核電站建設及其巖土工程綜述

聶 文，孟祥芳，張正清，朱 蒞，陳彥生

(1.長江科學院a.科技成果推廣及信息中心;b.水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010;2.長江勘測規劃設計研究院巖土工程公司，武漢 430010)

1 核電站建設概況

自1951年12月美國實驗增殖堆1號(EBR-1)首次利用核能發電以來，截至2009年底，世界已建運行中的核電機組共計436臺，裝機容量約為373 GW;在建核電機組53臺，裝機容量約為51.1 GW;計劃在建造核電機組142臺，裝機容量約156.1 GW;擬建核電機組 327臺，裝機容量約342.9 GW。

在核電建設與運營中，世人普遍關注的是核安全問題，尤其是1986年4月26日前蘇聯切爾諾貝利核電站第4號核反應堆爆炸使8 t多強輻射物質泄漏;2011年3月11日日本福島核電站1號機組因9.0級地震導致核輻射使其周邊的天空與海域遭到核污染，“讓中國如火如荼的核電建設在料峭春風中打了冷戰(《鳳凰周刊》2011，1(10)總第395期)”。

中國現有的核電站建設，其安全性能均優于日本福島上世紀60年代后期建成的第二代核電站。中國原子能科學研究院正在研發的快堆屬第四代技術，不但可以實現核燃料的可持續利用，還配有非能動的余熱導出系統，安全系數更高。

從核電站建設的法定流程看，只要在規劃選址勘察、施工及其后續運營進行全程監測，以及預先制定好突發事件的應急措施，包括核電站巖土工程的精細設計、管理控制，保證核電站安全在技術上是可以解決的［1］。

2 中國核電站建設及其特征

自臺灣金山一期63.6萬kW沸水堆核電站于1977年并網運行以來，我國核電站已建并網商營的共7座，19臺機組、總裝機容量2 135.4萬kW;在建的共11座，32臺機組、總裝機容量3 242萬kW(見表1)。規劃擬建的核電站計25座，約120臺機組、總裝機容量在12 000萬kW以上(見表2)。

由表1可知:

(1)已建并網商營的核電站均建于沿海地區，在建的也絕大多數位于沿海省。

(2)核電所采用的反應堆，臺灣以沸水堆為主，兼有壓水;大陸以壓水堆為主，兼有重水堆、高溫氣冷堆，同時實驗應用了快堆這一目前先進的堆型。

(3)臺灣核電建設處于緩滯狀，大陸則處于活躍發展期。

由表2可見:

(1)所有擬建的核電站的單機容量均在100萬kW以上。

(2)擬建的核電站反應堆技術多為第三代并有第四代核電最新技術。

另外，作為中國未來10年(2010－2020年)的能源結構，核電能源規劃要求占全國能源的15%，即2020年中國核電裝機容量為8 000萬kW，相當8 560萬t標準煤。這一數量比2007年10月國家發展和改革委員會《核電中長期發展規劃(2005－2020年)》提高了一倍。

表1 中國已建與在建核電站Table 1 Nuclear power plants either built or under construction in China

3 核電建設的巖土工程研究

核電建設的巖土工程研究內容包括:工程地質勘測、基巖風化帶劃分與基礎評價;工程測量及形變監測;核島負挖施工、動測及控制標準;軟基深坑支護及其邊坡穩定;取水隧洞抗震性能分析;水泥基灌漿材料應用;核電站建設對生態環境的影響等。

3.1 核電站工程地質勘測及分析

中國核電站建設由沿海轉向內陸，不同于世界上的內陸核電站占其總量的70%特點。中國核電站廠址優先選擇在海岸，原因之一是可以找到良好的巖體作為主廠房的地基，有深水碼頭和豐沛的冷卻水源。但其缺點是這類廠址往往不夠開闊，施工土石方量甚大;強烈風化作用于地表巖石，使巖體的軟硬非均勻程度相當突出，這已在嶺澳與陽江等核電站表現非常充分［2－5］。

核電地勘選址有三要素。

(1)地震地質勘測:這是核電站建設安全與技術的最高要求標準。包括:① 區域歷史地震調查;②河流水系的基底構造調查;③ 海域沿岸潮汐、海嘯、階地實測及海陸變遷調查;④ 廠址區的溫泉、熱流值資料收集;⑤碳14年齡測定;⑥航測航磁資料深部結構分析;⑦基礎變形、地應力測量等。

