中國核電工程的抗震安全問題

中國核電工程的抗震安全問題

1我國核法安全評價的現(xiàn)狀及問題作為一種替代化石能源的清潔能源之一，電動汽車的能量密度遠遠高于能源能源和風能等形式，因此沒有水保護和移民問題。因此，作為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的重要形式，核電廠具有廣闊的發(fā)展前景。當前對于核能源利用所產(chǎn)生的擔憂,最具爭議的依舊是安全如何得到有效保障。核電廠發(fā)生嚴重事故的頻度極低,但后果相當嚴重,對政治、經(jīng)濟和社會的影響是非常巨大的。因此,從核電誕生之初,安全問題就是決策層最關(guān)注的問題,核電設(shè)計也一直秉承“保守決策”的原則。但是,由于環(huán)境荷載作用的不確定性、運行操作系統(tǒng)的復雜性以及人們認識的局限性,導致核電在半個世紀發(fā)展中出現(xiàn)過幾次事故,使大眾對核電的認識存在一些陰影,成為核電能發(fā)展中的重要障礙。我國是一個多地震國家,地震活動頻度高、強度大、次生災害多。2008年汶川地震的強度遠遠超出當?shù)馗黝悩?gòu)筑物的設(shè)防標準,地震動及其次生災害對大壩等重要水電工程造成威脅。地震區(qū)建設(shè)的核電站也面臨著同樣的問題,2011年日本大地震中福島核電站事故就是一個慘痛的教訓。我國的核電廠建設(shè)起步較晚?，F(xiàn)行核電規(guī)范基本參照國外的規(guī)范制訂,缺乏具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成果和配套建設(shè)的能力,在自主創(chuàng)新、適應(yīng)中國國情、體現(xiàn)中國特色方面有所不足。在當前核電建設(shè)的背景下,無法滿足核電建設(shè)的要求,嚴重影響了我國的核電建設(shè)和技術(shù)競爭能力。開展適合我國國情的核安全相關(guān)結(jié)構(gòu)的抗震安全評價方法與技術(shù)研究,對于保障核電工程結(jié)構(gòu)的“可靠與安全”有著重要的理論指導意義和工程應(yīng)用價值。自1994年起,大連理工大學工程抗震研究所(以下簡稱大工抗震所)針對我國核電建設(shè)工程實踐中面臨的特殊性問題,進行了大量的工程實踐和研究,近年來結(jié)合國家行業(yè)性基金及國家自然科學重點基金,對核電廠安全相關(guān)工程結(jié)構(gòu)抗震的基礎(chǔ)問題進行了理論上的探索。2混合空間條件下的結(jié)構(gòu)抗震分析保證核電站抗震安全的關(guān)鍵是核電站工程結(jié)構(gòu)及設(shè)備在考慮局部場地特征的地震動作用下滿足結(jié)構(gòu)完整性和運行可行性。出于安全性和經(jīng)濟性兩方面的考慮,當前核電站設(shè)計中往往采用標準設(shè)計,即新建電站采用與參考電站相同的設(shè)計方案和機組設(shè)備。如我國目前采用最多的核電標準機型CPR1000主要以國外設(shè)計的廣東大亞灣和嶺澳核電廠廠址條件作為原型,但是各核電站廠址的地基地質(zhì)條件不盡相同,與嶺澳原型核電廠廠址參考性的均質(zhì)地基差異較大[3~8]。如江蘇田灣核電廠3、4號核島地基發(fā)現(xiàn)特殊地質(zhì)體,為橫跨核島區(qū)域的5~16m寬度不等的構(gòu)造破碎帶。遼寧紅沿河核電廠3、4號核島地基開挖過程中,也發(fā)現(xiàn)地基下部存在若干分布不規(guī)則、巖性較差的強風化“捕虜體”,地基不均勻性比較突出。復雜場地條件對核電廠建設(shè)的影響不僅在于核島工程結(jié)構(gòu)的地震動輸入變化,而且直接影響用于核電設(shè)備抗震設(shè)計所需要的結(jié)構(gòu)樓層譜的確定。強震條件下,保障核電設(shè)備安全正常工作的要求有時比保證廠房結(jié)構(gòu)安全更為苛刻,此時結(jié)構(gòu)樓層加速度、變形是重要的關(guān)注指標。因此,當前核電廠廠址抗震適應(yīng)性評價的主要工作是與均質(zhì)場地條件下核電標準設(shè)計進行比較,明確輸入地震動與廠房動力響應(yīng)的差異,保證廠房結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)處于設(shè)計容許范圍內(nèi),確保其安全性。近年來我國在核電站建設(shè)中遇到的廠址地基不均質(zhì)問題較為突出(見圖1),尤其是在核島建設(shè)中,不良地質(zhì)問題的出現(xiàn)具有突發(fā)性,評價與解決具有急迫性[4~6]。