核電廠地基液化問(wèn)題的評(píng)價(jià)及工程處理實(shí)例

趙德山，方 昊，丘善森

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

近年來(lái)，隨著核電的加速發(fā)展，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致核電廠址資源的稀缺，非基巖廠址是緩解廠址資源稀缺的有效途徑之一。在廠址的具體評(píng)價(jià)過(guò)程中，非基巖核電廠址需重點(diǎn)關(guān)注液化問(wèn)題，尤其對(duì)于核島地基，因其將影響到核電廠建設(shè)、運(yùn)營(yíng)期間的安全性和穩(wěn)定性。對(duì)于核電廠的液化評(píng)價(jià)，除遵照一般行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行外，還要遵照核安全相關(guān)的法規(guī)導(dǎo)則。本文將結(jié)合國(guó)內(nèi)外法規(guī)導(dǎo)則對(duì)核電廠液化問(wèn)題的評(píng)價(jià)進(jìn)行總結(jié)，為我國(guó)核電廠的地基液化評(píng)價(jià)提供參考。

1 土壤液化的判據(jù)和基本步驟

對(duì)核電廠液化評(píng)價(jià)的法規(guī)導(dǎo)則，目前通用的包括IAEA安全導(dǎo)則、美國(guó)NRC RG1.198、US NRC以及我國(guó)的核安全導(dǎo)則等。核電廠土壤液化的判據(jù)通常涉及具體廠址的參數(shù)特征，IAEA安全導(dǎo)則中第NS-G-3.6號(hào)中規(guī)定在判斷液化勢(shì)時(shí)，應(yīng)考慮的參數(shù)通常包括：地層的厚度和變化，各地層的平均相對(duì)密度和變化，地面運(yùn)動(dòng)相關(guān)的水位，考慮實(shí)驗(yàn)室條件和野外實(shí)際條件差異的修正系數(shù)，廠址基準(zhǔn)地面運(yùn)動(dòng)的等效均勻循環(huán)數(shù)以及破壞準(zhǔn)則等。

NRC RG1.198《評(píng)價(jià)核電廠廠址土壤地震液化的程序和準(zhǔn)則》中規(guī)定，對(duì)評(píng)價(jià)廠址是否存在液化勢(shì)，判據(jù)需包括如下的廠址條件特征：廠址地形；廠址地下條件的概念模型，包括巖土性質(zhì)分類(lèi)、廠址巖土的形成時(shí)代、地下三維土壤分層；代表當(dāng)前和歷史脈動(dòng)的水位記錄；廠址區(qū)域和附近區(qū)域的液化歷史記錄、廠址區(qū)的地震歷史等。

美國(guó)核安全管理委員會(huì)(US NRC)對(duì)液化的評(píng)價(jià)審查一般分以下三個(gè)步驟：⑴ 如果鄰近抗震Ⅰ類(lèi)構(gòu)筑物和位于抗震Ⅰ類(lèi)構(gòu)筑物以下的廠址地基是飽和土，并且潛水面在基巖上部，則需要對(duì)該廠址進(jìn)行液化可能性分析。⑵ 是否需要詳細(xì)分析，可根據(jù)對(duì)廠址地層、關(guān)鍵的土壤參數(shù)以及安全相關(guān)地基的位置進(jìn)行逐項(xiàng)研究后作出決定。⑶ 如果土壤是可能液化的，則要求取得廠址的未擾動(dòng)樣品，并進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。通常采用確定論和概率論的兩種方法對(duì)液化可能性進(jìn)行評(píng)價(jià)，(見(jiàn)圖1)。

