核電廠巖土工程勘察階段劃分及若干問題討論

王中平，戴聯筠

(電力規劃設計總院，北京 100120)

核電廠巖土工程勘察階段劃分及若干問題討論

王中平，戴聯筠

(電力規劃設計總院，北京 100120)

核電廠巖土工程勘察階段劃分及勘察深度的確定是核電廠巖土工程勘察工作的核心內容，直接關系到各階段巖土工程勘察工作是否能夠合理滿足核電廠工程建設的需要，也影響到核安全。本文結合參加國標《核電廠巖土工程勘察規范》編制和《巖土工程勘察規范》GB50021－2009核電廠相關章節修訂的體會，簡要分析了核電廠巖土工程勘察階段的劃分及勘察要點，并對核電廠勘察涉及的若干問題進行了討論。

核電廠；勘察階段；勘察要點。

1 概述

核電廠工程是一個復雜的系統，從廠址選擇、工程設計與建造、裝料運行直至退役，不同階段對應著不同的技術與安全要求。巖土工程勘察幾乎貫穿了核電廠工程建設的全過程，相關工作也需要分階段逐步完成。巖土工程勘察階段劃分及勘察內容與相關法律法規、技術標準和工程建設程序等密切相關，合理的勘察階段劃分和勘察內容深度規定，可以使巖土工程勘察滿足核電廠工程建設各階段的需要，促進核電廠巖土工程勘察工作的規范化，降低工程建設遭遇地質災害的風險，并為解決復雜巖土工程問題奠定基礎，也為核電廠的安全運行提供必要的專業支持。

對于大多數工業項目，巖土工程勘察階段的劃分遵循基本建設工作程序即可。核電廠工程建設項目，巖土工程勘察階段的劃分除應滿足基本建設工作程序外，還應符合核安全法規與導則的規定，滿足核安全監管的要求，這是核電廠與其他工業項目最明顯的不同點。

2 核電廠巖土工程勘察階段的劃分

2.1 基本建設程序與勘察階段

巖土工程勘察的主要服務對象是工程設計，傳統上勘察階段的劃分在遵循基本建設程序的原則下，均要求勘察階段與設計階段相適應。例如：火力發電廠巖土工程勘察階段分為初步可行性研究階段勘察、可行性研究階段勘察、初步設計階段勘察和施工圖設計階段勘察[1]，在工程建造和運行階段，只在必要時開展一些工地服務和檢測、監測工作。雖然我國正在由傳統的計劃經濟體制向市場經濟體制轉變，企業投資建設項目已由審批制改為核準制，但勘察設計階段的劃分方式變化不大，對于大型工業建設項目，基本上仍執行上述階段劃分原則。

2.2 核安全導則中的工作階段劃分

核電廠與一般工業項目的最大區別在于，除項目自身功能的需要以外，還要滿足核安全的要求，即在核電廠正常運行情況下，放射性廢物的排放應在可接受的水平，事故狀態下，則應確保公眾和環境免受放射性事故釋放所引起的過量輻射的影響。我國已經建立了較為完整的核安全標準體系，這些標準大多由國際原子能機構(IAEA)的相關標準翻譯轉化而來，與國內建設工作程序的要求存在一些差異。

我國核安全導則《核電廠的地基安全問題》HAD101/12(該標準由IAEA安全導則No.50－SG－S8，Safety Aspects of Foundations of Nuclear Power Plants轉化而來)規定，廠址勘察的任務可視情況安排在廠址查勘階段至廠址詳細鑒定階段之間的所有階段中。主要階段為：

(1) 廠址查勘。在該階段內，經過大區域的研究和勘察后選定一個或幾個優先候選廠址，包括否定不可接受的廠址，對其余可接受的幾個廠址進行篩選和比較。

(2) 廠址評價。可進一步細分為：

① 廠址初步可行性研究，確定所選廠址的初步可行性；

② 廠址驗證，驗證廠址的適宜性；

③ 廠址評定，確定分析和詳細設計所需的廠址特征。

(3) 運行前階段。在核電廠開始建造和開始運行前，繼續進行前幾個階段開始的研究和勘察，以完善和改進對廠址特征的評定。

IAEA在2003年頒布安全導則NS－G－3.6(替代No. 50－SG－S8)，Geotechnical Aspects of Site Evaluation and Foundations for Nuclear Power Plants ，其中勘察工作對應的階段為：