如果核島及輔助廠房地基適應(yīng)性評價得不到及時解決,將延誤工期,造成巨大損失。特別是如果核島及輔助廠房地基不符合抗震適應(yīng)性要求,而又難以處理的話,勢必造成改換廠址的后果,那代價就更大了。因此,核電廠核島地基的適應(yīng)性是核電廠廠址選擇的重要制約因素,而核電廠廠址地基的抗震適應(yīng)性分析是核心技術(shù)。然而我國核電建設(shè)起步較晚,理論和規(guī)范相對不完善,無法滿足我國核電蓬勃發(fā)展的需要。同期國際通用的美國土木工程師協(xié)會(ASCE)等主要核電規(guī)范也嚴重滯后于工程實踐,沒有明確的復雜廠址條件下核電結(jié)構(gòu)抗震分析的條文說明。各國核電廠建筑抗震規(guī)范一般在20世紀90年代前完成,均質(zhì)場地假定依舊是各國規(guī)范抗震分析的基本點,非均質(zhì)場地條件等特殊廠址的安全評價方法尚未包含在抗震規(guī)范中。如何評價非均質(zhì)場地對核電廠結(jié)構(gòu),尤其是核島建筑物的抗震安全性的影響,甚至于評價該廠址是否適用,這在國際上都缺乏經(jīng)驗。復雜地基條件下的核島抗震適應(yīng)性問題已成為核電廠建設(shè)中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。2.1復雜地段條件下的核島結(jié)構(gòu)抗震分析方法當前各國抗震規(guī)范只是原則性地給出了抗震設(shè)計和計算準則,采用何種方法、何種標準都需要根據(jù)各工程的實際制定詳細的實施準則。由于核電廠地基的分析模型尚不完善,各國核電廠設(shè)計中一般將地基簡化為均勻地基,在計算域邊界上采用粘彈性邊界近似地模擬無限地基的動力相互作用。Bechtel等也只是驗證了FLUSH、CLASSI、SASSI等軟件分析軟基上建筑物抗震性能的適用性。而我國擬建和在建的核電廠地基不均勻性較為突出,如何評價不均勻地基的適應(yīng)性是急需解決的問題[4~6]。針對這一問題,大工抗震所采取比例邊界有限元、透射邊界、阻尼抽取法、粘彈性邊界等多種先進的地基無限域動力模型為基礎(chǔ)進行復雜地基與結(jié)構(gòu)的動力相互作用計算,并與規(guī)范建議的集總參數(shù)場地模型開展對比分析,結(jié)合有限元法細致刻畫不均勻地基特征,進行廠址地基動力特性、地震波在復雜廠址中的傳播特性以及廠房結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)與樓層譜的分析研究,細化了復雜廠址條件下的核島地基適應(yīng)性評價內(nèi)容與方法,提出了典型不均質(zhì)地基條件下核島結(jié)構(gòu)抗震分析的高效精確模型(見圖2),具有地基動力模型先進、不均質(zhì)地基刻畫細致、時域與頻域多種模型對比分析及評價內(nèi)容全面的特點。針對復雜場地,廠址地基動力特性分析方法可以有效地在頻域內(nèi)刻畫地基動剛度與激震頻率密切相關(guān)的特性,而規(guī)范中傳統(tǒng)集總參數(shù)場地動力模型只能獲得與激震頻率無關(guān)的簡化地基動剛度模型。進而,通過所提出的混合變量法將與頻率相關(guān)的地基動剛度無精度損失地轉(zhuǎn)化為時域動載荷與時程變位之間連分式形式的數(shù)值關(guān)系,運用于結(jié)構(gòu)-地基動力相互作用分析中,實現(xiàn)復雜場地條件下核島廠房結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)的高效分析。在此基礎(chǔ)上,以標準核電堆型的核島廠房結(jié)構(gòu)為研究對象,可開展不同地震動輸入條件下的樓層譜計算。2.2將概率統(tǒng)計分析作為特征分布密度函數(shù)結(jié)構(gòu)動力特性計算參數(shù)(模量、阻尼等)與輸入地震動的不確定性是影響核電廠樓層譜計算的兩個主要因素,需要開展隨機概率分析考慮參數(shù)不確定性的影響。美國核電設(shè)計中依據(jù)測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果,建議了部分設(shè)計參數(shù)的概率密度分布函數(shù),具有一定參考價值。廠址地震載荷的不確定性是核電工程抗震分析的一個重要的不確定性參數(shù)來源。一般來講,由于核電工程的特殊重要性,往往需要進行專門的廠址地震危險性分析,給出不同峰值強度地震發(fā)生的年度概率曲線,并從中按指定的概率提取相應(yīng)的不同水準的地震設(shè)計加速度。