核電廠巖體阻尼比測試的一種新方法的應用

□劉 濤 汪史威 王 棟

一、引言

阻尼比是核電廠巖土工程勘察中需要提供的一個重要的動態力學參數，是反映巖土體在地震動力學作用下應力—應變特性的主要指標，也是核電廠場地地震安全性評價的重要參數。

在《巖土工程試驗監測手冊》中提供了原位測試阻尼比的方法——跨孔波速測試法，即在跨孔波速測試孔內測試阻尼比，該方法具有操作簡便，能保持巖土體原有狀態不受擾動，且能測試深層巖土體的相關參數的特點，是一種比較好的測試巖土體阻尼比參數的方法。自2006年，中國核電工程有限公司(原核工業第二研究設計院)將跨孔法測阻尼比應用于核電廠巖土工程勘察中以來，取得了良好的效果[1]，為此，在中國核電工程有限公司主編的《核電廠巖土工程勘察規范》(GB 51041-2014)中，要求在核電廠設計階段勘察中采用該方法取得核島區巖土體的動力學參數(包括阻尼比)，并作為強制性條文執行——“設計階段勘察應在反應堆廠房位置進行跨孔法波速測試[2]”。

目前，核電廠設計階段巖土工程勘察中采用的跨孔波速測試方法是在按一定間距成直線排列的三個鉆孔中進行，文中簡稱“雙跨法”，每個核島僅在反應堆廠房布置1組(3孔)跨孔波速測試孔，通過該方法獲得的阻尼比值的測試數據無法得到檢驗，而且在地層厚度變化較大的情況下，3個鉆孔內同一測試高度可能位于不同風化程度的巖層中，按風化程度統計測試數據，會存在偏差。有另一種跨孔波速測試法也可以取得阻尼比值，且可彌補上述“雙跨法”的不足，該方法在文中稱為“單跨法”，是在按一定間距排列的兩個鉆孔中進行，如在上述“雙跨法”測試孔內進行，則可測得兩組阻尼比值，兩組數據可相互驗證，而且兩個鉆孔內同一高度位于不同風化程度的巖層的幾率相對3個鉆孔要小，其測試數據更能代表某種風化程度的巖層。因此，采用“單跨法”測阻尼比有其優越性。

在海南某核電廠的勘察中，采用上述兩種方法測試得到核島區地基巖體的阻尼比值。本文以此為例，對兩種測試方法及其測試成果進行分析。

二、測試場地地質概況

在海南某核電廠兩臺機組的反應堆廠房位置分別布置了呈直線排列的3個鉆孔進行跨孔波速測試，鉆孔間距為8m左右。測試場地已平整到標高+14.0m左右，地勢整體平坦。鉆探揭露場地內地層主要為第四系殘積層和基巖，殘積層厚度為0.5～2.5m，基巖巖性主要為黑云母花崗巖，局部呈脈狀分布石英閃長巖，巖體風化程度為全風化、強風化、中等風化和微風化。核島區地基巖體風化程度為強風化～微風化，以微風化為主，強風化巖體僅局部分布，且厚度小于4.5m。強風化巖體屬極軟巖，完整程度為極破碎～破碎，基本質量等級為Ⅴ級；中等風化巖體屬較堅硬巖，完整程度主要為較破碎，基本質量等級為Ⅳ級；微風化巖體屬堅硬巖，完整程度為完整～較完整，基本質量等級為Ⅰ～Ⅱ級。

三、雙跨法的測試原理與測試成果

雙跨法是目前在核電廠巖土工程勘察中廣泛采用的原位測阻尼比的方法。

(一)測試原理。該方法是基于諧波在無限空間的傳播理論，當諧波在近似于無限空間的巖土體中以球面狀向四周傳播時，由于能量逸散和摩擦損失，波的振幅不斷減小。在距振源不同距離處，諧波振幅的變化為[5]：

(1)

