非岩基厂址条件下核电厂标准化地基模型研究

李 昶, 王旭宏, 尹训强, 杨球玉, 吕 涛, 陈立伟,刘 锋, 朱文秀, 刘翔宇, 郑 轩

(1. 中国核电工程有限公司, 北京 100840; 2. 大连大学建筑工程学院, 辽宁 大连 116622)

随着全球各国经济的不断发展,全球能源缺乏的问题尤为突出,核电作为一种清洁、安全和高效的能源,对经济建设与环境保护有着积极的作用,因此,核电厂的发展是一种必然趋势[1-3]。当前为节省核电建设成本,核电厂标准化设计方法是核电厂抗震设计中的重要手段。

美国、法国等世界核电大国均在内陆地区建有大量核电站,在机组数量和装机容量上都超过滨海地区,因此,在不同核电厂标准设计中考虑多种软岩及和土层地基的情况,针对不同机组建立了多种标准化设计地基模型,积累了丰富的经验[4-5]。比如,美国核管理委员会认证的核电机组ABWR,AP1000,ESBWR,US-APWR,US-EPR以及NuScale(表1),其中,AP1000标准化地基模型的建立是基于对美国落基山脉东部和西部22座商业化核电厂厂址的调研数据,在这些核电厂中也包括了部分AP600机组。以上机组的标准化地基模型均对已有或潜在核电厂址的调研数据所提出的。由于核电厂址安全性要求高,根据IAEA核电厂厂址评价和地基的岩土工程问题安全导则,为考虑地震反应分析的目的,均采用剪切波速作为厂址分类的指标,几乎涵盖了从软土、硬土、软岩以及硬岩的范围,剪切波速范围约300～2 500 m/s,另外,主要的参数还包括土层厚度、动剪切模量-应变曲线(G-r)、阻尼比-应变曲线(D-r)、容重、泊松比等。

表1 不同核电机组的标准化设计地基模型概述

标准化地基模型的作用在于为核电厂抗震设计提供不同地基条件的动力学参数输入,对于满足地基模型条件的地基可采用标准化的核电厂设计即可满足抗震要求。而我国在“核电走出去”战略中自主研发的主力堆型,需要适应不同国家当地的地质条件,国内核电的主力堆型针对剪切波速大于600 m/s的岩质地质条件已经提出了标准化设计地基模型。然而,为适应不同国家当地的地质条件,对于剪切波速小于600 m/s的软质岩和硬土厂址还需要进一步开展研究。

针对上述问题,本文基于美国在核电厂标准地基模型方面的研究成果,兼顾其他国家的相关研究进展,综合我国实际工程场地情况,针对剪切波速小于600 m/s的软质岩和硬土厂址地基模型开展动参数调研,并通过开展动参数对地震反应的影响规律,定义软质岩和硬土厂址的标准化地基模型。

1.1 调研数据的采集和选取

通过开展已有和潜在厂址的现场调研,整理国内外具有完整土动力学参数实验数据的地震安全性评价报告以及地质勘查资料等,经整理最终保留有效场址共95个,钻孔合计403个,选取有效的钻孔资料,如剔除多余重复钻孔,覆盖土层埋深较浅钻孔等,并提取相应的土层分布的统计数据。为方便表达,在数据整理时,基于《建筑抗震设计规范》[6]将所调查的岩土样本在剪切波速300～600 m/s的区间划分为两个类型:软岩和硬土。所调研场址基本涵盖了主要的内陆省份,包含地铁、隧道、机场和桥梁等建筑类型的非核电场址,也包含典型的核电场址,如福建省宁德市霞浦县600 MW示范快堆工程场址、福建省漳州核电场址、河北省沧州市海兴核电核岛场址、广东省台山常规岛、泵房及管廊岩土工程场址、安徽省吉阳核电厂房工程场址等。

1.2 动力学参数统计分析

本节中主要通过所调研场址的有效钻孔土层数据,针对容重、动剪切模量比、动泊松比、剪切波速等动力学参数进行统计分析,并给出动参数的取值范围,为下一节的敏感性分析提供参考。

1.2.1 容重随深度的变化规律

如图1所示为容重随深度的变化统计,不难看出,描述土体容重与埋深间的关系相关性不大,均值线大约位于20 kN/m3位置,随着深度的增加离散程度也没有明显的变化,因此,舍弃偏差较大的离散点,容重的变化范围约为18.0～22.0 kN/m3。