圖1 液化勢(shì)評(píng)價(jià)基本步驟

2 核電廠土壤液化的評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

關(guān)于評(píng)價(jià)方法，IAEA第NS-G-3.6號(hào)第3節(jié)廠址研究中關(guān)于液化勢(shì)的評(píng)價(jià)方法主要包括經(jīng)驗(yàn)方法、傳統(tǒng)分析方法和精密分析方法。美國(guó)核安全管理委員會(huì)(US NRC)評(píng)價(jià)方法主要包括概率論法和確定論法，與IAEA導(dǎo)則中的傳統(tǒng)分析方法和精密分析方法類(lèi)似。我國(guó)核安全導(dǎo)則HAD(101/12)對(duì)液化勢(shì)的評(píng)價(jià)方法包括經(jīng)驗(yàn)法和解析法兩種，類(lèi)似于IAEA安全導(dǎo)則中的經(jīng)驗(yàn)法和傳統(tǒng)分析方法(表1)，具體規(guī)定如下：

表1 主要法規(guī)、導(dǎo)則對(duì)液化勢(shì)評(píng)價(jià)的方法

經(jīng)驗(yàn)方法是基于歷史地震中的實(shí)際表現(xiàn)，利用應(yīng)力比與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)或錐形貫入試驗(yàn)貫入阻力的關(guān)系圖表來(lái)評(píng)價(jià)液化勢(shì)。其判別的基本原理是：在宏觀地震液化和非液化區(qū)域，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得判別指標(biāo)的數(shù)據(jù)，通過(guò)分析、統(tǒng)計(jì)和總結(jié)，建立與宏觀地震災(zāi)害資料之間的關(guān)系，得出經(jīng)驗(yàn)公式或液化分界線來(lái)判別液化與否。主要包括標(biāo)準(zhǔn)貫入臨界擊數(shù)判別法(SPT)、錐形貫入試驗(yàn)判別法(CPT)和剪切波速法。各種方法比較見(jiàn)表2。

表2 經(jīng)驗(yàn)方法評(píng)估液化勢(shì)比較表

傳統(tǒng)分析方法是通過(guò)比較每層土壤中的循環(huán)強(qiáng)度特征與計(jì)算的等周期來(lái)確定液化勢(shì)，這類(lèi)方法以Seed 和Idriss 提出的抗液化剪應(yīng)力法為代表。該方法是根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)條件確定土體的抗液化強(qiáng)度，同時(shí)用設(shè)計(jì)地震資料計(jì)算地震動(dòng)應(yīng)力指標(biāo)，比較兩者大小判別液化與否。在評(píng)價(jià)過(guò)程中，主要需考慮的因素包括地震幅度、持續(xù)時(shí)間以及震中距離。地震運(yùn)動(dòng)的特征和形式對(duì)于土壤響應(yīng)分析是很重要的，會(huì)直接影響分析結(jié)果。采用的主要室內(nèi)試驗(yàn)有：各種類(lèi)型的循環(huán)三軸壓縮試驗(yàn)、共振柱試驗(yàn)、循環(huán)剪切、循環(huán)扭剪、振動(dòng)臺(tái)、離心機(jī)模型試驗(yàn)等。

精密分析方法是確定試驗(yàn)樣品何時(shí)“液化”，當(dāng)作液化作用開(kāi)始的判據(jù)，即孔隙壓力開(kāi)始等于約束壓力。在精密分析方法中，基土的構(gòu)成模型被納入到非線形分析中，以便直接評(píng)價(jià)孔隙壓力的增加和動(dòng)態(tài)地面反應(yīng)。在大多數(shù)情況下，進(jìn)行有效應(yīng)力分析，因?yàn)樗軌蚰M孔隙壓力中的時(shí)間依賴性變化以及它們對(duì)基土特性變化的影響。在這種精密分析中，液化勢(shì)可根據(jù)壓力增加或應(yīng)變?cè)黾铀x擇的地震輸入運(yùn)動(dòng)直接加以評(píng)價(jià)。

在詳細(xì)勘察階段應(yīng)首先完成未擾動(dòng)樣品的取樣，主要目的是：⑴ 確定土壤的分層以及進(jìn)一步確定可能液化土壤的范圍。⑵ 測(cè)量土壤的密度和動(dòng)態(tài)性質(zhì)，以作為動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析的輸入條件。⑶ 如未能獲得廠址土壤的詳細(xì)數(shù)據(jù)，應(yīng)重新取得未擾動(dòng)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。