式中：Ar為距離振源r處的振幅；A0為諧振振源處的振幅；α為衰減系數；1/r為波動能量逸散的阻尼；e-ar為材料的阻尼。

設定兩個接收振動信號的測點1和2，距離振源分別為r1、r2，得到兩測點的振幅比為：

(2)

式中：A1、A2為距離振源r1和r2處的振幅。

由公式2得到衰減系數的表達式為：

(3)

由波的衰減系數a可得到波的對數衰減系數δ：

(4)

式中：δ為對數衰減系數；V為體波速度；f為波的頻率。

在工程中常用阻尼比表示材料阻尼，由波的對數衰減系數可計算得到巖土層的阻尼比值DZ：

(5)

圖1 雙跨法測試示意圖

(二)測試成果。雙跨法測試裝置示意圖如圖1所示。雙跨法測試一般在一條平行地層走向或垂直地層走向的直線上布置同等深度的3個鉆孔，一端孔為激發孔，另兩孔為接收孔[7]，孔距根據巖土體的性質確定，土層宜取2～5m，巖層宜取8～15m，振源和檢波器應置于同一地層的相同標高處，由下往上，測點豎向間距取1m，最淺測試點深度不小于兩接收孔孔距的1倍。

雙跨法測試的典型波形記錄如圖2所示。從圖2讀取兩接收孔同相波的傳播時間t1和t2、振幅A1和A2，以及頻率f，然后根據兩接收孔的孔距、傳播時間計算出波的傳播速度，按照公式3～5可計算得到各巖層的阻尼比值。海南某核電廠采用雙跨法測試結果計算得到的阻尼比值如表1所示。

表1 海南某核電廠雙跨法阻尼比計算結果統計表

注：表1數據引自參考文獻[3][4]。

四、單跨法的測試原理與測試成果

單跨法同雙跨法，均屬于地球物理勘探方法中的地震勘探法，即是用人工方法產生振動(地震)后，通過研究振動在地下的傳播規律，從而查明地下地質情況的一種勘探方法。但在測試原理及阻尼比計算公式上不同于雙跨法。

(一)測試原理。單跨法測阻尼比是基于穩態振動下的半功率帶寬法(0.707法)，即測出在巖體中傳播衰減后的振動波形隨頻率變化的一系列振幅值，以頻率值為橫坐標，振幅值作為縱坐標繪制出幅頻特性曲線，在縱坐標上取峰值的0.707倍，并過此值作一水平線，它與幅頻特性曲線的交點稱為半功率點。如圖3所示，對應振幅峰值Amax的頻率為fn，對應于0.707Amax的頻率為f1、f2，即為半功率點頻率。

圖3 半功率帶寬計算阻尼比示意圖

半功率帶寬法確定阻尼比公式如下：

(6)

式中：D為阻尼比；fn為最大振幅對應的頻率；f1、f2為振幅為0.707倍峰值對應的頻率點；Δf為半功率帶寬，Δf=f2-f1。

(二)測試成果。單跨法測試是在同等深度的2個測試孔中進行，一個孔內激發震源，另一個孔內同步接收信號，測試裝置示意圖如圖4所示。海南某核電廠采用單跨法測試結果計算得到的阻尼比值如表2所示。單跨法測試是在雙跨法測試孔內進行的，但因目前核電廠勘察廣泛采用雙跨法測試阻尼比，因此表2中單跨法阻尼比計算結果未應用到勘察報告中。

圖4 單跨法測試示意圖

表2 海南某核電廠單跨法阻尼比計算結果統計表

注：表2數據為測試統計結果。

五、兩種阻尼比測試方法對比分析

(一)方法對比。

1.數據計算對比。依據雙跨法測試數據計算阻尼比時，根據公式2～5，需提供A、r兩個參數，由于測試采用三分量地震檢波器，即在一個容器內安裝靈敏方向相互垂直的三個檢波器，三分量地震檢波器在孔內擺放是隨機的，檢波器的靈敏方向不能保證指向波的傳播方向，因此，檢波器在接收信號時，其靈敏方向無法確定，質點振動的振幅A無法準確測量。此外，測試孔的孔斜(鉆孔的傾斜方位和傾斜角)是在確定A、r這兩個參數時需考慮的重要因素，而在阻尼比計算中卻被忽略了[8]。因此，采用雙跨法測試阻尼比，其測試本身以及計算公式都存在一定的問題。而依據單跨法測試數據計算阻尼比時，根據公式6，主要考慮頻率f。阻尼比與頻率的比值呈線性相關，頻率的讀取誤差對阻尼比取值影響小。

