核电厂沉积岩岩基激振试验研究1

李 勇 郑文棠

（广东省电力设计研究院，广州 510663）

核电厂沉积岩岩基激振试验研究1

李 勇 郑文棠

（广东省电力设计研究院，广州 510663）

岩基是核电厂Ⅰ、Ⅱ类物项的承载基础，其动力参数取值对核电厂抗震设计意义重大。目前，我国核电站岩基以块状火成岩为主，其动力参数取值和试验成果较少，而有关层状岩体结构的核电站沉积岩岩基动力参数取值和试验研究则未见报道。本文以我国首个以沉积岩为岩基的核电厂为例，基于振动基本理论，设计了自由振动和强迫振动激振实验，并对比了垂直层理水平方向和沿层理水平方向的激振试验结果，旨在获得首个沉积岩核岛岩基的岩基阻尼比、抗剪刚度和抗弯刚度等动力参数，以期为类似工程提供设计依据。试验表明：由自由振动和强迫振动获得的某核电站呈层状岩体结构的沉积岩核岛岩基动力参数相近，岩基抗压刚度系数为 21.40—28.83MN/m3；岩基抗剪刚度系数为15.44—22.68MN/m3；岩基抗弯刚度系数为44.24—60.72MN/m3；岩基竖直向阻尼比为7.34%—7.68%；岩基水平回转向第一振型阻尼比为7.43%—7.44%；垂直层理水平方向和沿层理水平方向试验成果的各向异性指数为0.9%—7.5%；动力参数呈弱各向异性。试验结果首次给出了该核电站沉积岩岩基的动力参数取值范围，对具有相似岩基的核电厂抗震设计有较好的工程参考价值。

核电厂 沉积岩 核岛岩基 激振试验 阻尼比

引言

近年来，核电迎来了新的发展契机。我国的核电发展战略也开始由“适度发展”向“积极发展”转变（国家发展和改革委员会，2007）。按照目前的核电发展战略，预计到2020年我国核电装机容量将达到8600万千瓦，这表明大量沿海和内陆核电站厂址的选址和规划建设亟待开展。以往我国核电站厂址大多选择坚硬完整的火成岩作为核电厂I、Ⅱ类物项相关的岩基（如花岗岩），其动力参数取值和抗震设计可借鉴类似核电厂的原位试验和设计经验。然而，随着优良块状火成岩岩基的核电站厂址逐渐减少，未来我国核电厂将向内陆发展，并可能考虑不同岩性的岩基（如沉积岩、硬土等）。近年来，我国第一个采用沉积岩岩基的核电厂，由于其显著发育缓倾角水平层理和构造节理，具有特殊的岩体结构特征，并迥异于已有的核电厂，其岩基动力试验设计和动参数取值对我国未来的核电厂选址具有重要的工程参考价值。

在大多数情况下，可以较为容易地采用物理方法和经验公式获得岩基的质量和刚度，但由于很难充分地了解岩基的能量损失机理，即岩基实际的能力损失机理比单自由度方程列式所简单假设的黏滞阻尼要复杂的多，因此需要采用激振试验来确定一个适当的黏滞阻尼特性。这些试验方法主要有自由振动衰减法、共振放大法、半功率法和每周共振能量损失法。由于现场激振试验需要花费大量的人力、物力和财力，所以一般只对重要的建筑物（如核电站、大型火电厂等）进行试验。Tang（1991）和Morisita等（1993）开展了台湾花莲地区及罗东地震活动区的大尺度动力试验（Large-Scale Seismic Test），并设计了缩尺比为1∶4的核电站安全壳模型强迫振动试验，获得了地震情形下的硬土岩基与结构动力相互作用数据。目前，我国核电站岩基以块状火成岩为主，其动力参数取值和试验成果较少，关于层状岩体结构的核电站沉积岩岩基动力参数取值和试验研究则未见报道，仅水利工程中有所涉及（张晓平等，2001）。本文以我国首个以沉积岩为岩基的核电厂为例（广东省电力设计研究院，2009），基于振动基本原理设计了自由振动和强迫振动激振实验，并对比了垂直层理水平方向和沿层理水平方向的激振试验成果，旨在获得首个沉积岩核岛岩基的岩基阻尼比、抗剪刚度和抗弯刚度等动力参数，以期为核电厂动力计算及机器基础的隔振设计提供试验依据。