1.2.2 动剪切模量比和阻尼比

土的动剪切模量比G/Gmax和阻尼比D是土动力学特性中除剪切波速以外的另外两个重要参数[7]。本文以埋深为统计依据,每10 m为一个统计区间,在剔除离散较大的数据后将样本进行均值化处理。从调研数据中发现,G/Gmax-r和阻尼比D-r的变化曲线随埋深变化较小,因此,将敏感性较低的埋深区间进行合并分层处理,选取了三种分层方案,即:(1) GD1剖面分层方案,划分为四个分区,0～20 m,20～40 m,40～60 m,以及60 m以上;(2) GD2剖面分层方案,划分为三个分区,0～20 m,20～60 m,以及60 m以上;(3) GD3剖面分层方案,不划分分区。三种不同分层模型的G/Gmax-r与D-r变化曲线如图2所示。

图1 容重随深度的变化统计Fig.1 Statistics of changes in bulk density with depth

1.2.3 动泊松比的变化规律

本文的动参数调研中,大部分的数据来源于地震安全性评价报告,大约十几个场址来源于实际核电厂址的地质勘查资料,其中,在各个场址的地震安全性评价报告中,土层动力反应中基本为一维模型,因此,在动参数中很少涉及到动泊松比的选取,导致参数调研中的动泊松比的样本数据较少,在数据统计分析中规律性较小。表2所示为动泊松比随埋深变化统计,可以发现,动泊松比的变化基本0.34～0.37区间内,均值为0.35。在后续的二维或三维的核岛结构-地基的动力相互作用分析中,动泊松比可以在0.3～0.4范围内进行敏感性分析,获取动泊松比的影响规律,从而确定标准化地基模型的参数取值。

图2 各分层模型的动剪切模量比和阻尼比均值拟合曲线Fig.2 Fitting curve of the mean value of dynamic shear modulus ratio and damping ratio of each hierarchical model

表2 动泊松比随埋深变化统计值

1.2.4 剪切波速随深度的变化规律

由于所调研的场址比较分散,导致土样种类较多,各土层的组成随机性较大,因此不分土的种类并按覆盖土层剪切波速的分布进行统计分析。如图3所示调研场址剪切波速的分布,可以得出:土层的剪切波速随着土层埋深的增加呈现出增加的趋势,剪切波速随深度的分布大部分集中在400～600 m/s区间。

图3 调研场址剪切波速的分布Fig.3 Distribution of shear wave velocity at survey sites

为评价土体分层与深度的关系对土体剪切波速变化的影响,将调研场址的土层剪切波速按照基础底面的剪切波速进行归一化分析处理,如图4所示,归一化后剪切波速基本处于无量纲1～2之间,随着基岩深度的增加,即土层深度的增大,归一化剪切波速的虽然也有增大的趋势,但是变化幅度较小,在基岩深度100 m(图中红色直线),以及更深的150 m处,也很少出现大于无量纲2的情况。基于此,为包含大部分的潜在场址条件,在地基模型中将包括广泛的材料属性及土层剖面特性,初步定义五种类型共9个典型的剪切波速剖面特征曲线,其中包含了“硬土”场地模型(常数和线性变化2种)、“硬土(上限)”场地模型(线性和抛物线变化2种),“硬土-软岩”场地模型(双折线和抛物线变化2种),“软岩”场地模型(线性变化2种),“深厚土层”场地模型(1种),由于所调研场址的土层样本的基岩深度大多在100 m以内,因此,初步定义的地基模型取100 m作为假想基岩面位置。其中,将剪切波速最低下限值300 m/s作为“硬土”模型的下包络线,考虑了常数和线性变化2种;“硬土(上限)”场地模型主要针对基岩深度大于50 m区间的场址在随着深度的增加时,剪切波速虽有增加,但往往无法达到地表剪切波速的2倍,将硬土的上限剪切波速500 m/s作为该种模型的参考值;“硬土-软岩”场地模型主要针对基岩深度位于30～50 m区间场址,基于调研结果,此类模型中归一化剪切波速从地表随深度变化至约50 m处能增大至少1倍;“软岩”场地模型将所定义的软岩的剪切波速下限值500 m/s作为此类模型的参考值;“深厚土层”场地模型主要基于调研数据,在基岩深度大于100 m的区间,还有部分深厚土层的场址,基岩深度达到了200 m以上,此种类型的剪切波速在0～100 m区间的变化趋势与“硬土”场地模型类似。