(2)水文水工勘測:這是核電建設施工勘測的基礎。包括:①區域降水歷史調查;②廠址范圍地表水與地下水活動勘測;③廠址區地貌查勘;④廠址區綜合水文地質分析;⑤核電水工程諸如取水隧洞、基礎開挖、深坑邊坡穩定性與水文條件關系考察等。

(3)環境保護(含水域、陸域及大氣)。這是核電站建設與運營期必須勘測的內容。包括:①核電站選址水域勘測諸如水深、波浪和涌波實測;②大量水工構筑物和海工設施諸如防波堤、碼頭、取排水設施和泵房的地質勘測;③ 海域軟土的分布及厚度，以及軟土的一般物理力學性質試驗;④陸域勘測結果與核島定位關系分析;⑤陸域巖體風化厚度及發育性狀勘察;⑥高邊坡穩定性、土石方工程量、地基軟硬相間對工程環境影響研究等。

表2 中國擬建核電站Table 2 Nuclear power plants planned to be built in China

3.2 核電站施工土石方開挖與處理

目前，中國核電站絕大多數建在堅硬的巖漿巖地區，少量建在沉積巖地區。而在建與已建的核電站尚無變質巖地基。為此，核電站施工所出現的巖土工程問題主要是硬巖的爆破開挖及其質量控制標準研究，軟巖的爆破擠淤加固基礎處理［6－14］。

3.2.1 硬巖爆破開挖及其質量控制［15－17］

在核島負挖中，硬巖爆破開挖多采用核島基坑主體首層及周邊邊坡開挖、主體中間層開挖和主體預留底板垂直保護層及溝槽開挖3步驟施工法，距爆源30 m處基巖質點振動速度峰值不大于5cm/s;主體中間層開挖時不大于2.5cm/s;主體預留底板垂直保護層開挖時不大于1.5cm/s。與此同時，開挖的質量控制標準是:邊坡采用預裂爆破，其允許超挖不大于15cm;基底開挖清理后允許超挖不大于20cm且不允許欠挖。

3.2.2 核島負挖基坑支護體系的施工措施［18－19］

鑒于負挖基坑支護體系允許爆破振動速度為8～10cm/s，施工中應作如下措施才能滿足設計要求。

(1)限制爆破振動源強度(一次爆破裝藥量)。根據保護對象所在地面質點振動的安全允許速度和保護對象至爆心距離，及爆破安全規程(GB6722-2003)的振動速度公式v=k(Q1/3/R)a計算出爆破振動安全允許裝藥量，作為不產生爆破振動危害的參考用藥量。并在此基礎上進行優化。

(2)分段延時起爆，降低單位時間內爆炸能量的釋放。分散均勻布藥，優化起爆網路，分段延時起爆;孔內采取合理的分段數、起爆順序和延時間隔時間，將每段藥包的爆破振動控制在安全允許范圍內。

(3)按微分原理均勻釋放爆破能量，在裝藥段上部設置空氣柱，緩沖爆破能量，降低初始壓力，降低峰值效應。

(4)在爆區與保護對象間鉆減振孔，降低爆破振動強度，減少爆破振動危害。

(5)在鄰近支護樁實施預裂切割爆破，將爆區與主護樁實施隔離，降低爆破振動波對支護樁的作用能量。

(6)采用先基坑中間，后臨近支護體系邊坡的開挖順序，盡可能減少樁體處的爆破規模和炮孔排數，使網路相對簡易化，具有較強操作性的同時也避免了振動波的疊加。

3.2.3 核電站軟基爆破擠淤處理

在核電站建設項目中，往往因其取水明渠建在近海防波堤附近，而防波堤堤基又系淤泥等軟基。為此，為保護防波堤斜坡式結構的穩定，采用如圖1爆破擠淤處理工序。拋填要求“堤身先寬后窄，石料外大內細”;堤頭爆破前拋填時要求平臺寬度和厚度一次到位，爆后堤身縮窄到設計堤頂寬度控制方量。堤頂爆前高度為5.0～6.0 m，寬度為36 m;爆后高度為4.0～4.5 m，寬度為22 m。堤頭爆填進尺為8 m，每推進50 m進行一次側向爆填，如此循環直達到設計堤長。爆破前后要進行堤身斷裂面測量，發現與設計有偏差時，應及時調整爆填參數，最終采用體積平衡法或沉降位移法對堤身進行檢測驗收。

