樓、氣象站等主要核電設(shè)施的振動(dòng)響應(yīng)機(jī)理和破壞模式，缺乏足夠的相關(guān)理論分析及可信的數(shù)值計(jì)算成果，難以定量評(píng)估核電擴(kuò)建工程中爆破施工對(duì)正運(yùn)行核電設(shè)施結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性造成的影響程度。因此，僅能在較大安全系數(shù)前提下，以限制爆破作業(yè)范圍、降低施工進(jìn)度為代價(jià)，對(duì)核電擴(kuò)建工程中爆破作業(yè)范圍、一次齊爆藥量等進(jìn)行嚴(yán)格控制。該站3－4號(hào)機(jī)組基坑爆破開(kāi)挖時(shí)爆破振動(dòng)安全控制主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并結(jié)合薩道夫斯基公式得到臨界速度值，見(jiàn)表3。

隨核電擴(kuò)建工程不斷推進(jìn)，以前的爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足需要，須進(jìn)行安全修正。核電擴(kuò)建爆破工程產(chǎn)生的主振頻率一般較小，約20 Hz。據(jù)表1取Df=1.2。據(jù)式(7)獲得可靠計(jì)頻允許振速，見(jiàn)表4。據(jù)此判據(jù)，可確保田灣核電站擴(kuò)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(xiàn)行最大允許振速Tab.4 Current maximum allowable quantity and blasting vibration velocity in Tianwan nuclear power station blasting

當(dāng)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度vc足以使結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段、且爆破振動(dòng)持時(shí)到幾秒情況下，爆破振動(dòng)破壞效應(yīng)會(huì)非常嚴(yán)重。持時(shí)較長(zhǎng)的爆破振動(dòng)作用可能使已在強(qiáng)振中進(jìn)入塑性狀態(tài)甚至破壞的結(jié)構(gòu)在持續(xù)爆破地震動(dòng)作用下因疲勞而加劇破壞甚至倒塌。爆破振動(dòng)持時(shí)在地震波對(duì)結(jié)構(gòu)破壞起關(guān)鍵性作用。此時(shí)Dt≠1，通過(guò)大量爆破振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，可得受振動(dòng)持時(shí)影響的分形系數(shù)Dt與振動(dòng)持時(shí)t之關(guān)系，見(jiàn)表5。鑒于爆破的總裝藥量及雷管段數(shù)是決定爆破地震動(dòng)持時(shí)的主要因素，在爆破工程實(shí)踐中應(yīng)據(jù)爆破現(xiàn)場(chǎng)條件及周圍環(huán)境合理進(jìn)行爆破方案設(shè)計(jì)并優(yōu)化，嚴(yán)格控制總裝藥量、雷管段數(shù)，有效控制爆破地震動(dòng)的持續(xù)作用時(shí)間，達(dá)到減小爆破振動(dòng)危害效應(yīng)目的，確保爆破安全。

表5 Dt與t關(guān)系Tab.5 Relationship of Df～t

4 結(jié)論

(1)考慮爆破振動(dòng)信號(hào)具有分形特征，為能在運(yùn)行核電設(shè)施在爆破振動(dòng)激勵(lì)下的安全標(biāo)準(zhǔn)中體現(xiàn)出質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、頻率、持時(shí)三要素影響，在分形影響系數(shù)基礎(chǔ)上引入折合速度vz作為爆破振動(dòng)安全評(píng)判的新標(biāo)準(zhǔn)，為使我國(guó)工程爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際接軌奠定了一定基礎(chǔ)。

(2)通過(guò)田灣核電爆破施工中大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果獲得受頻率影響分形系數(shù)Df與振動(dòng)頻率f之關(guān)系、振動(dòng)持時(shí)影響分形系數(shù)Dt與振動(dòng)持時(shí)t之關(guān)系。通過(guò)工程監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明基于分形理論的爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)、合理，具有較好的工程應(yīng)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，F(xiàn)AN 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(guó)家自然科學(xué)基金資助(51208508);國(guó)家自然科學(xué)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