核電廠巖體質(zhì)量等級(jí)可拓評(píng)判方法應(yīng)用研究

郭 濤，賈 寧，湛 川

(1．國(guó)網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031; 2．中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120)

工程巖體級(jí)別不僅與巖體基本質(zhì)量等級(jí)、地下水、初始應(yīng)力狀態(tài)等因素有關(guān)，而且還受工程種類的影響。與火力發(fā)電廠不同，核電廠建筑物安全等級(jí)更高，對(duì)地基承載力和變形要求很高，其主要建(構(gòu))筑物一般要求建于穩(wěn)定的基巖上。從降低風(fēng)險(xiǎn)角度，目前核電廠選址工作中優(yōu)選剪切波速大于1100 m/s，地基承載力特征值fak≥1 MPa的硬質(zhì)基巖場(chǎng)地。該類場(chǎng)地條件下，地基在靜荷載作用下的強(qiáng)度和變形問(wèn)題可以忽略，在地震動(dòng)態(tài)分析時(shí)，也可不考慮地基與結(jié)構(gòu)的相互作用。但從我國(guó)核電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，該條件并不是必須條件，選用其它類型場(chǎng)址，仍然是可行的，但應(yīng)遵循從多個(gè)備選場(chǎng)址擇優(yōu)選取的原則。如何從巖體勘測(cè)所得多個(gè)指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)各廠址巖體地基優(yōu)劣，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并未給出具體方法。作為工程勘測(cè)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，能否準(zhǔn)確而客觀地評(píng)價(jià)核電廠工程巖體級(jí)別，對(duì)于核電工程安全和建設(shè)投資均有重要影響。

1 巖體質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)方法比較

目前，對(duì)于巖體質(zhì)量等級(jí)的評(píng)價(jià)方法很多，這些方法都是以定性和定量?jī)蓚€(gè)方面相結(jié)合來(lái)評(píng)價(jià)的，所考慮的因素包括巖石強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面、巖體賦存環(huán)境和其它一些綜合因素，其計(jì)算及評(píng)價(jià)方法概括起來(lái)有和差法、積商法或綜合打分法等。

在這些分類方法中，每一種方法所考慮的因素都基本上是固定的。而在核電勘測(cè)中，一般均對(duì)巖體多個(gè)方面的特征進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查和測(cè)量，如飽和單軸抗壓強(qiáng)度、完整性指數(shù)等。針對(duì)不同區(qū)域及規(guī)模的核電廠，調(diào)查和測(cè)量的指標(biāo)也有所不同。因此，傳統(tǒng)的方法難以全面反映核電巖體質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)需要考慮的因素。同一種方法對(duì)于不同核電廠的通用性較差，因此，核電工程實(shí)踐中需要一種新的、指標(biāo)選取靈活的評(píng)價(jià)方法。

值得注意的是，巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)問(wèn)題是一種復(fù)雜的矛盾問(wèn)題。例如，某一種巖體如果按巖石硬度來(lái)劃分，屬于Ⅰ類；如果按節(jié)理的發(fā)育程度來(lái)劃分，則屬于Ⅱ類；按RQD分類，則屬于Ⅲ類。那么對(duì)該巖體質(zhì)量等級(jí)的綜合評(píng)價(jià)就是一個(gè)矛盾問(wèn)題。因此，有必要引進(jìn)一種能夠處理矛盾問(wèn)題的新方法。

基于以上工程背景，本文提出將可拓方法應(yīng)用于核電廠巖體質(zhì)量等級(jí)分類中。并對(duì)某核電廠3個(gè)候選廠址的巖體質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為優(yōu)選廠址提供了客觀依據(jù)。

2 可拓法研究現(xiàn)狀

1983年，蔡文發(fā)表《可拓集合和不相容問(wèn)題》一文，標(biāo)志著可拓學(xué)的誕生。可拓學(xué)研究始于對(duì)不相容問(wèn)題的轉(zhuǎn)化規(guī)律與解決方法的研究，現(xiàn)已發(fā)展到可拓信息、可拓控制、可拓系統(tǒng)、可拓邏輯和可拓工程方法等眾多分支。