如安全停堆地震水準(SSE),其年超越概率為10-4。而據(jù)此,單純以確定的SSE或1/2SSE水準進行確定性的抗震計算,這是否能充分體現(xiàn)核電運行期內(nèi)的不同強度地震發(fā)生的概率危險性,還值得分析。對樓層反應(yīng)譜進行概率統(tǒng)計分析的實現(xiàn)方法如圖3所示。依據(jù)表征輸入?yún)?shù)不確定性的概率分布密度函數(shù),通過生成隨機數(shù)建立起各項參數(shù)的樣本空間;再以結(jié)構(gòu)確定性抗震分析為基本過程,獲得各組隨機樣本對應(yīng)的樓層反應(yīng)譜計算結(jié)果;最后對該計算結(jié)果進行統(tǒng)計處理,獲得概率意義上的統(tǒng)計樓層譜計算值。大工抗震所在細致考慮土-結(jié)構(gòu)動力相互作用的基礎(chǔ)上,提出了一種新的確定性與概率統(tǒng)計法相結(jié)合的樓層譜計算方法,可不受模型不確定性參數(shù)的個數(shù)與統(tǒng)計參數(shù)概率分布規(guī)律的限制。計算中以概率統(tǒng)計分析為基本手段,通過定義不同的概率密度函數(shù)來研究輸入?yún)?shù)的不確定性對樓層譜計算值的影響。研究成果表明,確定性分析獲得的樓層反應(yīng)譜具有足夠的安全裕度,即相關(guān)結(jié)果具有足夠的可靠度與保守性。通常情況下,低阻尼比條件下,按照現(xiàn)行的國際主要核電抗震規(guī)范,通過包絡(luò)和按結(jié)構(gòu)峰值響應(yīng)頻率處進行峰值拓展和15%峰值幅度進行峰值降低來考慮參數(shù)不確定性對樓層反應(yīng)譜的影響是可行與保守的。所得結(jié)論為核電站的抗震設(shè)計余裕量評估和安全管理提供了一些可供參考的有益結(jié)論。2.3抗震分析軟件無論是所提出的典型不均質(zhì)地基條件下核島結(jié)構(gòu)抗震分析模型還是廠房樓層譜不確定性分析的概率統(tǒng)計方法,現(xiàn)有軟件都無法直接實現(xiàn)其功能。因此,針對以上模型,完全自主開發(fā)了一系列核電廠抗震分析軟件。這些軟件滿足我國核電廠抗震設(shè)計規(guī)范的要求,可適應(yīng)不同場地條件的具體特點,大幅度提高了抗震分析的精度和效率[4~6]。軟件的主要功能模塊包括地基動力剛度的高精度計算,廠房-地基的動力相互作用,樓層譜確定性計算,以及樓層譜的不確定性分析。同時軟件基于VC++面向?qū)ο蟮目梢暬脚_開發(fā),具有系統(tǒng)化、模型多、求解高效以及功能可拓展等特點。這一系列軟件保障了多座核電站的順利建設(shè),并有效運用于CPR1000標準化項目的開展中,初步劃定了適應(yīng)我國自主研發(fā)的壓水堆標準設(shè)計的廠址地基參數(shù)范圍,推進了我國核電自主化進程。3抗混料體系的健全地基適應(yīng)性研究可以確認標準化核島廠房及設(shè)備本身的地震動作用是否滿足要求,要保證核電安全,還必須確保在地震動作用下的取排水工程系統(tǒng)的安全。我國目前已建、在建和規(guī)劃中的核電廠大都修建在沿海地區(qū),保障核電廠運行和安全的一個重要組成部分就是海域工程取排水構(gòu)筑物,包括防波堤、護岸、隔熱堤、直立墻和取排水箱涵(隧洞)等,具有掩護核電廠設(shè)施防御外海波浪、確保取排水的暢通、保證冷卻水供應(yīng)、緊急情況下能夠使反應(yīng)堆處于安全停堆狀態(tài)、排除余熱等重要作用,屬于核安全的抗震相關(guān)物項,其抗震性能對核電廠的安全運行具有極其重要的影響。國際原子能機構(gòu)和各國規(guī)范標準都要求其具有較一般水工建筑物和工業(yè)民用建筑更高的抗震安全性。我國核電廠海域工程所處海域自然環(huán)境條件較差,水深浪大,地基中含深厚淤泥層,并夾有中、細砂等可液化土層,在如此復雜條件下對海域工程取排水構(gòu)筑物進行抗震安全性評價,國內(nèi)外均缺乏有效規(guī)范與標準可供借鑒。如我國1995年自主建設(shè)的百萬千瓦級的廣東嶺澳核電廠,海域工程取排水構(gòu)筑物自行設(shè)計,抗震安全評價成為迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。當時我國第一部《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》尚未正式頒布,頒布后(現(xiàn)行)的《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》(1998年正式頒布)中也沒有明確規(guī)定這些構(gòu)筑物的安全評價方法和相關(guān)標準。