1 工程概述

某核电厂一期工程规划容量为2×1000MW级CPR1000先进压水堆机组。一期工程核岛区包括核反应堆厂房（RX）及其紧邻的核辅助厂房。核岛区场地出露岩土层主要为志留系下统连滩群第五组的中部岩层，场地沉积构造环境和沉积特征主要分为前泥盆纪地槽型沉积、晚古生代地台型沉积、中生代和新生代陆缘活动带盆地型沉积三大类。岩性主要以强风化和中等风化粉砂岩、泥质粉砂岩及与粉砂岩和泥页岩互层、泥页岩三种岩性构成，呈薄层-中厚层状。

核岛区域的前期岩土工程勘察表明，沉积岩岩基中发育了缓倾角的原生层理和构造节理，具有典型的各向异性特性，与其它核电站呈完整块状的花岗岩岩基截然不同。其中，原生层理为沉积岩在沉积过程和成岩过程中产生的原生构造，以水平层理为主，局部出现交错层理、卷曲状层理，具有明显的沉积韵律，由粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩页岩组成，最小尺度单个韵律厚度为3—40cm，较大韵律厚度为150—300m，更大尺度的甚至超过500m。

核岛区域内构造节理同样发育，按其成因，以构造裂隙为主，次为风化裂隙。通过大量调查统计，可将其分为2组：①走向为100°—120°，倾向以北东向为主，倾角30°—70°，为该层主要节理；②走向为15°—40°，倾向以南东为主，倾角20°—60°。其节理玫瑰花图如图1所示。

核岛基底标高场地揭露了中等风化粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩页岩，通过定性和定量两种方法综合评定的场地岩基的完整程度为破碎-较破碎，质量指标为Ⅴ—Ⅳ。

显著的层状岩体结构特征，使该核电厂核岛基岩具有特殊的动力响应特性。为此，本文分别设计了垂直层理水平方向和沿层理水平方向的自由振动和强迫振动试验。通过研究水平和竖直方向上沉积岩基阻尼比、固有频率、刚度系数等动力参数值及各向异性指数，以期为核电厂核设施机电设备基础的隔振设计和抗震设计提供科学依据。

图1 核岛区域构造节理玫瑰花图Fig. 1 Rose diagram of tectonic joints in the nuclear island

2 激振试验设备和原理

2.1 激振试验设备和试验点

本文采用了中国科学院武汉岩土力学研究所的激振设备和数据采集系统，分别采用两种振动方法：①竖直向自由振动测试；沿层理水平向自由振动测试和垂直层理水平向自由振动测试；②竖直向强迫振动测试；沿层理水平向强迫振动测试和垂直层理水平向强迫振动测试。自由振动试验中激振设备采用20kg铁球锤。强迫振动试验中激振设备（变扰力）采用机械式偏心激振器，所用电机为5.5千瓦的变频电机，工作频率为3—50Hz，最大扰力可达50kN。位移监测系统采用891－Ⅱ型位移传感器，数据记录系统采用WS_USB海量数据数字记录仪及Vib-SYS数值振动信号采集分析系统，可对振动信号进行长时间采集、时域、频域分析以及数字信号加工等。

试验点选择在汽轮机厂房附近的 1#和 2#核岛基岩地段，根据地质条件，基础底面以下1#核岛为中风化泥页岩；2#核岛为中风砂岩。分别预制自由振动模拟基础及强迫振动模拟基础各1个。其中，自由振动模拟基础块体尺寸为1.0m×1.0m×1.0m；强迫振动模拟基础块体尺寸为2.0m×1.5m×1.0m。混凝土强度等级采用C25，制作过程中加入适量钢筋。然后，在每个试验点分别采用自由振动和强迫振动进行测试。

