核電廠巖體阻尼比測(cè)試的一種新方法的應(yīng)用

□劉 濤 汪史威 王 棟

一、引言

阻尼比是核電廠巖土工程勘察中需要提供的一個(gè)重要的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)，是反映巖土體在地震動(dòng)力學(xué)作用下應(yīng)力—應(yīng)變特性的主要指標(biāo)，也是核電廠場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。

在《巖土工程試驗(yàn)監(jiān)測(cè)手冊(cè)》中提供了原位測(cè)試阻尼比的方法——跨孔波速測(cè)試法，即在跨孔波速測(cè)試孔內(nèi)測(cè)試阻尼比，該方法具有操作簡(jiǎn)便，能保持巖土體原有狀態(tài)不受擾動(dòng)，且能測(cè)試深層巖土體的相關(guān)參數(shù)的特點(diǎn)，是一種比較好的測(cè)試巖土體阻尼比參數(shù)的方法。自2006年，中國核電工程有限公司(原核工業(yè)第二研究設(shè)計(jì)院)將跨孔法測(cè)阻尼比應(yīng)用于核電廠巖土工程勘察中以來，取得了良好的效果[1]，為此，在中國核電工程有限公司主編的《核電廠巖土工程勘察規(guī)范》(GB 51041-2014)中，要求在核電廠設(shè)計(jì)階段勘察中采用該方法取得核島區(qū)巖土體的動(dòng)力學(xué)參數(shù)(包括阻尼比)，并作為強(qiáng)制性條文執(zhí)行——“設(shè)計(jì)階段勘察應(yīng)在反應(yīng)堆廠房位置進(jìn)行跨孔法波速測(cè)試[2]”。

目前，核電廠設(shè)計(jì)階段巖土工程勘察中采用的跨孔波速測(cè)試方法是在按一定間距成直線排列的三個(gè)鉆孔中進(jìn)行，文中簡(jiǎn)稱“雙跨法”，每個(gè)核島僅在反應(yīng)堆廠房布置1組(3孔)跨孔波速測(cè)試孔，通過該方法獲得的阻尼比值的測(cè)試數(shù)據(jù)無法得到檢驗(yàn)，而且在地層厚度變化較大的情況下，3個(gè)鉆孔內(nèi)同一測(cè)試高度可能位于不同風(fēng)化程度的巖層中，按風(fēng)化程度統(tǒng)計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)，會(huì)存在偏差。有另一種跨孔波速測(cè)試法也可以取得阻尼比值，且可彌補(bǔ)上述“雙跨法”的不足，該方法在文中稱為“單跨法”，是在按一定間距排列的兩個(gè)鉆孔中進(jìn)行，如在上述“雙跨法”測(cè)試孔內(nèi)進(jìn)行，則可測(cè)得兩組阻尼比值，兩組數(shù)據(jù)可相互驗(yàn)證，而且兩個(gè)鉆孔內(nèi)同一高度位于不同風(fēng)化程度的巖層的幾率相對(duì)3個(gè)鉆孔要小，其測(cè)試數(shù)據(jù)更能代表某種風(fēng)化程度的巖層。因此，采用“單跨法”測(cè)阻尼比有其優(yōu)越性。

在海南某核電廠的勘察中，采用上述兩種方法測(cè)試得到核島區(qū)地基巖體的阻尼比值。本文以此為例，對(duì)兩種測(cè)試方法及其測(cè)試成果進(jìn)行分析。