图4 初步定义标准设计地基模型的剖面特征曲线Fig.4 Preliminary definition of profile characteristic curve of standard design foundation model

综合评价地基模型的合理适用性的考量指标主要包括最大加速度随深度变化与加速度反应谱。基于ANSYS软件采用APDL进行参数化建模,采用SuperFLUSH/2D Ver6.0软件[8]进行土层地震反应分析,分别对G/Gmax-r与D-r曲线、容重以及剪切波速随深度分布进行敏感性分析。其中,土层地震反应分析模型中的土层非线性特征采用等效线性法来模拟,而边界条件设置为黏性人工边界,地震动则通过等效节点荷载施加,地震输入采用美国改进NRC R.G.1.60标准反应谱对应的时程,如图5所示,基岩峰值加速度设计值取0.30g。另外,在计算中,基岩剪切波速取2 000 m/s,基岩容重取24.0 kN/m3。

图5 改进型RG1.60地震波时程曲线Fig.5 Seismic wave time history curve based on the improved RG1.60

2.1 G/Gmax-r与D-r曲线的影响分析

本节依据调研数据的统计分析,考虑了3种不同的G/Gmax-r与D-r曲线取值,分别为2.2.2节所述的GD1、GD2、GD3分层模型曲线,在计算中,土层的容重取19.0 kN/m3,由于各地基模型所得的规律基本一致,为节省篇幅,本文仅列出M1_YT-2的相关结果曲线图。

从图6所示的M1_YT-2地基模型不同关系曲线工况下水平X向最大加速度随深度变化来看,依据三种分层模型(GD1、GD2、GD3)曲线计算的最大加速度随深度的变化规律基本一致,但在数值上,GD1与GD2两个分层模型的数值相差不大,地表的峰值加速度分别为0.31g与0.31g,然而,GD3模型由于没有考虑埋深的影响,将所有的G/Gmax-r与D-r曲线做均值化处理,因此,导致浅层场地的刚度较大,从而从埋深50 m左右开始,GD3模型的变形较小,在地表处的峰值加速度为0.29g,与其他两个模型有一定的差异。水平Y向的最大加速度分布规律基本类似,GD1、GD2及GD3三个分层模型的地表加速度分别为0.32g、0.32g及0.29g。

图6 不同关系曲线工况下M1_YT-2最大加速度随深度变化曲线Fig.6 Variation curve of the maximum acceleration of M1_YT-2 with depth under different relationship curve conditions

由于不同阻尼比情况下的加速度反应谱变化趋势基本相同,因此在本文中仅给出5%阻尼比下地表处的加速度反应谱峰值随不同G/Gmax-r与D-r关系曲线(GD)的变化曲线,如图7所示。

图7 不同关系曲线工况下M1_YT-2地表处加速度反应谱变化曲线Fig.7 Variation curve of acceleration response spectrum at M1_YT-2 surface under different relationship curve conditions

从图7所示M1_YT-2地基模型水平X向地表处加速度反应谱随不同关系曲线的变化曲线来看,依据GD1、GD2分层模型曲线计算的加速度反应谱结果趋势大致相同,而GD3模型的计算结果在变化趋势上虽然与前述两模型大体一致,且峰值处于[0.2 s,1.2 s]周期,但在数值上有一定的差别,三种模型的峰值加速度均出现在0.570 s,分别为0.95g、0.95g及0.89g。水平Y向的加速度反应谱的变化规律基本类似,三种模型的峰值加速度均出现在0.560 s,分别为1.02g、1.02g及0.95g。

综上所述,GD1与GD2分层模型工况下最大加速度随深度的变化、加速度反应谱的变化规律及数值都基本吻合,而GD3模型虽然与上述两模型的变化规律大体一致,但是对于部分地基模型在数值上还是有较大差异,因此,为考虑埋深影响且简化计算,选取GD2分层模型的G/Gmax-r与D-r曲线作为地基模型的参数输入。