將可拓法用在工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)中是近幾年來(lái)研究的熱點(diǎn)。根據(jù)工程的特點(diǎn)，針對(duì)公路隧道巖體、水電圍巖和地下工程等均提出了基于可拓評(píng)判的巖體質(zhì)量分類方法。

除此之外，可拓方法還應(yīng)用在邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)、山區(qū)公路泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和砂土液化等級(jí)評(píng)價(jià)等方面。

3 可拓法評(píng)價(jià)的一般過(guò)程

3.1 確定經(jīng)典域

在可拓法中，物元是描述事物的基本元，它以有序的三元組R=(N，c，ν)來(lái)表達(dá)。其中，N表示事物，c表示特征的名稱，ν表示N關(guān)于c所取的量值。這三者稱為物元的三要素。

設(shè)需要評(píng)價(jià)的巖體有m類，影響巖體質(zhì)量的因素有n個(gè)，則巖體可用下面n維物元來(lái)描述：

式中：N0j為事物，這里表示巖體質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)的第j(j=1，2，…，m)個(gè)等級(jí)；ci為特征的名稱，這里表示巖體質(zhì)量等級(jí)第j個(gè)等級(jí)N0j的第i個(gè)評(píng)價(jià)因子i(i=1，2，…，n)；V0ji為事物關(guān)于特征ci所取的量值，這里V0ji為N0j關(guān)于ci所規(guī)定的量值的范圍，即巖體質(zhì)量各等級(jí)關(guān)于對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)因子所取的數(shù)據(jù)范圍，稱為經(jīng)典域；a0ji和b0ji分別為第j個(gè)等級(jí)第i個(gè)因素取值的下限和上限。

3.2 確定節(jié)域

巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)節(jié)點(diǎn)域可表示為：

式中：P為巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)的全體；Vpi為P關(guān)于ci所取的量值范圍，即P的節(jié)域。

3.3 確定待評(píng)物元

對(duì)于待評(píng)巖體p，把收集到的信息數(shù)據(jù)用物元R表示，稱為待評(píng)物元。

式中：p為具體某一巖體；νi為p關(guān)于評(píng)價(jià)因子ci的量值，即待評(píng)巖體的具體數(shù)據(jù)。

3.4 確定關(guān)聯(lián)函數(shù)值

在可拓集合中，建立了關(guān)聯(lián)函數(shù)這一概念。關(guān)聯(lián)函數(shù)表達(dá)了事物具有某種性質(zhì)的程度。為了建立實(shí)軸上的關(guān)聯(lián)函數(shù)，首先把關(guān)聯(lián)函數(shù)中距離的概念拓展為“距”，即規(guī)定實(shí)軸上點(diǎn)x與區(qū)間X0=〈a，b〉之距ρ(x，X0)為：

利用距的概念，可以描述出點(diǎn)在區(qū)間內(nèi)的位置，使人們從“類內(nèi)即為同”發(fā)展到“類內(nèi)也有程度之分”的定量描述。在距的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[9]建立了初等關(guān)聯(lián)函數(shù)的計(jì)算公式：且無(wú)公共端點(diǎn)。用式(6)表述可拓集合中的關(guān)聯(lián)函數(shù)，就可以把“具有性質(zhì)P”的事物從定性描述拓展到“具有性質(zhì)P的程度”的定量描述。

根據(jù)式(6)，待評(píng)巖體與巖體質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)的關(guān)聯(lián)函數(shù)值Kj(νi)可按下式計(jì)算：

3.5 確定評(píng)價(jià)等級(jí)

由式(7)求得關(guān)聯(lián)函數(shù)值后，可以得到待評(píng)巖體p關(guān)于質(zhì)量等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度。

式中：λi為各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。在確定待評(píng)巖體p關(guān)于質(zhì)量等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度的式(8)中，各評(píng)價(jià)因子權(quán)重λi的確定方法有許多，如專家打分法、簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)函數(shù)法、按評(píng)價(jià)因子的灰關(guān)聯(lián)排序確定權(quán)重法等。簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)函數(shù)法適用于量化指標(biāo)處理。與其它方法相比，其處理方法簡(jiǎn)便，結(jié)果受主觀因素影響小。