二、測(cè)試場(chǎng)地地質(zhì)概況

在海南某核電廠兩臺(tái)機(jī)組的反應(yīng)堆廠房位置分別布置了呈直線排列的3個(gè)鉆孔進(jìn)行跨孔波速測(cè)試，鉆孔間距為8m左右。測(cè)試場(chǎng)地已平整到標(biāo)高+14.0m左右，地勢(shì)整體平坦。鉆探揭露場(chǎng)地內(nèi)地層主要為第四系殘積層和基巖，殘積層厚度為0.5～2.5m，基巖巖性主要為黑云母花崗巖，局部呈脈狀分布石英閃長巖，巖體風(fēng)化程度為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化和微風(fēng)化。核島區(qū)地基巖體風(fēng)化程度為強(qiáng)風(fēng)化～微風(fēng)化，以微風(fēng)化為主，強(qiáng)風(fēng)化巖體僅局部分布，且厚度小于4.5m。強(qiáng)風(fēng)化巖體屬極軟巖，完整程度為極破碎～破碎，基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)；中等風(fēng)化巖體屬較堅(jiān)硬巖，完整程度主要為較破碎，基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)；微風(fēng)化巖體屬堅(jiān)硬巖，完整程度為完整～較完整，基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ～Ⅱ級(jí)。

三、雙跨法的測(cè)試原理與測(cè)試成果

雙跨法是目前在核電廠巖土工程勘察中廣泛采用的原位測(cè)阻尼比的方法。

(一)測(cè)試原理。該方法是基于諧波在無限空間的傳播理論，當(dāng)諧波在近似于無限空間的巖土體中以球面狀向四周傳播時(shí)，由于能量逸散和摩擦損失，波的振幅不斷減小。在距振源不同距離處，諧波振幅的變化為[5]：

(1)

式中：Ar為距離振源r處的振幅；A0為諧振振源處的振幅；α為衰減系數(shù)；1/r為波動(dòng)能量逸散的阻尼；e-ar為材料的阻尼。

設(shè)定兩個(gè)接收振動(dòng)信號(hào)的測(cè)點(diǎn)1和2，距離振源分別為r1、r2，得到兩測(cè)點(diǎn)的振幅比為：

(2)

式中：A1、A2為距離振源r1和r2處的振幅。

由公式2得到衰減系數(shù)的表達(dá)式為：

(3)

由波的衰減系數(shù)a可得到波的對(duì)數(shù)衰減系數(shù)δ：

(4)

式中：δ為對(duì)數(shù)衰減系數(shù)；V為體波速度；f為波的頻率。

在工程中常用阻尼比表示材料阻尼，由波的對(duì)數(shù)衰減系數(shù)可計(jì)算得到巖土層的阻尼比值DZ：

(5)

圖1 雙跨法測(cè)試示意圖

(二)測(cè)試成果。雙跨法測(cè)試裝置示意圖如圖1所示。雙跨法測(cè)試一般在一條平行地層走向或垂直地層走向的直線上布置同等深度的3個(gè)鉆孔，一端孔為激發(fā)孔，另兩孔為接收孔[7]，孔距根據(jù)巖土體的性質(zhì)確定，土層宜取2～5m，巖層宜取8～15m，振源和檢波器應(yīng)置于同一地層的相同標(biāo)高處，由下往上，測(cè)點(diǎn)豎向間距取1m，最淺測(cè)試點(diǎn)深度不小于兩接收孔孔距的1倍。

雙跨法測(cè)試的典型波形記錄如圖2所示。從圖2讀取兩接收孔同相波的傳播時(shí)間t1和t2、振幅A1和A2，以及頻率f，然后根據(jù)兩接收孔的孔距、傳播時(shí)間計(jì)算出波的傳播速度，按照公式3～5可計(jì)算得到各巖層的阻尼比值。海南某核電廠采用雙跨法測(cè)試結(jié)果計(jì)算得到的阻尼比值如表1所示。

表1 海南某核電廠雙跨法阻尼比計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

注：表1數(shù)據(jù)引自參考文獻(xiàn)[3][4]。

四、單跨法的測(cè)試原理與測(cè)試成果

單跨法同雙跨法，均屬于地球物理勘探方法中的地震勘探法，即是用人工方法產(chǎn)生振動(dòng)(地震)后，通過研究振動(dòng)在地下的傳播規(guī)律，從而查明地下地質(zhì)情況的一種勘探方法。但在測(cè)試原理及阻尼比計(jì)算公式上不同于雙跨法。