美國、日本有關(guān)核電建(構(gòu))筑物規(guī)范、標準也都偏重于核島結(jié)構(gòu),缺乏外圍構(gòu)筑物的評價方法,滯后的理論及現(xiàn)行規(guī)范嚴重影響了我國核電廠海域工程取排水構(gòu)筑物的抗震安全評價。大工抗震所在參考相關(guān)規(guī)程基本思想的前提下,形成了海域工程取排水構(gòu)筑物抗震安全評價的基本框架,并通過我國10多個核電工程的應(yīng)用檢驗,不斷發(fā)展與完善,形成了比較系統(tǒng)、完整的核電廠海域工程取排水構(gòu)筑物抗震安全評價體系,提出了相應(yīng)的設(shè)計方法、評價標準,并研發(fā)了分析計算軟件。3.1抗側(cè)力學性能評價自1994年以來,結(jié)合嶺澳核電廠建設(shè),大工抗震所在國內(nèi)率先開展核電廠海域工程取排水構(gòu)筑物的抗震安全評價研究[9~25],提出了對于重要取排水構(gòu)筑物,應(yīng)聯(lián)合運用土工試驗、物模試驗和數(shù)模分析技術(shù)進行抗震安全評價,即通過土工試驗測定筑堤材料和海洋地基土的靜、動力強度和變形特性;通過振動臺模型試驗研究取排水構(gòu)筑物的破壞機理和變形特性,定性、半定量地把握構(gòu)筑物的抗震性能;聯(lián)合極限平衡滑動面法、有限元動力法分析構(gòu)筑物和地基的穩(wěn)定性,聯(lián)合Newmark滑塊法和應(yīng)變勢法分析構(gòu)筑物和地基的局部和整體地震變形,聯(lián)合液化判別法和液化流動法分析海床地基的液化危險性和液化變形;綜合物模和數(shù)模的研究結(jié)果,評價取排水構(gòu)筑物的抗震安全性,建議抗震措施或結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,如圖4所示。這一評價體系更為先進、全面和反映實際。3.1.1排水剪試驗的目在我國南方沿岸,核電廠海域工程取排水構(gòu)筑物的地基一般是比較復雜的,廣泛分布著海積土和殘積土等,其變形和強度特性對構(gòu)筑物穩(wěn)定性的影響是非常大的,僅僅依據(jù)現(xiàn)場試驗的結(jié)果不能充分把握土的力學特性,必須聯(lián)合室內(nèi)靜、動三軸試驗和現(xiàn)場試驗的成果綜合評價地基土的力學特性。室內(nèi)靜三軸試驗分為固結(jié)排水剪試驗和固結(jié)不排水剪試驗。固結(jié)排水剪試驗用于測定地基土和筑堤堆石料骨架的變形參數(shù)和強度參數(shù),這些參數(shù)可以用于計算構(gòu)筑物和地基在震前的應(yīng)力分布情況,直接影響有限元穩(wěn)定的計算結(jié)果,同樣也影響地震時地基土的剪切模量,以至于影響結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng);固結(jié)不排水剪試驗用于測定地基土不考慮排水時的變形和強度參數(shù),在缺少動強度參數(shù)時,其強度參數(shù)可用于計算穩(wěn)定,在一般情況下是偏于保守的,其變形參數(shù)可用于計算地震變形(應(yīng)變勢法)。室內(nèi)動三軸試驗包括動模量、阻尼比試驗和動強度試驗。動模量、阻尼比試驗用于測定地基土和筑堤堆石料的動模量和阻尼比與動剪應(yīng)變的變化規(guī)律,這對研究構(gòu)筑物和地基土的地震反應(yīng)是十分重要的。動強度試驗可以測定地基土在地震時的強度和變形參數(shù),用于計算穩(wěn)定和永久變形,對于可液化土,動強度試驗也可以測定其動剪應(yīng)力比和孔隙水壓力與振次的依賴關(guān)系,分別用于總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法計算液化危險性。此外,還可進行液化后變形試驗,為液化流動變形分析提供參數(shù)。另外,綜合分析室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗的成果,據(jù)此準確評價地基土的力學特性,防止出現(xiàn)沒有代表性的試驗成果,不利于正確分析結(jié)構(gòu)和地基的穩(wěn)定性。3.1.2主要破壞模式取排水構(gòu)筑物的破壞機理和變形規(guī)律是工程設(shè)計非常關(guān)心的問題,通過振動臺模型試驗可以直觀地觀察模型的振動及其變形特性,有助于深入了解防波堤、護岸、直立墻等構(gòu)筑物的破壞性態(tài)、破壞過程及其機理和變形規(guī)律,進而結(jié)合數(shù)值分析成果綜合評價構(gòu)筑物的抗震性能。