2.2 自由振动原理及方法

自由振动采用20kg铁球锤作为冲击物，其质量为核岛基础质量的1/100—1/150。在竖向自由振动测试中，用铁球冲击测试基础顶面的中心处，同时，在基础顶面沿长度方向轴线的两端各布置1台竖向传感器，量测基础的固有频率和最大振幅。在水平回转自由振动测试中，用铁球冲击测试基础水平轴线侧面的顶部，在基础顶面沿长度方向轴线的两端各布置1台竖向传感器测点，在长度方向轴线的中心处布置1台水平向传感器测点，量测基础的固有频率和最大振幅。测试示意图如图2所示。

图2 自由振动示意图Fig. 2 Schematic diagram of free vibration

基于自由振动衰减法的自由振动试验，是获得黏滞阻尼比的最简单和实用的方法，该方法使岩基产生自由振动后，通过测量相隔n周的2个位移幅值之比来确定阻尼比。则岩基水平回转向第一振型阻尼比和竖向阻尼比ζx和ζZ、基础竖直向振动参振总质量mz、基础抗压刚度K、抗压刚度系数C和固有频率f按式（1）—（8）计算：

式中，AX1、AX（n+1）分别为第1周和第n+1周的水平振幅；AZ1、AZ（n+1）分别为第1周和第n+1周的竖直振幅；n为自由振动的周数；Amax为基础最大振幅；m1为铁球的质量；v为铁球自由下落时的速度；e1为回弹系数，其值为H1和H2比值的开方，H1、H2分别为铁球下落、回弹高度；t0为2次冲击的时间间隔；S0为测试基础的底面积（m2）；I为基础底面对通过其形心轴的惯性矩；Jc为基础对通过其底面形心轴的转动惯量；Ab为基础底面的水平振幅；fnz为基础竖向无阻尼固有频率，fd为基础有阻尼固有频率。

2.3 强迫振动原理及方法

采用强迫振动方法进行竖向振动测试时，在基础顶面沿长度方向轴线的两端各布置1台竖向传感器（见图3）。在进行水平回转自由振动测试时，激振设备的扰力为水平向，在基础顶面沿长度方向轴线的两端各布置1台竖向传感器，在中间布置1台水平向传感器。

根据现场强迫振动测试结果，采用竖向强迫振动和水平回转强迫振动来确定岩基竖向阻尼比、岩基的抗压刚度和抗压刚度系数，岩基水平和竖向阻尼比ζx和ζZ、基础抗压刚度K、抗压刚度系数C和无阻尼固有频率fn按式（9）—（16）计算：

图3 强迫振动测试Fig. 3 Schematic diagram of forced vibration

式中，m0为激振设备旋转部分的质量；e0为激振设备旋转部分质量的偏心距，其它参数与自由振动中定义的参数相同。

3 激振试验成果分析

表1和表2总结了某核电厂沉积岩核岛基岩的竖直向、垂直层理水平方向和沿层理水平方向的自由振动试验和强迫振动试验结果。试验结果给出了首例沉积岩核岛岩基的动力参数，对相似的沉积岩核岛岩基具有较好的参考价值，主要包括以下激振试验结果：

（1）自由振动获得的沉积岩岩基抗压刚度系数为 21.40MN/m3；岩基抗剪刚度系数为15.44MN/m3；岩基抗弯刚度系数为 44.24MN/m3；岩基竖直向阻尼比为 7.34%；岩基水平回转向第一振型阻尼比为7.44%。

（2）强迫振动获得的岩基抗压刚度系数为 28.83MN/m3；岩基抗剪刚度系数为22.68MN/m3；岩基抗弯刚度系数为 60.72MN/m3；岩基竖直向阻尼比为 7.68%；岩基水平回转向第一振型阻尼比为7.43%。