圖1 爆破擠淤工序Fig.1 Process of mud displacement by blasting

按圖1爆破擠淤工序在福建福清核電工程中實施所出現的爆破最大質點振速及其控制標準見表3。

表3 福清核電工程各監測區出現的最大質點振速峰值Table 3 Maximum particle vibration velocity in the monitored areas of Fuqing nuclear power plant

利用 Young 計算式［20］，有

式中:W為一次起爆藥量(kg);Wf為魚的的質量(kg);dw為爆炸發生處的水深(m)。以養殖場距爆破擠淤區域最近距離500 m為例，當Wf=0.5 kg、Wf=520 kg、dw=8 m 時，R≈421 m﹤500 m，R為鰾魚類90%存活率的安全距離(m)。由福清核電站最大段藥量的估算結果可知，爆破擠淤對周邊養殖場的危害較小。

3.3 核電站取水隧洞三維抗震設計

按《核電廠抗震設計規范》(GB50267-97)規定，取水隧洞為Ⅰ級建筑物。通常，以地震烈度為7度作設防。考慮到隧洞圍(土/巖)與結構之間的靜力和動力相互作用影響，國內已由“擬靜力法”轉向以動力有限元法為代表的三維數值法，并獲得某核電站取水隧洞圍巖的為V類片麻巖在場址時程地震波(time history of the site seismic wave)作用下馬蹄形與圓形斷面隧洞的三維抗震計算結果［21－22］(見表4)。

表4 圓形與馬蹄形斷面隧洞襯砌內力比較Table 4 Comparison of the inner forces on round and horseshoe tunnel linings

由此可見，兩種地震動作用下襯砌的內力結果一致，馬蹄形斷面隧洞襯砌的內力最大值要高于圓形斷面，圓形斷面隧洞襯砌的受力更加合理，說明圓形斷面的支護結構要優于馬蹄形斷面。

3.4 核電機組基礎灌漿

核電機組尤其是單機容量在100萬kW以上的機組基座，是當前核電建設及其運營中關鍵的課題之一。以江蘇省田灣核電站為例，該核電站由2座核反應堆提供蒸汽動力給常規島2臺100 kW的發電機發電。在常規島里配置了4臺發電機組(2臺工作，2臺備用)。這4臺機組是安裝在下裝彈簧(長×寬×高=12 m×5 m×3 m)的柔性混凝土機座上，在機座混凝土上埋螺栓。發電設備安裝后，需要用無收縮灌漿料把螺栓與設備基礎固定處填充密實后，用灌漿料設備基礎和柔性基座連在一塊，形成一個整體機座。安裝后的設備基礎，應能抵擋住發電機工作時產生的動荷載，不產生開裂［22］。

3.4.1 水泥基灌漿料的選擇［23～24］

目前建材行業，水泥基補償收縮灌漿料品種多、質量差異大，選擇滿足工程要求的灌漿料是保證工程質量的前提。田灣核電站使用的3種灌漿料性能比較如表5所示，3種灌漿料的組分見表6。

表5 灌漿料性能比較表Table 5 Comparison of the performance of grouting materials

表6 灌漿料骨料篩分試驗結果Table 6 Test results of aggregate screening of grouting materials

經室內試驗(含模擬)與現場實用結果比較，最后選擇乙料，并得到中、俄雙方核電專家認可。

3.4.2 乙料施工關鍵技術

(1)灌漿料的質量控制:灌漿料中骨料含量低于50%時，由于漿體水灰比過小，漿體黏性大，空氣也不易排出，易出現干縮裂紋或空洞現象。根據現場統一使用乙料，對每批次進場，都必須按GBJ50119規定的試驗方法進行試驗，確保每批進場灌漿料的質量。

(2)灌漿料施工方法:灌漿料的灌注方式，根據設備基礎的形狀、尺寸大小和深度，可選擇自落式灌漿和壓力灌漿。壓力灌漿必須用專門的灌漿設備，并且要做模擬試驗，編寫施工方案，審批后方能執行。灌漿料水灰比低，失水時極易出現干縮裂紋，因此在漿體初凝后即要保濕養護(條件容許時，盡量在漿體終凝后蓄水養護)，養護時間不宜少于14 d。

3.5 核電施工監測與環境保護

核電建設全過程中的監測與環境保護，是核電站建設成敗的關鍵。目前，百萬級裝機容量施工期一般為3～5年，運營期為40～60年。施工與運營疊加計劃為3～65年范圍。以變形監測來控制施工及運營安全;以核電廠對水庫環境影響來調控核電生態環境安全平衡。