(一)測(cè)試原理。單跨法測(cè)阻尼比是基于穩(wěn)態(tài)振動(dòng)下的半功率帶寬法(0.707法)，即測(cè)出在巖體中傳播衰減后的振動(dòng)波形隨頻率變化的一系列振幅值，以頻率值為橫坐標(biāo)，振幅值作為縱坐標(biāo)繪制出幅頻特性曲線，在縱坐標(biāo)上取峰值的0.707倍，并過此值作一水平線，它與幅頻特性曲線的交點(diǎn)稱為半功率點(diǎn)。如圖3所示，對(duì)應(yīng)振幅峰值A(chǔ)max的頻率為fn，對(duì)應(yīng)于0.707Amax的頻率為f1、f2，即為半功率點(diǎn)頻率。

圖3 半功率帶寬計(jì)算阻尼比示意圖

半功率帶寬法確定阻尼比公式如下：

(6)

式中：D為阻尼比；fn為最大振幅對(duì)應(yīng)的頻率；f1、f2為振幅為0.707倍峰值對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)；Δf為半功率帶寬，Δf=f2-f1。

(二)測(cè)試成果。單跨法測(cè)試是在同等深度的2個(gè)測(cè)試孔中進(jìn)行，一個(gè)孔內(nèi)激發(fā)震源，另一個(gè)孔內(nèi)同步接收信號(hào)，測(cè)試裝置示意圖如圖4所示。海南某核電廠采用單跨法測(cè)試結(jié)果計(jì)算得到的阻尼比值如表2所示。單跨法測(cè)試是在雙跨法測(cè)試孔內(nèi)進(jìn)行的，但因目前核電廠勘察廣泛采用雙跨法測(cè)試阻尼比，因此表2中單跨法阻尼比計(jì)算結(jié)果未應(yīng)用到勘察報(bào)告中。

圖4 單跨法測(cè)試示意圖

表2 海南某核電廠單跨法阻尼比計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

注：表2數(shù)據(jù)為測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

五、兩種阻尼比測(cè)試方法對(duì)比分析

(一)方法對(duì)比。

1.數(shù)據(jù)計(jì)算對(duì)比。依據(jù)雙跨法測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算阻尼比時(shí)，根據(jù)公式2～5，需提供A、r兩個(gè)參數(shù)，由于測(cè)試采用三分量地震檢波器，即在一個(gè)容器內(nèi)安裝靈敏方向相互垂直的三個(gè)檢波器，三分量地震檢波器在孔內(nèi)擺放是隨機(jī)的，檢波器的靈敏方向不能保證指向波的傳播方向，因此，檢波器在接收信號(hào)時(shí)，其靈敏方向無法確定，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅A無法準(zhǔn)確測(cè)量。此外，測(cè)試孔的孔斜(鉆孔的傾斜方位和傾斜角)是在確定A、r這兩個(gè)參數(shù)時(shí)需考慮的重要因素，而在阻尼比計(jì)算中卻被忽略了[8]。因此，采用雙跨法測(cè)試阻尼比，其測(cè)試本身以及計(jì)算公式都存在一定的問題。而依據(jù)單跨法測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算阻尼比時(shí)，根據(jù)公式6，主要考慮頻率f。阻尼比與頻率的比值呈線性相關(guān)，頻率的讀取誤差對(duì)阻尼比取值影響小。

2.影響因子對(duì)比。由于測(cè)試場(chǎng)地地層厚度變化較大，對(duì)于雙跨法，兩個(gè)接收孔內(nèi)某一標(biāo)高對(duì)應(yīng)不同巖性或不同風(fēng)化程度的巖體，則該標(biāo)高處的阻尼比值屬于哪個(gè)地層，對(duì)于阻尼比值統(tǒng)計(jì)具有重大影響，這也是雙跨法測(cè)試阻尼比中常遇到的問題。而對(duì)于單跨法，僅對(duì)兩個(gè)測(cè)試孔之間地層進(jìn)行測(cè)試，信號(hào)穿越不同巖性或不同風(fēng)化程度的巖體的概率比較雙跨法要小。