(4) 選址階段。通過一個大區域調查，否定不適宜的廠址，篩選和比較剩余的廠址，從而挑選出一個或多個優先候選廠址。

(5) 特征描述階段。本階段又進一步分為兩步驟

① 核實，主要根據預先確定的廠址排除準則來核實作為核電廠廠址的適宜性；

② 驗證，為分析目的和詳細設計確認所需要的廠址特征。

(6) 運行前階段。在核電廠開始建造之后和開始運行之前繼續在前面各階段進行的調查研究，以完成和完善對廠址特征的評價。利用獲得的廠址數據來最后評價在最終設計中使用的模型。

(7) 運行階段。在核電廠壽期內繼續進行選定的調查。

我國擬根據IAEA安全導則 NS－G－3.6編制新版安全導則《核動力廠廠址評價和地基的巖土工程問題》替代已經執行多年的《核電廠的地基安全問題》HAD101/12，相關文本已經完成但尚未正式發布。

2.3 核電廠巖土工程勘察階段

傳統的基于項目建設程序的勘察設計階段劃分與核安全導則的規定并不完全吻合，而核安全監管的要求是必須遵守的，因此核電廠巖土工程勘察階段的劃分需要兼顧項目建設程序和核安全標準規定的需要。

對上述各階段的工作內容分析顯示，傳統的勘察階段劃分與核安全導則中工作階段的劃分存在基本的對應關系。

核安全導則中的廠址查勘階段和廠址評價中的初步可行性研究階段，大致相當于目前建設程序中的初步可行性研究階段勘察，其中包括廠址普選階段的調查工作。

廠址驗證階段的工作內容與現行可行性研究階段的勘察要求相當。

廠址評定階段的工作內容與初步設計和施工圖設計階段的勘察要求基本一致。

基于上述分析，綜合考慮核電廠建設程序的要求和核安全監管規定，并充分吸取近年來我國在核電廠巖土工程勘察中的經驗積累，核電廠巖土工程勘察階段的劃分采用了如下方案：

(1) 初步可行性研究階段勘察(簡稱初可研勘察，含廠址普選)。

(2) 可行性研究階段勘察(簡稱可研勘察)。

(3) 初步設計和施工圖設計階段勘察(簡稱設計階段勘察)。

(4) 工程建造階段勘察(簡稱施工勘察)。

即將發布實施的國標《核電廠巖土工程勘察規范》和正在修訂的《巖土工程勘察規范》GB50021均采用了上述勘察階段劃分方案。

3 各階段勘察要點和若干問題討論

3.1 各階段勘察要點

3.1.1 初可研勘察

初可研勘察應了解各擬選廠址的區域地質、地震背景，初步查明廠址區工程地質、水文地質條件和主要巖土工程問題，初步排除顛覆性因素，對廠址的適宜性、場地穩定性、主要建筑物地基條件進行初步評價，為廠址比選提供依據。

初可研勘察評價的重點是擬選廠址的適宜性。需要特別關注主廠區(核島與常規島所在區域)地基條件，擬選廠址必須具備滿足核島等主要建筑物要求的良好地基；不良地質作用地質災害也是勘察的重點，例如：位于廠址附近或可能通過廠址的斷裂構造、巖溶等，這些均有可能成為影響廠址適宜性的主要因素。