2.影響因子對比。由于測試場地地層厚度變化較大，對于雙跨法，兩個接收孔內某一標高對應不同巖性或不同風化程度的巖體，則該標高處的阻尼比值屬于哪個地層，對于阻尼比值統計具有重大影響，這也是雙跨法測試阻尼比中常遇到的問題。而對于單跨法，僅對兩個測試孔之間地層進行測試，信號穿越不同巖性或不同風化程度的巖體的概率比較雙跨法要小。

(二)測試結果對比。

1.單跨法更能反映中等風化巖體的結構特征。在同樣的三個鉆孔中測試，單跨法測試所得樣本數大于雙跨法，這是由于雙跨法的1組測試孔相當于單跨法的2組測試孔，可得2組測試數據。因此，采用單跨法測試，降低了因數據少而產生的誤差，更接近實際情況。如3#機組中等風化巖體的阻尼比按單跨法取值范圍為0.02～0.06，樣本數為6，平均值為0.045，而按雙跨法取值范圍為0.047～0.048，樣本數為2，平均值為0.0475，盡管兩種方法所得中等風化巖體的阻尼比平均值的變化率為0.06，兩個值很接近，但單跨法數據多，取值范圍大，能更好地反映中等風化巖體的結構特征。

2.對于同一風化程度巖體，兩種方法的阻尼比測試結果相差較小，尤其是中等～微風化巖體，基本接近。

3.單跨法與雙跨法阻尼比值隨測試深度變化對比。根據表1、表2繪制1、2號機組測試結果隨深度變化曲線圖(圖5、圖6)。圖5、圖6顯示，單跨法測得兩組數據，雙跨法測得一組數據。隨著測試深度增加，3組數據的變化特點如下：第一，阻尼比值隨深度增加，總的趨勢為減小；第二，阻尼比值隨深度變化曲線呈現明顯的分段特征，大致以測深20m為界；第三，測深小于20m范圍內，曲線表現為陡降，阻尼比值隨深度減小的幅度較大；第四，測深大于20m范圍內，曲線表現為平穩，阻尼比值隨深度變化不大。對于雙跨法，阻尼比值隨深度逐漸減小，減小幅度小，且阻尼比值隨深度波動幅度小。對于單跨法，阻尼比值隨深度波動幅度大，但總的趨勢比較平穩。

圖5 1號機組單跨法與雙跨法阻尼比測試結果對比

圖6 2號機組單跨法與雙跨法阻尼比測試結果對比

對照測試孔之間巖體，阻尼比測試結果表明巖體中結構面的發育程度隨深度逐漸減小，達到深度20m以下，巖體中結構面的發育程度相對穩定。但單跨法測試結果能更好地反映出局部巖體中結構面比較發育的狀況，有利于對地基巖體特征的分析評價。

綜上所述，兩種跨孔法阻尼比測試結果接近，測試值隨深度變化的總趨勢基本一致，但單跨法更接近實際情況，能更好地反映巖體的結構特征。

六、結論

比較雙跨法、單跨法測阻尼比有如下優勢，是現有阻尼比原位測試方法的有益補充，有較大的推廣使用價值。第一，單跨法測阻尼比可在兩孔中進行，比較三孔測試，經濟性好；第二，單跨法確定阻尼比值的計算公式簡單，對阻尼比值的影響因子少，阻尼比取值更可靠；第三，單跨法的測試結果能更好地反映巖體中結構面的發育情況，有利于地基巖體特征分析。