2.2 容重的影响分析

本节主要针对地基模型的容重进行敏感性分析,在计算中,依据调研报告中所推荐的容重变化范围18.0～22.0 kN/m3,考虑了5种不同的容重取值,分别为18.0、19.0、20.0、21.0及22.0 kN/m3,并选取GD2分层模型的G/Gmax-r与D-r曲线。

从图8所示的M1_YT-2地基模型不同关系曲线工况下水平X向最大加速度随深度变化来看,依据5种不同容重模型[P(18)、P(19)、P(20)、P(21)、P(22)]曲线计算的最大加速度随深度的变化规律基本一致,但在数值上,M1_YT_2_X_P(18)、M1_YT_2_X_P(19)、M1_YT_2_X_P (20)、M1_YT_2_X_P(21)与M1_YT_2_X_P (22) 5个模型的数值相差不大,地表的峰值加速度均为0.31g。水平Y向的最大加速度分布规律基本类似,M1_ZYT_X_P(18) 模型的数值略大,地表的峰值加速度均为0.32g,其余4种计算模型地表的峰值加速度均为0.31g。

图8 不同容重条件下M1_YT-2最大加速度随深度变化曲线Fig.8 Variation curve of the maximum acceleration of M1_YT-2 with depth under different bulk density conditions

从图9所示M1_YT-2地基模型水平X向地表处加速度反应谱随不同关系曲线的变化曲线来看,依据5种不同容重模型曲线计算的加速度反应谱结果趋势大致相同,变化趋势上大体一致,且峰值处于[0.1 s,1.0 s]周期,但在数值上有一定的差别,5种模型的峰值加速度均出现在0.570 s,分别为0.952g、0.948g、0.943g、0.939g及0.933g。水平Y向的加速度反应谱的变化规律基本类似,5种模型的峰值加速度均出现在0.560 s,分别为1.022g、1.019g、1.017g及1.013g,1.011g。

综上所述,不同容重工况下最大加速度随深度的变化、加速度反应谱的变化规律都基本吻合,虽然随着容重的增大,所得峰值加速度、加速度反应谱等有减小的趋势,但是变化幅度并不大。因此,选取容重为20.0 kN/m3作为地基模型的参数输入。

2.3 剪切波速沿深度分布的影响分析

本节主要针对9种初步定义标准地基模型的剪切波速剖面特征进行计算分析,研究初步定义的地基模型是否存在类似或包络的动参数变化规律,在计算中选取GD2分层模型的G/Gmax-r与D-r曲线,选取容重为20.0 kN/m3。

图9 不同容重工况下M1_YT-2地表处加速度反应谱变化曲线Fig.9 Variation curve of acceleration response spectrum at M1_YT-2 surface under different bulk density conditions

从图10所示的不同剪切波速沿深度分布条件下地基模型不同关系曲线工况下水平X向最大加速度随深度变化来看,依据9种不同剪切波速模型(M1～M5)曲线计算的最大加速度随深度的变化规律相差较大,在数值上也有差异,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的峰值加速度分别为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规律基本类似,M3_YR-1 模型的数值略大,地表的峰值加速度为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种计算模型地表的峰值加速度分别为0.19g、0.30g、0.41g、0.47g、0.53g、0.47g、0.47g及0.31g。

如图11所示的不同地基模型的地表峰值加速度谱值水平X向随关系曲线(剪切波速),整体来看,9种地基模型的加速度反应谱峰值覆盖了0.5～10 Hz较宽的频率范围,其中,M1系列的“硬土”地基模型与M5“深厚土”地基模型的峰值频率主要出现在低频段(0.2～1 Hz);而M4系列的“软岩”地基模型的峰值频率则更偏向于高频段。

图10 不同剪切波速沿深度分布条件下最大加速度随深度变化曲线Fig.10 Variation curve of the maximum acceleration with depth under different distribution of shear wave velocity along depth

从数值上来看,M3地基模型则相对较大,M5地基模型相对较小,例如,M1～M9地基模型工况条件下的峰值加速度分别为0.83g、0.94g、1.43g、1.67g、1.70g、1.56g、1.46g、1.52g及1.03g。从图12所示水平Y向的地震激励下的地表峰值变化与水平X向基本一致,M1_ZYT地基模型在M1～M5 地基模型工况下的峰值加速度分别为0.72g、1.02g、1.42g、1.67g、1.95g、1.77g、1.62g、1.48g及0.89g。