初可研勘察通常需要針對兩個以上廠址進行，巖土工程勘察結果將作為廠址比選和確定優先候選廠址的依據，勘察內容深度還要滿足編制初步可行性研究報告的需要。

由于初可研勘察投入的工作量有限，對于勘察結論意見的不確定性應予以注意，并應給出下階段繼續進行研究的意見。

廠址普選工作在初可研階段的先期進行，通常并不作為一個完整獨立的工作階段，而是統一劃歸初可研階段。廠址普選的巖土工程勘察以搜集分析現有資料為主要方法，結合現場踏勘調查，確定適宜選擇核電廠址的區域，篩選區域地質背景和工程地質條件較好的潛在廠址。廠址普選一般不進行現場勘探工作。

3.1.2 可研勘察

可研勘察應基本查明廠址區的工程地質條件和巖土工程問題，初步確定巖土參數，在初可研勘察的基礎上進一步評價廠址在巖土工程方面的適宜性，為核島定位和總平面布置方案的優化提供依據。

可研勘察是對初可研勘察廠址適宜性結論的進一步驗證，通過本階段的勘察要徹底排除顛覆性因素，為廠址的最終確定提供支撐。

可研勘察時，主廠區的位置是基于初可研勘察結果初步確定的，并不是最終位置。主廠區位置的確定是進行全廠總體規劃和優化總平面布置方案的先決條件，確定主廠區位置考慮的主要因素之一就是地基條件，可研勘察應對主要建筑地基的穩定性、均勻性和適宜性進行評價，為總平面布置方案的確定奠定基礎。鑒于本階段所投入的勘察工作量已經較多，通過可研勘察，應初步確定地基巖土參數，推薦的參數值應有一定的包容性，以便與下階段的詳細勘察結果相協調。

可研勘察應該采用多種勘察手段和方法，勘探點通常采用網格布置方案，核安全導則亦推薦采用網格布置方案，但在具體操作時，應結合廠址條件合理調整，核島區域必須有勘探點，對于主廠區和巖土條件復雜的地段，應重點布置勘探工作。

可研勘察內容深度還應滿足編制項目可行性研究報告和廠址安全分析報告的要求。

3.1.3 設計階段勘察

設計階段勘察主要針對各建筑地段或具體建筑物開展，通過勘探、測試與試驗查明巖土的分布特征，確定巖土參數，為施工提出建議。本階段重點分析評價建筑物地基的穩定性和均勻性。

初步設計階段可分區對核島、常規島、水工建筑、附屬建筑進行勘察評價；施工圖設計階段對核島、常規島地段進行必要的補充勘察，并應根據確定的總平面布置完成附屬建筑物、水工建筑物勘察。

在初步設計階段，主廠區和大多數建筑物的位置已經確定，具備針對具體建筑進行勘察的條件，對于建筑物位置沒有確定的地段，可按區域進行勘察。少量位置尚未最終明確的BOP建筑，可留待施工圖設計階段勘察。

基于國內核電建設經驗，在初步設計之后將開始主廠區負挖，因此，對于核島和常規島所在的主廠區，初步設計階段勘察與施工圖設計階段勘察通常合并一次完成，勘察工作深度應同時滿足初步設計和施工圖設計的需要。

設計階段勘察針對具體的建筑物開展，必須確保每一個核安全相關建筑都有直接的勘探測試工作。

隨著環境約束條件日趨嚴格，采用二次循環冷卻方式的核電項目會越來越多，目前正在研究的核電廠大型冷卻塔的淋水面積已達到18000m2以上，塔的高度超過200m，塔群的占地面積已經占到廠區總面積的一半以上，在確保核島優先具備良好地基的情況下，冷卻塔地段的地基條件往往較差，經常會涉及大厚度填方地基的處理和樁基方案優化選擇等復雜巖土工程問題，在這方面目前的重視程度不夠。