3.5.1 核電站建設的變形監測內容［25］

(1)執行HAF0300《核電站運行安全規定》和HAF0303《核電站重要建筑物的監測規定》;

(2)確保EAU《安全殼儀表系統》、KIS《地震儀表系統》及《松動部件和振動監測系統》等系統正常工作;

(3)收集和掌握核電站各類地面及高層建筑物的最大變形信息量;

(4)滿足施工特殊需要，如核島安全殼內預應力張拉時對貫穿件(+11.5，+15.5 m)所引起的形變量;

(5)核電站環境監測積累背景值，包括:溫度、地下水位、大氣降水、地傾斜、固體潮、海潮、海水面測量等。

3.5.2 核電站溫排水環境影響

到目前為止，核能是唯一被證實的不僅能夠提供大量能源，而且不會釋放溫室效應氣體的能源技術，但是核能發展仍面臨著一些問題，如核電站的“溫排水”問題。與一般的火電廠相比，核電站的熱效率偏低，僅為30%～35%，大部分熱量被冷卻水帶走，加之核電機組循環水量是火電機組的1.2～1.5倍，棄熱量較多。核電站大量的冷卻水不斷排入受納水體，造成水域溫度升高，影響水體水質，危害水中生物的生長，對周圍水域造成熱污染。水溫的升高會加快有機污染物的分解速度和水中生物的呼吸頻率，使耗氧量增加;一些污染物的毒性在水溫升高后加劇。

在我國以航空遙感測量為主、航天遙感為輔的“溫排水”調查及其影響分析技術已廣泛應用于大亞灣、秦山等已建運營的核電站。既可為核電站的環境影響評價提供可靠依據，還可以對核電站新擴建核電項目的取、排水口的位置優化提供參考依據，并可指導核電站的設計和建設工作，使其對環境的影響降至最低。

3.5.3 內陸核電子對水庫環境影響

國際原子能機構(IAEA)將核電廠址分為海濱、濱河和濱湖3類，我國習慣上將濱河、濱湖廠址統稱為內陸廠址。世界范圍內的核電廠以內陸廠址為主。目前，全世界207座運行核電廠中有118座位于內陸。內陸核電廠中濱河廠址占大部分，大都位于各國流量較大的主要河流或主要支流附近，我國湖北省咸寧核電廠是其中一例。該核電廠與富水水庫位置見圖2。

圖2 咸寧核電廠及富水水庫位置示意圖Fig.2 Location of Xianning nuclear power plant and Fushui reservoir

張曉峰等人的研究表明［26］:

(1)雖然核電廠放射性釋放對于水庫環境及飲用水源的輻射影響很小，但核素在水庫中的累積效應仍不容忽視。我國目前亟需制定地表水體中放射性指標限值，同時應加強核素在內陸水體中遷移的放射生態學和對生物的輻射劑量學及輻射生物效應研究。

(2)建設內陸核電廠需重點關注水環境影響。對于淡水水體，核電廠排放余氯可能是不可忽視的因素，相關人員應關注電廠運行中的余氯影響程度和范圍，研究并制定淡水物種對于余氯的安全濃度標準。

(3)水庫相對海洋和大江大河來說，水體稀釋擴散能力有限，建設內陸核電廠，特別是濱湖核電廠時應盡量使用二次循環冷卻方式，避免使用直流冷卻方式，如采用直流冷卻，應設置必要的冷卻水面以減少熱影響。

(4)根據現有運行經驗，采用二次循環冷卻方式可有效減少冷卻系統的機械作用影響。核電廠可考慮通過在取水系統中加裝旋轉濾網等措施，進一步減少取水對水生物可能的卷吸和撞擊等影響。

4 結語

(1)對核能與化石能源(煤、石油)及非化石能源(太陽能、風能、海洋溫差能、木醇能、生物能及天然氣能)的安全性能及技術、經濟和環境影響分析比較，結果表明，核電是一種安全、清潔、經濟、環保可持續的綠色能源。

(2)中國核電站建設中，巖土工程(含巖土地質介質的勘測、施工、監測、環境保護)具有不可替代的重要地位。實踐表明，中國核電站建設中巖土工程研究目的明確:安全第一、內容配套齊全、環保效果凸顯。

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