（3）该核电厂沉积岩核岛岩基自由振动和强迫振动获得的动力参数相近。垂直层理水平方向和沿层理水平方向激振试验结果的各向异性指数在0.9%—7.5%之间，表明虽然沉积岩核岛岩基为层状岩体结构，具有各向异性，但是该场地岩性多由中等风化中厚层砂岩类与泥质粉砂岩类互岩组成，没有软弱夹层充填，张拉裂隙多被石英脉充填，因此基岩整体性较好，激振试验得出的动力参数呈弱各向异性。

表1 某核电厂核岛岩体现场激振试验各向异性指数Table 1 Anisotropic ratio from exciter tests on the nuclear island rockbase of a nuclear power plant

表2 某核电厂核岛岩基现场激振试验统计结果Table 2 Statistical result from exciter tests on certain nuclear island rockbase of a nuclear power plant

4 结论

本文以我国首个以沉积岩为岩基的核电厂为例，基于振动基本理论，设计了自由振动和强迫振动激振实验，并对比了垂直层理水平方向和沿层理水平方向的激振试验结果，旨在获得首个沉积岩核岛岩基的岩基阻尼比、抗剪刚度和抗弯刚度等动力参数，以期为类似工程提供设计依据。试验表明：

（1）试验首次给出了层状岩体结构的核电站沉积岩岩基动力参数取值和试验方法，由自由振动和强迫振动获得的该核电站呈层状岩体结构的沉积岩核岛岩基动力参数相近，岩基抗压刚度系数为21.40—28.83MN/m3；岩基抗剪刚度系数为15.44—22.68MN/m3；岩基抗弯刚度系数为44.24—60.72MN/m3；岩基竖直向阻尼比为7.34%—7.68%；岩基水平回转向第一振型阻尼比为7.43%—7.44%。

（2）为分析层状结构沉积岩岩基动力参数的各向异性指数，分别设计了垂直层理水平方向和沿层理水平方向的激振试验，结果表明各向异性指数为0.9%—7.5%，动力参数呈弱各向异性。

（3）自由振动和强迫振动两种方法给出的动力参数为明置基础测试所得到的结果。当基础为埋置时，岩基的刚度系数、阻尼比将有所增加，为此建议进行机器动力参数设计时，可按《动力机器基础设计规范（GB 50040-96）》（中华人民共和国国家标准，1996）做相应修正。

（4）试验结果首次给出了该核电站沉积岩岩基的动力参数取值范围，对具有相似岩基的核电厂抗震设计有较好的工程参考价值。

广东省电力设计研究院，2009. 某核电厂一期工程核岛区初步设计阶段（详勘）岩土工程勘测报告（B版）.

国家发展和改革委员会，2007. 核电中长期发展规划（2005—2020年）.

张晓平，吴杰芳，2001. 多点激振系统应用于模型试验. 长江科学院院报，18（2）：51—53.

中华人民共和国国家标准，1996. 动力机器基础设计规范（GB 50040-96）. 北京：中国计划出版社.

Morisita H.，Tanaka H.，Nakamura N. et al.，1993. Forced vibration test of the Hualien large scale soil structure interaction model. Nuclear Engineering and Design，172（3）：273－280.

Tang H.T.，1991. The Hualien Large-Scale Seismic Test for Soil-structure Interaction Research. 11-SMIRT，K04/4，Tokyo，Japan，（8）：18－23.

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，郑文棠，2011. 核电厂沉积岩岩基激振试验研究. 震灾防御技术，6（1）：69—76.

广东省电力设计研究院院级科标经费资助

2010-07-01

李勇，女，生于1977年。硕士，注册岩土工程师。主要从事大型火电工程和核电工程岩土工程勘察。E-mail：liyong@gedi.com.cn

致谢：本文的试验得到了中国科学院武汉岩土力学研究所和深圳中广核设计有限公司的指导和协助，在此表示衷心感谢。