設計階段勘察內容深度還應滿足編制初步安全分析報告和最終安全分析報告的要求。

3.1.4 施工勘察

這一階段是核電廠獨具特色的勘察階段，需要進行大量詳細的地質測繪編錄工作。

工程建造階段勘察主要進行現場檢驗、監測和負挖基坑的測繪編錄工作，必要時進行補充巖土工程勘察和試驗工作。

本階段應通過負挖結果的觀察、測繪與編錄，對前期巖土工程勘察結論進行檢驗，進一步完善對廠址特征、地基模型的分析評價結果。

對于負挖揭露的重大問題，應開展必要的補充勘察分析，在查明產生問題的主要原因后制定處理方案與措施。

施工勘察的內容深度還應符合編制最終安全分析報告的要求。

3.2 核電廠巖土工程勘察的若干問題

3.2.1 基巖廠址與非基巖廠址

基巖廠址通常指核島等主要建筑可以直接采用中等風化及以上巖體作為地基的核電廠址，基巖廠址不需要進行復雜的土－結構相互作用分析；非基巖廠址指核島等主要建筑采用全風化和強風化巖體、軟巖或硬土層作為地基的核電廠址。國內尚沒有以軟弱土層作為核島地基或采用人工地基的核電廠址，國外也極為少見。

I A E A的安全導則N S－G－3.6，Geotechnical Aspects of Site Evaluation and Foundations for Nuclear Power Plants，出于地震反應分析的目的，根據剪切波速度將廠址分為3類：

Ⅰ類廠址，Vs＞1100m/s；

Ⅱ類廠址，1100m/s＞ Vs＞300m/s；

Ⅲ類廠址，300m/s＞ Vs。

新編國標《核電廠巖土工程勘察規范》采納了上述分類原則，并進一步予以細化。從剪切波速值看，并未排除非基巖廠址，其中第Ⅲ類廠址將會面臨許多復雜的巖土工程問題，現狀條件下不宜作為核電廠址，對于第Ⅱ類廠址，可能需要根據具體情況和存在的問題專門研究。

經過多年選址工作的積累，我國已經儲備了相當規模的核電廠址資源，這些廠址基本都是基巖廠址，絕大多數廠址核島地基巖體的剪切波速大于1100m/s，僅個別廠址的核島地基條件稍差，剪切波速數值較低。

目前國內核電廠址多為基巖廠址的原因：一是核島對地基條件的要求很高，出于確保核安全的目的，在選址時有意識的選擇了基巖條件較好的廠址；二是先期引進的機組建設采用了基巖廠址，而后續機組多采用翻版建設的模式，套用了對基巖廠址要求。

對基巖廠址的過度追求也帶來了一定的負面作用，例如：為確保核島采用巖石地基，往往需要尋找較大的完整山體，造成工程土石方工程量巨大和復雜的高邊坡問題，也一定程度上推高了工程的造價水平。目前國內引進的以AP1000堆型為代表的三代核電機組，對地基條件具備更寬的適應性，而在今后一段時期核電建設將以三代堆型為主，因此核電選址應適當放寬地基條件，這樣有利于擴大適宜選址的區域，并選擇出綜合條件更優的廠址。

現有核電廠址以基巖廠址為主，核電勘察經驗的積累也大都來自于基巖廠址的勘察實踐。因此，在編制核電廠勘察技術標準時，對于勘察工作量的規定和評價內容更適用于基巖廠址，當前還缺乏對于非基巖廠址的勘察評價經驗。

例如：河北東南部某擬選核電廠址，不是典型的基巖廠址，上部為厚約50m的第四系覆蓋層，其下主要為第四系玄武巖等，初步判斷分布穩定且厚度較大，擬作為樁基持力層，玄武巖下部仍為第四系松散層。擬選廠址地處濱海平原，傳統的工程地質調查和測繪的作用得不到發揮，而初可研階段鉆探工作量較少，此時巖土工程勘察評價的難度很大。對于這樣的廠址就不能簡單照搬基巖廠址的勘探經驗，需要對勘察方案進行專門研究。