本文采用傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)函數(shù)法，其計(jì)算公式為：

式中：Wi為評(píng)價(jià)因素ci的權(quán)重分配系數(shù)；νi為待評(píng)物元第i個(gè)因素的取值；b0ji為第j個(gè)等級(jí)第i個(gè)因素取值的上限。值得注意的是，由式(9)計(jì)算出的權(quán)重Wi，與等級(jí)i無(wú)關(guān)，因此實(shí)用上可以取j=1。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，若：

則評(píng)定巖體p的質(zhì)量等級(jí)為j0。

4 實(shí)例計(jì)算

某擬建百萬(wàn)千瓦級(jí)核電項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)規(guī)模為6×1000 MW級(jí)壓水堆核能發(fā)電機(jī)組的候選廠址共3個(gè)，分別為廠址一、廠址二和廠址三。

4.1 評(píng)價(jià)參數(shù)選取

可拓法評(píng)價(jià)參數(shù)的選取宜量化、測(cè)試指標(biāo)完整、并充分利用勘測(cè)成果的原則。測(cè)試指標(biāo)的完整性主要指兩方面：一是對(duì)比廠址均需具備充足的指標(biāo)；二是指標(biāo)需覆蓋硬度和完整性兩方面。本文選取以下6個(gè)參數(shù)作為分類依據(jù)。(1)飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc；(2)縱波波速Vp；(3) RQD指標(biāo)；(4)風(fēng)化系數(shù)Kf；(5)完整性指數(shù)Kv；(6)節(jié)理平均間距J。

4.2 三個(gè)廠址的基巖數(shù)據(jù)

廠址一范圍內(nèi)主要為花崗巖。廠址二范圍內(nèi)主要為片麻巖。廠址三范圍內(nèi)主要為安山巖。根據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪、鉆探、原位測(cè)試、鉆孔波速測(cè)試和室內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等綜合分析的結(jié)果，巖體的風(fēng)化程度分為殘積土、全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化和微風(fēng)化。

考慮到中風(fēng)化及微風(fēng)化巖體對(duì)工程選址有重要影響，下面僅對(duì)中風(fēng)化和微風(fēng)化兩種巖體進(jìn)行質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)。3個(gè)候選廠址巖體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 廠址巖體參數(shù)匯總

4.3 單因素指標(biāo)分類

按照《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，并結(jié)合廠址條件適當(dāng)調(diào)整，單因素指標(biāo)分為5個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表2。

表2 單因素指標(biāo)巖體分類

4.4 等級(jí)評(píng)價(jià)

為消除各參數(shù)量綱不一致給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)的影響，對(duì)量綱不同的指標(biāo)進(jìn)行了無(wú)量綱化處理。處理方法分為2類：第一類是指標(biāo)越大，巖體質(zhì)量越好；第二類是指標(biāo)越大，巖體質(zhì)量越差。第一類指標(biāo)無(wú)量綱化計(jì)算方法為式(11)，第二類計(jì)算方法為式(12)。

經(jīng)計(jì)算，廠址一中風(fēng)化巖體關(guān)聯(lián)函數(shù)值見(jiàn)表3。

表3 廠址一中風(fēng)化巖體關(guān)聯(lián)函數(shù)值

由式(9)計(jì)算得到各等級(jí)的權(quán)重見(jiàn)表4。

表4 權(quán)重一覽

待評(píng)巖體與各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度及評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5。各等級(jí)對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)度越大，說(shuō)明越接近該等級(jí)。

表5 待評(píng)巖體與各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度及評(píng)價(jià)結(jié)果

廠址一微風(fēng)化及廠址二和廠址三計(jì)算過(guò)程略。

統(tǒng)計(jì)3個(gè)廠址中風(fēng)化和微風(fēng)化巖體關(guān)于巖體質(zhì)量等級(jí)的關(guān)聯(lián)度見(jiàn)表6。