當需要進行不同設(shè)計方案或抗震措施比較時,采用類比的試驗方法可以很容易得到定性的結(jié)論,此時,與數(shù)值分析方法結(jié)合并通過振動臺模型試驗印證是必不可少的。大工抗震研究所研制了國內(nèi)唯一的水下地震模擬系統(tǒng),先后開展了嶺澳、田灣、陽江、陸豐、寧德核電廠海域工程取排水構(gòu)筑物(包括防波堤、護岸、直立墻等)的振動臺模型試驗,典型的破壞模式如下:1)防波堤和護岸結(jié)構(gòu)(嶺澳、田灣、寧德、陸豐)。強震作用下,由于地基土沉降變形以及振動慣性力引起防波堤或護岸頂部防浪胸墻出現(xiàn)沉降和側(cè)移,柵欄板或鉤連塊護坡出現(xiàn)松動并沿坡面下滑,防波堤或護岸的堤心堆石出現(xiàn)沉降并向外海側(cè)移動,防波堤或護岸坡度變緩,地基土發(fā)生明顯沉降,坡底處稍微隆起。2)泵房前直立墻結(jié)構(gòu)(陸豐)。強震作用下,直立墻在自身地震慣性力和墻后回填碎石的動土壓力聯(lián)合作用下產(chǎn)生向外海側(cè)的水平滑動位移,拋石基床發(fā)生沉降,直立墻向外海側(cè)的傾斜,直立墻后回填碎石出現(xiàn)沉陷和明顯的剪切滑移帶。3)沉箱式中隔堤(嶺澳)。強震作用下,沉箱式中隔堤的基礎(chǔ)邊坡首先出現(xiàn)滑動,壓重混凝土塊失穩(wěn)滑落,堆石滑動區(qū)域向沉箱底部擴大,進而造成箱底堆石失穩(wěn),最終箱體向內(nèi)海側(cè)傾斜并出現(xiàn)向內(nèi)海側(cè)的滑移?；婆R界加速度與沉箱底部的摩擦力有關(guān),高水位時,由于浮力的作用,沉箱底部摩擦力較小,對穩(wěn)定不利。強震作用下,沉箱式中隔堤的破壞形式是沉箱體的失穩(wěn)滑動。4)取排水交叉口(嶺澳)。嶺澳核電廠的取排水交叉口包括鋼筋混凝土渡槽、基墩、堆石堤及地基。強震作用下,無論是地震作用方向沿渡槽軸線,還是垂直渡槽軸線,渡槽、基墩連同地基發(fā)生沉陷變形,同時兩側(cè)基墩伴有向跨中的水平滑移,結(jié)構(gòu)體系的抗震薄弱部位是渡槽與基墩的連接區(qū)域。適當加大每跨渡槽兩端與基墩連接之處的渡槽局部斷面尺寸,或在渡槽與基墩間鋪設(shè)軟墊層,可使應(yīng)力有所改善,將有利于提高結(jié)構(gòu)整體的抗震性能。3.1.3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析由于巖土材料是強非線性的散粒體材料,振動臺模型試驗很難滿足所有模型相似關(guān)系,因此只能揭示現(xiàn)象和規(guī)律,給出定性或半定量的結(jié)論,需要采用數(shù)值分析方法進一步分析結(jié)構(gòu)的抗震安全性。1)地震反應(yīng)分析。采用動力有限元法分析核電廠取排水構(gòu)筑物的地震反應(yīng),其結(jié)果可為有限元動力穩(wěn)定分析、液化分析和地震永久變形分析提供動應(yīng)力、動應(yīng)變和加速度分布等。其中,地基土和筑堤堆石料的材料特性應(yīng)采用室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗的成果,計算模型可以采用等效線性粘彈性模型和彈塑性模型,計算邊界可采用粘性邊界或粘彈性邊界,計算方法可采用時域分析或頻域分析。等效線性方法不能直接計算構(gòu)筑物和地基的地震永久變形,需要借助應(yīng)變勢分析方法計算地震后的構(gòu)筑物整體變形。大工抗震所在廣義塑性模型基礎(chǔ)上,合理考慮了筑堤堆石料和砂土的壓力相關(guān)性和加卸載特性,提出了改進的廣義塑性模型,集成了粘彈性邊界及其地震等效荷載的地震動輸入方法,建立了可考慮構(gòu)筑物與地基相互作用的彈塑性動力時程分析方法,并可直接計算地震引起的永久變形(包括體積變形和剪切變形)。2)地震穩(wěn)定分析。巖土邊坡與地基的抗震穩(wěn)定通常采用擬靜力極限平衡法,以滑動面上抗滑力矩之和與滑動力矩之和的比值作為抗滑安全系數(shù),將地震作用簡化為擬靜態(tài)的地震力,力的大小和方向不隨時間變化。這種做法忽略了地震作用瞬態(tài)和往復變化的特點,所以計算出的安全系數(shù)并不代表真正的安全程度。對于重要建筑物,應(yīng)綜合采用擬靜力極限平衡法、靜力有限元法和動力有限元法等多種方法來評價巖土邊坡和地基的抗震穩(wěn)定性。