3.2.2 勘探深度

勘探深度的確定應根據勘察階段的內容深度要求，結合上部結構設計分析需要和廠址巖土特性綜合確定。

IAEA安全導則NS－G－3.6，Geotechnical Aspects of Site Evaluation and Foundations for Nuclear Power Plants，是IAEA于2003年聘請各國專家在總結各核電先進國家經驗基礎上制定的，我國準備用該導則替代1990年發布的《核電廠的地基安全問題》HAD101/12。在新版核安全導則《核動力廠廠址評價和地基的巖土工問題》(待發布)中，對于勘探深度在廠址選擇和驗證階段(相當于初可研勘察和可研勘察階段)并沒有明確的規定，但提出要特別注意識別不良的地下特征，例如洞穴帶、膨脹巖和頁巖、氣穴、軟弱帶或晶質巖石的不連續點、以及由不穩定地層決定的潛在滑動面等。在廠址確認階段(相當于設計階段勘察)給出了勘探深度的原則要求：“所需的鉆孔深度隨廠址條件而變化，但鉆孔應深到足以能全面描述對結構有影響的廠址條件，并驗證前階段勘察已確定的土和巖石條件。在土層很厚的地方，為了評定廠址潛在的深層不穩定性，從工程的角度出發，最小鉆孔深度可取在如下深度處：在建造過程中或建造后，該深度處垂直應力的變化小于原位有效上覆壓力的10%。如廠址為巖石廠址，或者在小于上述建議的深度處遇到穩定的巖石，則鉆孔應穿透能影響基礎穩定性的突變點、軟弱帶或蝕變作用的最大深度處。對于風化頁巖或軟巖廠址，鉆孔深度應與土層鉆孔深度相同。”

在美國N R C導則R G 1.1 3 2，S i t e Investigations for Foundations of Nuclear Power Plants(2003版)[4]中對于廠址勘察的最小勘探深度也給出了規定，其中就包括NS－G－3.6中的有效上覆壓力準則，IAEA標準應該是借用了NRC標準確定的原則。此外RG1.32還規定，所有鉆孔應該深入到基礎底面以下至少10m(33ft)；在預定勘探深度內遇到可勝任的巖石(competent rock)時，鉆孔也應該穿透可能對地基有影響的突變點、軟弱帶或蝕變的最大深度處，并且至少進入堅固巖石(sound rock)6m(20ft)。RG1.32的規定更加詳細和全面。

與國外標準不同，國內勘察標準對于勘探深度的規定更加具體，一般都會給出不同勘察階段或不同建筑地段的勘探深度規定。廠址條件千差萬別，標準中過于具體的勘探深度規定難以包容廠址條件變化對勘探深度的影響。還是上述河北某核電廠址的例子，廠址上部厚約50m的第四系覆蓋層，向下為厚約80m～130m的火山巖，之后又是巨厚的第四系松散層，基巖埋藏深度在數百米以下，在設計速測試鉆孔的深度時就遇到了困難，地震部門要求鉆孔盡量深入至基巖，可數百米的深度已經遠超一般工程勘察鉆孔的深度，也超出了現行核電勘察技術標準對勘探深度的規定，對鉆探和波速測試都提出了嚴峻挑戰。對于此類特殊情況，勘探深度需要專門研究。

在初可研勘察與可研勘察階段，勘探深度的確定應能夠查明廠址區范圍與工程建設密切相關的巖土層的分布和工程特性，在設計勘探孔深度時，宜深不宜淺，應達到可能有潛在影響的深度范圍。

設計階段勘察，勘探點的深度應重點考慮工程分析和詳細設計的需要。

上述在確定勘探深度時關于上覆壓力的規定沿用的是常規靜態沉降變形控制的原則，但在核電廠巖土工程勘察中，為開展土－結構相互作用(SSI)研究建立土層模型的需要，跨孔波速測試鉆孔的深度遠超服務于一般工程目的的鉆孔深度，最深的鉆孔往往是用于跨孔波速測試的鉆孔，鉆孔深度的確定主要取決于土－結構相互作用分析中的下邊界。對于波速測試鉆孔的深度，業內在認識上存在差異，有專家認為SSI分析的下邊界取1.5倍基礎寬度已是不敏感的深度了，對于現有絕大多數廠址，這一深度基本可以滿足要求。綜合國內不同類型核電機組勘察經驗，國標《核電廠巖土工程勘察規范》中確定核島區的勘探深度為1.5～2.0倍反應堆廠房直徑是適宜的。