表6 各廠址的關(guān)聯(lián)度值

本文評(píng)價(jià)等級(jí)與勘測(cè)報(bào)告中根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)的質(zhì)量等級(jí)對(duì)比見(jiàn)表7。

表7 巖體質(zhì)量等級(jí)對(duì)比

從表7看出，可拓法評(píng)價(jià)結(jié)果與勘測(cè)報(bào)告評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。對(duì)于勘測(cè)報(bào)告中難以具體確定確切分類的巖體，如Ⅰ～Ⅱ類巖體、Ⅲ～Ⅳ類巖體，可拓法可給出一個(gè)確定的評(píng)價(jià)。

即使對(duì)處于同一評(píng)價(jià)等級(jí)的基巖，通過(guò)關(guān)聯(lián)度的大小，也可以進(jìn)行一步區(qū)分出巖體質(zhì)量等級(jí)的優(yōu)劣。關(guān)聯(lián)度越大，越接近于該等級(jí)。例如，從表6看出，對(duì)于同樣處于Ⅲ級(jí)的中風(fēng)化基巖，廠址一中風(fēng)化基巖關(guān)聯(lián)度為0.057，略優(yōu)于廠址二中風(fēng)化基巖關(guān)聯(lián)度0.053，廠址二中風(fēng)化基巖優(yōu)于廠址三中風(fēng)化基巖關(guān)聯(lián)度0.025。單純從巖體質(zhì)量角度分析，廠址一最適宜于本工程。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以飽和單軸抗壓強(qiáng)度、縱波波速、RQD指標(biāo)、風(fēng)化系數(shù)、完整性指數(shù)和節(jié)理平均間距等6個(gè)指標(biāo)為依據(jù)，基于可拓法提出了巖體質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)方法，并對(duì)一個(gè)核電廠中3個(gè)候選廠址的巖體質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：

(1)可拓法對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇十分靈活，不受指標(biāo)種類、量綱和數(shù)量的影響，可以最大限度地利用勘測(cè)過(guò)程中得到的各種指標(biāo)。

(2)可拓法可以解決不同指標(biāo)評(píng)價(jià)得出的巖體等級(jí)不同的矛盾，最終評(píng)價(jià)結(jié)果客觀可信。

(3)通過(guò)工程實(shí)例的計(jì)算分析，可拓法評(píng)價(jià)結(jié)果與勘測(cè)報(bào)告評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，更宜量化。對(duì)于勘測(cè)報(bào)告中難以確切分類的巖體，可拓法可給出客觀的評(píng)價(jià)。

(4)根據(jù)計(jì)算結(jié)果可對(duì)核電廠候選廠址巖體質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行排名，為優(yōu)選廠址提供客觀依據(jù)。

參考文獻(xiàn):

[1] 蔡文．可拓集合和不相容問(wèn)題[J]．科學(xué)探索學(xué)報(bào)，1983，(1)．

[2] 賈超，肖樹(shù)芳，劉寧．可拓學(xué)理論在洞室?guī)r體質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(5)．

[3] 原國(guó)紅，陳劍平，馬琳．可拓評(píng)判方法在巖體質(zhì)量分類中的應(yīng)用[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(9)．

[4] 李克鋼，侯克鵬，陳俊智．可拓方法在地下工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]．湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，23(3)．

[5] 李克鋼，等．基于可拓理論的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究[J]．重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(4)．

[6] 王錦國(guó)，周志芳，袁永生．可拓評(píng)價(jià)方法在環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]．河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，30(1)．

[7] 白利平，等．基于可拓理論的泥石流災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)：以北京市為例[J]．現(xiàn)代地質(zhì)，2009，23(1)．

[8] 黃增彥，等．基于可拓學(xué)的砂土液化等級(jí)評(píng)價(jià)研究[J]．山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2008，38(5)．

[9] 蔡文．物元模型及其應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1994．

[10] 夏元友，朱瑞賡．斜坡穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)方法的集成式因素權(quán)重賦值方法[J]．中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，1998，8(1)．

[11] 劉希林，唐川．泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[M]．北京：科學(xué)出版社，1995．

[12] GB/T 50218－2014，工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[S]．