靜力有限元法對地震作用采用擬靜力極限平衡法相同的假定,它的優(yōu)點是便于考慮巖土材料的不均勻性以及其非線性的應(yīng)力-應(yīng)變特性。動力有限元法則進一步考慮了地震作用的時間過程以及巖土材料的動模量和阻尼隨動剪應(yīng)變幅值和圍壓的變化。若采用有效應(yīng)力分析時,還能夠反映土中孔隙水壓力的變化過程及其對土的動力性質(zhì)的影響。從合理性而言,動力有限元法優(yōu)于靜力有限元法,并優(yōu)于擬靜力極限平衡法。動力有限元法計算時,如果在整個地震過程中最小穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.0,則可以認為土坡是穩(wěn)定的;如果出現(xiàn)最小安全系數(shù)小于1.0,并不意味土坡就一定會失穩(wěn)破壞,這主要是因為動力荷載是往復的,在某一時刻安全系數(shù)可能小于1.0,其持續(xù)很短時間后,安全系數(shù)又可能大于1.0,在這種情況下,如果地基沒有發(fā)生液化,斜坡將出現(xiàn)微小的滑移變形,可以采用Newmark滑塊法計算得到。3)地震永久變形分析。地震變形的計算成為抗震安全評價中比較關(guān)鍵的問題。在美國、歐洲各國、日本等國家新修訂的大壩抗震安全導則中一般都建議采用Newmark滑塊法進行分析,這一方法計算簡便,并得到一些實際工程地震變形的檢驗。但傳統(tǒng)的Newmark法一般是先通過擬靜力法確定滑弧位置,然后針對固定滑弧計算其安全系數(shù)時程,這種方法不能精確定位最危險滑弧位置,不利于合理選擇加固措施以及確定加固范圍。為了克服這個問題,大工抗震所考慮了土體的非線性強度和加固措施的效果,提出了基于每一時刻任意圓弧搜索的有限元動力穩(wěn)定和滑動位移分析方法,提高了計算精度,并可定量地評價抗震措施的效果。Newmark法一般用于評價土坡局部穩(wěn)定性或滑移,如果要評價取排水構(gòu)筑物和地基的整體變形,通常采用Serff和Seed等提出的基于應(yīng)變勢概念的永久變形分析方法。目前,基于應(yīng)變勢概念的殘余應(yīng)變模型主要有谷口模型、沈珠江模型和水科院模型。大工抗震所考慮孔隙比和應(yīng)力水平相關(guān)性,分別對谷口模型和沈珠江模型進行了改進,改進后的谷口模型參數(shù)具有孔隙比無關(guān)性,應(yīng)用十分方便;改進后的沈珠江模型消除了不同固結(jié)比對計算參數(shù)的影響,提高了模型的計算精度,減少了試驗工作量。4)液化分析。液化判別分析包括總應(yīng)力判別法和有效應(yīng)力法。總應(yīng)力判別法需要根據(jù)三軸循環(huán)荷載試驗測得的土體的液化動剪應(yīng)力比,并通過動力反應(yīng)分析得到土體的等效動剪應(yīng)力比,前者與后者之比即為液化安全率。當液化安全率大于1.0時,可以認為無液化危險性,反之,則認為土體發(fā)生液化。與總應(yīng)力判別法相比,有效應(yīng)力法可以直接得到孔壓的響應(yīng),根據(jù)有效應(yīng)力是否為0判別液化,概念清楚、理論更加嚴密。大工抗震所基于廣義Biot固結(jié)原理和Seed的孔壓模型,建立了飽和地基的有效應(yīng)力分析方法,可考慮砂土骨架與孔隙水的動態(tài)相互作用,包括孔隙水的累計、擴散和消散。通過震害調(diào)查人們逐漸認識到,土層液化并不一定存在危害,只有當液化引起的變形足以危害結(jié)構(gòu)物安全或正常使用時才造成危害,因此液化引起的變形對構(gòu)筑物的抗震安全評價是十分重要的。當發(fā)生液化時,采用殘余應(yīng)變模型則不能反應(yīng)液化后土體在自重應(yīng)力作用下的流動變形和孔隙水壓力消散后的沉降變形,得到的變形可能偏小,近年來日本學者提出的液化流動分析方法得到了較好的應(yīng)用。大工抗震所基于大量飽和砂礫土動三軸試驗,首次提出了砂礫土的振動孔壓模型和分段直線的液化后變形模型,建立了飽和砂礫土液化流動分析方法。3.1.4我國海工構(gòu)筑物設(shè)計針對核電廠海域工程取排水構(gòu)筑物安全等級,根據(jù)多個核電工程的分析結(jié)果,提出了抗震Ⅰ類和Ⅱ類物項的穩(wěn)定安全系數(shù)標準(見表1),并納入我國《核電廠海工構(gòu)筑物設(shè)計規(guī)范》(NB/T25002—2011)。1)計算構(gòu)筑物抗震穩(wěn)定性時,對于抗震I類物項,應(yīng)同時采用擬靜力法和有限元動力法,綜合判斷其抗震安全性;對于抗震Ⅱ類物項,可采用擬靜力法和有限元動力法,其中一種方法驗證滿足穩(wěn)定要求即可。