在具體的定量評(píng)價(jià)過(guò)程中，液化敏感度可以用液化發(fā)生的安全因子來(lái)表示,其定義為：

其中，CRR為周期阻力比，它是土壤可以得到的對(duì)液化的阻力，可表示為引起液化所需的周期應(yīng)力；CSR為周期應(yīng)力比，它是設(shè)計(jì)載荷產(chǎn)生的周期應(yīng)力。

US RG1.198規(guī)定：安全因子(FS)≤1.1，為防止液化安全因子的低值；安全因子(FS)≥1.4，為液化安全因子的高值。安全因子(FS)≈1.1～1.4，為介于安全因子的低值和高值之間。

3 地基液化的處理實(shí)例

在液化勢(shì)的評(píng)價(jià)過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)評(píng)價(jià)基巖上覆土層的液化情況。根據(jù)評(píng)價(jià)步驟，應(yīng)首先進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)判斷，如不能確定是否液化，則應(yīng)定量計(jì)算液化的安全因子，當(dāng)液化安全因子小于1.1時(shí)，則土壤存在液化可能性，應(yīng)對(duì)土層應(yīng)進(jìn)行開(kāi)挖置換或加固，排除液化后，需再進(jìn)一步評(píng)價(jià)地基的承載能力和不均勻沉降。

美國(guó)沃戈托核電廠位于美國(guó)南部的喬治亞州，是一個(gè)典型的非基巖廠址，坐落在約100 m厚的沿海平原沉積物上，地層從上到下分別為上部砂層、粘土層、下部砂層和盆地沉積巖。

根據(jù)土壤液化的經(jīng)驗(yàn)判斷，沃戈托核電廠址設(shè)計(jì)地面加速度高、土壤是飽和的砂和粉質(zhì)砂，土壤含有可變細(xì)顆粒組分的砂，地下水位在地面下約10 m左右，上部砂層SPTN平均值為25 bpf，因此存在液化的可能性，下伏的粘土層密度較大，因此該層不涉及液化。

由于上部砂層位于地下水水位以下，通過(guò)定性判別，得出的液化安全因子小于1.1，是可能液化的，此外該砂層下伏的石灰?guī)r層含有溶解通道、裂縫和其他不連續(xù)面。因此，為保證核電廠址的安全和穩(wěn)定性，上部砂層和石灰?guī)r將予以去除。選擇經(jīng)壓實(shí)達(dá)到97%最大密度的砂和粉質(zhì)砂進(jìn)行回填，通過(guò)評(píng)價(jià)電廠范圍內(nèi)壓實(shí)回填土的液化可能性，分析指出液化安全因子介于1.9～2，壓實(shí)土不存在液化勢(shì)。

4 小結(jié)

通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外法規(guī)導(dǎo)則對(duì)核電廠地基液化評(píng)價(jià)的判據(jù)，提出了核電廠液化判斷的一般步驟，詳細(xì)比較分析了經(jīng)驗(yàn)判斷法、傳統(tǒng)分析法和精密分析法的區(qū)別和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，并對(duì)不同經(jīng)驗(yàn)判斷法的特征、適用范圍等方面進(jìn)行了比較分析。結(jié)合美國(guó)沃戈托核電廠址，總結(jié)提出了核電廠地基液化評(píng)價(jià)的方法步驟以及擬采取的具體工程措施。為后續(xù)我國(guó)非基巖核電廠液化問(wèn)題的評(píng)價(jià)，提供了重要借鑒作用。

[1]IAEA.核電廠廠址評(píng)價(jià)和地基的巖土工程問(wèn)題.第NS-G-3.6號(hào).

[2]核電廠的地基安全問(wèn)題(HAD101/12).

[3]US NRC Procedures and criteria for assessing seismic soil liquefaction at nuclear power plant sites RG1.198 November 2003.

[4]US NRC Laboratory investigations of soils and rocks for engineering analysis and design of nuclear power plants RG1.138 Revision 2 December 2003.

[5]Vogtle early site permit application.Revision 1 November 2006.