从类似地基模型的反应谱来看,M5_SHT地基模型由于下卧土层的影响,使峰值频率要低于M1_YT-2地基模型,而两种模型的加速度反应谱基本能将M1_YT-1地基模型包络,只是有个别的频率有超出部分(小于0.05g),对于设计响应不会有显著的影响;M2-YT(SX)-1硬土(上限)-线性地基模型与M2-YT(SX)-2抛物线模型在反应谱分布与数值上还是有一定的差别,由于典型的砂土场地的剪切波速一般为曲线变化而不是线性变化,另外,M2-YT(SX)-2抛物线地基模型的反应谱在大部分频率也能包络M2-YT(SX)-1模型,因此,在标准化地基模型中,选取M2-YT(SX)-2抛物线地基模型为“硬土(上限)”场地模型;双折线模型与抛物线模型的加速度反应谱在变化趋势基本类似,尤其在2 Hz以下的频率基本吻合,在大于2 Hz的频段内,除个别频率点外,M3-YR-1(双折线)地基模型的反应谱基本能包络M3-YR-2(抛物线)地基模型,由于此类模型中,埋深50～100 m区间内,两种模型的剪切波速变化范围基本一致,主要的区别在上部区域,虽然抛物线模型能较好反映出土层的刚度变化,但是在此类模型中总体上对地震响应影响较小;“软岩”场地模型的对比,不难发现,两种模型的加速度反应谱在变化趋势基本吻合,在数值上,除个别频率点外,M4-RY-2(上包线)地基模型的反应谱基本能包络M4-RY-1地基模型。

图11 不同剪切波速沿深度分布条件下地表处加速度反应谱变化曲线对比Fig.11 Comparison between acceleration response spectrum curves at the surface under different shear wave velocity distribution along depth

初步定义的不同地基模型在最大加速度随深度的变化、加速度反应谱的变化规律存在较大的差异,并且加速度反应谱的峰值频率基本能覆盖0.5～10 Hz较宽的频率范围。其中,“硬土”地基模型(M1-YT-2)与“深厚土层”地基模型(M5-SHT)能控制包络土层的低频地震响应;“硬土(上限)-抛物线”地基模型(M2-YT(SX)-2)能较好反映剪切波速为300～500 m/s范围内硬土场地的动力特性;“硬土-软岩”场地模型两种模型在低频段基本吻合,但在较高频段内M3-YR-1地基模型的加速度反应谱的控制包络更好;“软岩”场地模型的加速度反应谱的变化规律基本一致,但M4-RY-2地基模型能控制包络大部分的频率范围。

基于上述分析,依据核电厂标准化设计和地震反应分析需求,剪切波速不小于300 m/s(重点为300～600 m/s范围)软质岩和硬土厂址条件下的核电厂标准化地基模型可划分为五种,即“硬土”(M1_YT)、“硬土(上限)”(M2-YT(SX))、“硬土-软岩” (M3-YR)、“软岩”(M4-RY)以及“深厚土层”(M5_SHT),其剖面特征曲线如图12所示。

图12 标准设计地基模型的剖面特征曲线Fig.12 Profile characteristic curve of standard design foundation model

其他动力参数分别为:土层容重为20.0 kN/m3,GD2分层模型的G/Gmax-r与D-r曲线作为地基模型的参数输入,取埋深100 m作为假想基岩面位置(M5-深厚土层模型取200 m),基岩剪切波速取2 000 m/s,基岩容重取24.0 kN/m3。

(1) 软质岩和硬土厂址条件下核电厂标准化地基模型的提出需基于潜在核电厂址的调研数据,并以剪切波速vS作为分类的指标,考虑土体非线性动力特征的影响;

(2) 通过对国内外典型厂址动参数的统计归纳初步定义地基模型,进而以土层地震反应分析为手段,对初步定义模型的动参数进行了敏感性分析,确定了GD2分层模型作为土体的G/Gmax-r与D-r曲线,容重为20.0 kN/m3,依据初步地基模型的剪切波速剖面的相似性及包络性,最终定义了非岩基厂址条件下核电厂标准化地基模型。

(3) 现阶段提出的标准化地基模型中还未考虑核岛上部结构的影响,因此,在特定核电机组的标准化设计中,还需考虑土体-核岛结构动力相互作用,最终确定适用于该机组的标准化地基模型。

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