3.2.3 勘察成果的不確定性

巖土工程勘察是通過有限的調查、勘探、測試和試驗工作對廠址和地基進行評價，由于研究對象的復雜性，勘察手段和方法的局限性以及勘察人員對問題認識的有限性，都可能使得勘察成果存在一定的不確定性。

核電廠工程在進入負挖階段后，常常會發現揭露的地下情況與先前的勘察結論存在一些不一致，有時甚至是較大的差異。這也是為什么國內外核安全標準均要求在此階段應根據開挖揭露的數據進一步完善對廠址特征評價的原因。

我國常規火力發電廠工程中曾有勘察成果出現較大不確定性的案例：貴州某火電廠，在歷經初可研、可研、初設和施工圖勘察后，在施工時仍然在主廠房區域出現大型廳堂式溶洞，這固然有勘察方案合理性和現場實施方面的問題，但從另一方面也印證了勘察工作的復雜性和不確定性。

在核電廠工程建設中也有類似的案例：遼寧某核電廠核島地基開挖時發現在中等風化和微風化地基巖體中存在性質差異較大的強風化“捕虜體”，對地基的均勻性造成影響。江蘇某核電廠，開挖后也在核島區域發現了“特殊地質體”——老斷層，且斷層破碎帶巖體與周邊巖體的性質差異較大。上述兩個事例出現后都曾反復開會研究處理方案，對工程建設造成影響。

核電廠巖土工程勘察與常規建設項目的巖土工程相比，各種勘察手段和方法以及人力物力財力的投入較大，對勘察工作質量的關注也遠超一般項目，但即使這樣勘察成果仍然會出現一定程度的偏差。我們必須客觀的認識勘察工作中存在的這種不確定性，并盡量減少這種不確定性的不利影響。

4 結語

我國煤炭為主的能源消費結構造成了嚴重的環境問題，迫切需要進行調整，長遠看，煤電所占比重將會下降，而核電等新能源發電的比重將逐漸提升，核電廠巖土工程勘察是核電項目建設過程中的重要環節之一，合理的劃分勘察階段并規定相應的勘察工作內容，對于核電廠巖土工程勘察至關重要。本文結合參加國標《核電廠巖土工程勘察規范》編制和《巖土工程勘察規范》GB50021核電廠相關章節修訂的體會，對核電廠巖土工程勘察階段劃分和勘察要點進行了簡要分析，并對核電廠巖土工程勘察中若干問題進行了討論，相關內容可供核電勘察同行參考。

[1]DL/T 50574－2006，火力發電廠巖土工程勘測技術規程[S]．

[2]HAD101/12，核電廠的地基安全問題[S]．

[3]NS－G－3.6, Geotechnical Aspects of Site Evaluation and Foundations for Nuclear Power Plants[S].IAEA.

[4]RG1.132, Site Investigations for Foundations of Nuclear Power Plants[S].NRC.

[5]費全昌．我國冷卻塔應用現狀及面臨的挑戰[J]．電力勘測設計，2014，(2)．

Discussions on Stage Division and Some Issues of Geotechnical Investigation for Nuclear Power Plant

WANG Zhong-ping, DAI Lian-yun
(Electric Power Planning & Engineering Institute, Beijing 100120, China)

The stage division is one of main contents of geotechnical investigation for nuclear power plant. It is introduced that stage division and main contents of Geotechnical Investigation Code for Nuclear Power Plant which will be issued recently in this paper, and some issues about geotechnical investigation are discussed.

nuclear power plant; investigation stage; investigation main content.

P642

B

1671-9913(2014)03-0013-06

10.13500/j.cnki.11-4908/tk.2014.03.003

2014-04-31

王中平(1960- )，男，吉林吉林人，工學博士，教授級高級工程師，主要從事電力工程咨詢和評審工作。