2)對于抗震I類物項,當有限元動力法穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足要求時,要求驗算斜坡與地基滑動體的滑移量和整體變形,并論證是否影響結(jié)構(gòu)的功能。3.2思路二:自開發(fā)大型企業(yè)設(shè)計通過統(tǒng)一的疫情取排水工程構(gòu)筑物抗震評價由于核電廠取排水工程構(gòu)筑物地基材料的強非線性以及結(jié)構(gòu)的復雜性,需要聯(lián)合多個程序(如國際上常用的FEMDAM、QUAD4、FLUSH、SHAKE等)才能完成土構(gòu)筑物的抗震評價(包括靜力分析、動力分析、液化分析、永久變形分析等)。這些程序的數(shù)據(jù)格式、材料模型等均不相同,程序設(shè)計方法也比較落后,致使研究過程繁瑣且易出錯,升級和維護十分困難,功能也遠遠滿足不了日益復雜的核電廠取排水工程構(gòu)筑物抗震分析的要求。此外,商業(yè)軟件中也沒有專門用于取排水構(gòu)筑物抗震評價方面的程序。因此,開發(fā)統(tǒng)一的、多功能的核電廠取排水工程構(gòu)筑物抗震分析程序,對提高核電工程抗震安全評價的效率和準確性、提升我國核電自主創(chuàng)新能力、發(fā)展我國工程計算軟件自主產(chǎn)權(quán)是十分重要的。大工抗震研究所采用VisualC++開發(fā)平臺、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法、可視化用戶界面、多核并行計算、動態(tài)內(nèi)存、非零存儲、迭代求解等先進的開發(fā)技術(shù),在飽和多孔介質(zhì)彈塑性動力框架上,將巖土工程有限元分析過程進行了類的抽象和封裝,統(tǒng)一了靜力、固結(jié)、動力、液化、穩(wěn)定、永久變形、開挖和填筑等分析過程,自主開發(fā)了核電廠取排水工程構(gòu)筑物抗震安全評價軟件系統(tǒng),可完成構(gòu)筑物抗震計算的全部內(nèi)容。此外,程序的可讀性和可移植性也大大提高,軟件十分易于升級和維護。開發(fā)的軟件滿足我國《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》、《水運工程抗震設(shè)計規(guī)范》和《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》的要求,并適應(yīng)核電廠取排水構(gòu)筑物的設(shè)計特點,提高了抗震安全評價的精度和效率。大工抗震所提出的核電廠海域工程取排水工程構(gòu)筑物抗震安全評價體系及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于我國嶺澳、田灣、陽江、寧德、秦山、福清、臺山、陸豐、防城港、石島灣、紅沿河、徐大堡等核電廠工程,獲得6項軟件著作權(quán),并先后獲得教育部科技進步一等獎(核電站海域工程堤防構(gòu)筑物抗震安全評價研究,2008年)和國家科技進步二等獎(核電廠地基及防護構(gòu)筑物的抗震安全評價及其工程實踐,2010年)。4地震動引發(fā)工程環(huán)境分析2011年日本福島核事故表明,僅僅針對設(shè)計地震動滿足地基適應(yīng)性要求是不夠的,由于地震動的強烈不確定性,發(fā)生超過設(shè)計地震動的可能也是存在的。同時,這次核事故不是單一的地震動造成核泄漏,而是多種因素的綜合作用結(jié)果。由于地震引發(fā)特大海嘯,遠超出核電站海域工程設(shè)防標準,造成廠房結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生失水事故,使得安全殼的降溫系統(tǒng)遭到破壞,安全殼內(nèi)部的溫度升高,核燃料棒以及外包鋯合金保護層溶蝕,最終引發(fā)廠房結(jié)構(gòu)內(nèi)部氫氣爆炸以及堆芯融化造成壓力殼被擊穿,放射性污染擴散等嚴重后果。福島核電事故對核島安全殼的設(shè)計具有很好的參考作用,研究強震作用下核島安全殼及相關(guān)安全工程結(jié)構(gòu)的抗震性能以及可能的組合災害作用下的安全性能并采取必須的工程措施具有非常重要的意義。4.1設(shè)置泄壓閥的壓力閾值安全殼內(nèi)部一旦發(fā)生爆炸將產(chǎn)生強烈的沖擊波,空氣發(fā)生劇烈的膨脹,造成安全殼內(nèi)部的壓力急劇增大,當安全殼內(nèi)壁的壓力超過極限內(nèi)壓時,混凝土的應(yīng)變達到極限應(yīng)變,安全殼就會開裂,密封功能失效,就會造成放射性物質(zhì)外泄。