(二)測(cè)試結(jié)果對(duì)比。

1.單跨法更能反映中等風(fēng)化巖體的結(jié)構(gòu)特征。在同樣的三個(gè)鉆孔中測(cè)試，單跨法測(cè)試所得樣本數(shù)大于雙跨法，這是由于雙跨法的1組測(cè)試孔相當(dāng)于單跨法的2組測(cè)試孔，可得2組測(cè)試數(shù)據(jù)。因此，采用單跨法測(cè)試，降低了因數(shù)據(jù)少而產(chǎn)生的誤差，更接近實(shí)際情況。如3#機(jī)組中等風(fēng)化巖體的阻尼比按單跨法取值范圍為0.02～0.06，樣本數(shù)為6，平均值為0.045，而按雙跨法取值范圍為0.047～0.048，樣本數(shù)為2，平均值為0.0475，盡管兩種方法所得中等風(fēng)化巖體的阻尼比平均值的變化率為0.06，兩個(gè)值很接近，但單跨法數(shù)據(jù)多，取值范圍大，能更好地反映中等風(fēng)化巖體的結(jié)構(gòu)特征。

2.對(duì)于同一風(fēng)化程度巖體，兩種方法的阻尼比測(cè)試結(jié)果相差較小，尤其是中等～微風(fēng)化巖體，基本接近。

3.單跨法與雙跨法阻尼比值隨測(cè)試深度變化對(duì)比。根據(jù)表1、表2繪制1、2號(hào)機(jī)組測(cè)試結(jié)果隨深度變化曲線圖(圖5、圖6)。圖5、圖6顯示，單跨法測(cè)得兩組數(shù)據(jù)，雙跨法測(cè)得一組數(shù)據(jù)。隨著測(cè)試深度增加，3組數(shù)據(jù)的變化特點(diǎn)如下：第一，阻尼比值隨深度增加，總的趨勢(shì)為減?。坏诙?，阻尼比值隨深度變化曲線呈現(xiàn)明顯的分段特征，大致以測(cè)深20m為界；第三，測(cè)深小于20m范圍內(nèi)，曲線表現(xiàn)為陡降，阻尼比值隨深度減小的幅度較大；第四，測(cè)深大于20m范圍內(nèi)，曲線表現(xiàn)為平穩(wěn)，阻尼比值隨深度變化不大。對(duì)于雙跨法，阻尼比值隨深度逐漸減小，減小幅度小，且阻尼比值隨深度波動(dòng)幅度小。對(duì)于單跨法，阻尼比值隨深度波動(dòng)幅度大，但總的趨勢(shì)比較平穩(wěn)。

圖5 1號(hào)機(jī)組單跨法與雙跨法阻尼比測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖6 2號(hào)機(jī)組單跨法與雙跨法阻尼比測(cè)試結(jié)果對(duì)比

對(duì)照測(cè)試孔之間巖體，阻尼比測(cè)試結(jié)果表明巖體中結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度隨深度逐漸減小，達(dá)到深度20m以下，巖體中結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度相對(duì)穩(wěn)定。但單跨法測(cè)試結(jié)果能更好地反映出局部巖體中結(jié)構(gòu)面比較發(fā)育的狀況，有利于對(duì)地基巖體特征的分析評(píng)價(jià)。

綜上所述，兩種跨孔法阻尼比測(cè)試結(jié)果接近，測(cè)試值隨深度變化的總趨勢(shì)基本一致，但單跨法更接近實(shí)際情況，能更好地反映巖體的結(jié)構(gòu)特征。

六、結(jié)論

比較雙跨法、單跨法測(cè)阻尼比有如下優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)有阻尼比原位測(cè)試方法的有益補(bǔ)充，有較大的推廣使用價(jià)值。第一，單跨法測(cè)阻尼比可在兩孔中進(jìn)行，比較三孔測(cè)試，經(jīng)濟(jì)性好；第二，單跨法確定阻尼比值的計(jì)算公式簡(jiǎn)單，對(duì)阻尼比值的影響因子少，阻尼比取值更可靠；第三，單跨法的測(cè)試結(jié)果能更好地反映巖體中結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況，有利于地基巖體特征分析。