根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程可知,若增大氣體的體積,氣體的壓強就會減小,因此,在安全殼的合適部位設(shè)置泄壓閥,同時在該部位連接防泄漏裝置,這樣,在爆炸壓力達到一定程度的時候泄壓閥泄壓,安全殼內(nèi)部的壓力減小,安全殼結(jié)構(gòu)就不會破壞,從而避免發(fā)生放射性物質(zhì)外泄。為了驗證上述安全措施的可行性,大工抗震所模擬了安全殼頂部設(shè)置泄壓閥情況下安全殼內(nèi)發(fā)生爆炸時內(nèi)壓變化情況,如圖5~圖7所示。利用任意拉格朗日歐拉(ALE)流固多物質(zhì)耦合算法模擬安全殼內(nèi)部爆炸,通過設(shè)置泄壓閥的壓力閾值來設(shè)定泄壓條件,內(nèi)爆后安全殼的應(yīng)力變化如圖8、圖9所示。由安全殼內(nèi)爆的應(yīng)力變化可知,設(shè)置泄壓閥的安全殼由于內(nèi)部壓力達到壓力閾值壓力率先降低,而沒有設(shè)置泄壓閥的則內(nèi)部壓力持續(xù)增加。對比設(shè)置泄壓閥和未設(shè)置泄壓閥的安全殼內(nèi)部壓力的變化來說明措施的有效性,壓力變化如圖10、圖11所示,A、B為安全殼筒體內(nèi)壁的測點。設(shè)置泄壓閥安全殼前后徑向應(yīng)力對比如圖12和圖13所示。由此可知,設(shè)置安全閥的安全殼內(nèi)爆后,安全殼內(nèi)部筒體的壓力和徑向應(yīng)力急劇減小并趨向于0;未設(shè)置安全閥的壓力和徑向的應(yīng)力衰減緩慢,不停地振蕩,變化幅度較小。所以在安全殼合適部位設(shè)置泄壓閥及防泄漏措施是可行的。4.2安全殼隔震措施的特殊性隔震、減震措施在核電設(shè)備中已得到應(yīng)用,對于核電安全殼的應(yīng)用除了法國和南非各一個核電站外,應(yīng)用還不是很廣泛。安全殼采取隔振措施顯然也會降低其反應(yīng)。但鑒于核島工程結(jié)構(gòu)的特殊性,安全殼采取隔震措施可能會產(chǎn)生3個方面的問題:首先,由于隔振措施導致結(jié)構(gòu)整體位移增大,這對各廠房之間連接的管路系統(tǒng)變形要求有較大影響;其次,采用隔震措施后的隔震-結(jié)構(gòu)體系的振動特性發(fā)生了變化,其樓層反應(yīng)譜也就不同,從而影響到安全殼內(nèi)設(shè)備的動力響應(yīng);最后,安全殼本身的剛度很大,強震下一般不會發(fā)生搖擺或扭轉(zhuǎn),但由于通常采用的隔震措施屬較柔支撐,在多向地震動作用下,可能會導致安全殼發(fā)生晃動,安全殼傾角可能會對反應(yīng)堆產(chǎn)生影響。大工抗震所針對安全殼采取基底隔振措施的效果及影響進行了探討。4.2.1安全殼內(nèi)位移分布通過對有無基底隔震的安全殼在三向人工地震波(輸入峰值加速度0.3g;X,Z為水平向,Y為豎向)作用下的加速度響應(yīng)分析可知,隔震措施能有效地降低安全殼各樓層的地震加速度響應(yīng)(見圖14)。采取隔震措施的安全殼的頂點兩個水平向和豎向的最大加速度分別為2.85m/s2、3.05m/s2、12.84m/s2;相比于無措施情況,分別降低了79.5%、79.5%、27.6%;穹頂和筒體的連接處3個方向的加速度分別降低了55.9%、67.6%、36.4%;孔洞處3個方向的加速度分別降低了66.5%、64.0%、43.5%。采取隔震措施的安全殼兩個水平向和豎向的最大位移分別為70.1mm、72.7mm、1.8mm;相比于無措施情況下,最大位移分別增大了4.71倍、4.81倍、0.78倍(見圖15)。由此可見,采取隔震措施后,安全殼整體的隔震效果明顯,安全殼結(jié)構(gòu)本身的相對位移很小;但由于隔震措施采用的柔性支撐造成安全殼整體結(jié)構(gòu)水平方向的位移較大,顯然,采取基底隔震措施對于與安全殼連接的管路系統(tǒng)會造成影響(見表2)。對比采取隔震和未隔震的安全殼的傾角變化發(fā)現(xiàn),采取隔震措施后安全殼的最大傾角僅為0.00137°,比未隔震的結(jié)構(gòu)減小了約90%,說明安全殼在多向地震作用下整體結(jié)構(gòu)的變形很小,沒有發(fā)生整體的晃動或扭轉(zhuǎn)。4.2.2異?，F(xiàn)象下引起更大的震動從安全殼隔震前后的頻率變化看,前三階頻率從4~6Hz降低到不到1Hz,由此引起樓層反應(yīng)譜相比于隔振前發(fā)生了很大變化(見圖16和圖17),對于核電設(shè)備的地震動響應(yīng)有