核电站初步可行性研究阶段岩土工程勘察的工作内容和方法

陈 洪,李伟强

(中南电力设计院,湖北武汉 430071)

核电站初步可行性研究阶段岩土工程勘察的工作内容和方法

陈 洪,李伟强

(中南电力设计院,湖北武汉 430071)

核电站的岩土工程勘察不同于一般的火力发电厂,对建设环境和地基的要求很高。以湖北核电站为例着重从资料收集、现场勘探和测试、室内试验和报告整理几个方面论述核电站初步可行性研究阶段岩土工程勘察的内容、方法。由于核反应堆对地基的沉降变形和承载力的要求很高,土层难以满足其要求,工程地质测绘的重点应放在完整的岩石上。地下水是核泄漏的重要污染途径,现场的水文地质调查和水文地质试验很重要。对现场勘探和测试的要求很高,给勘察工作增加了很多难度。

核电站;工程地质测绘;测试和试验;水文地质调查

0 引言

核电站初步可行性阶段岩土工程勘察的工作内容在有关核电站的岩土工程勘察技术规定中已有明确的说明[1],本文以湖北核电站为例,论述核电站初步可行性研究阶段岩土工程勘察的内容、方法和工作过程中应注意的问题。

1 工程概况

湖北核电站的规模为四个反应堆,总装机容量为4 000 MW,单机容量为1 000 MW。候选厂址共两个,分别为大畈和富池厂址。

大畈厂址位于通山县大畈镇北东约3 km的狮子岩。厂址区为低丘地貌区;最高丘顶标高为180.8 m;厂址区主要出露上白垩统—第三系灰质砾岩和砂砾岩及其上覆第四系土层,其周边还出露有寒武系和志留系页岩、侏罗系泥灰岩和第四系土层;厂址区位于坑口背斜南翼,岩层产状为:南部倾向320°左右,倾角7°～20°;北部倾向170°～210°左右,倾角30°～50°。厂址北侧坑口背斜翼部发育一组东西走向伴生逆冲断层。

富池厂址位于阳新县富池口镇西约2 km的军山咀。厂址区属剥蚀残山、丘陵地貌单元。最高点为南部无名山头181.4 m,最低点为西部富水河边18.3 m,相对高差160 m左右。厂址区地层出露简单,除第四系全新统、中上更新统松散沉积层外,基岩地层为志留系中、下统页岩、粉砂岩和粉砂岩夹细砂岩,泥盆系上统石英砂岩。厂址区位于富池口倒转背斜北翼,为单斜岩层区。岩层倾向自南东至北西,由190°逐渐变化为倾向310°,岩层倾角为25°～28°。

2 核电站初步可行性研究阶段岩土工程勘察的内容及方法

湖北核电站初步可行性研究阶段岩土工程勘察工作思路见图1。

图1 工作技术思路图Fig.1 Diagram of train ofwork

下面就从资料收集、现场勘探和测试、室内试验、勘察过程的控制和报告整理五个方面进行论述。

2.1 资料收集

搜集了两个站址方案所在地区的区域地质测绘资料(比例尺为1∶100万、1∶50万、1∶20万和1∶5万),比例尺1∶5万和1∶20万区域工程地质和水文地质资料,矿区水文地质勘察报告,两个站址的地震调查及其安全性评价报告和水文气象报告。

2.2 现场勘察和测试

现场勘探和测试工作包括:工程地质测绘、水文地质调查、地球物理勘探、工程地质钻探和取样、原位测试(标准贯入试验、动力触探试验)、水文地质渗水试验、压水试验和山地探井、探槽工作。

(1)1∶1 000工程地质测绘和山地工作。测绘范围:每个站址面积为4 km2,测绘比例为1∶5 000。其内容是:初步查明两个站址区域第四系覆盖层的范围及厚度,与下伏基岩的分界线;初步查明基岩的岩性及产状、各岩层的分界;断层的展布特征,两个站址的滑坡、崩塌和大畈站址的岩溶分布特征;初步查明两个站址区的自然边坡和人工边坡的地形坡度,上覆盖层厚度及物质组成,下伏基岩的岩性、产状、裂隙产状及组合发育情况、风化状态及风化层厚度,稳定状态及其历史,并评价边坡对工程可能产生的影响。测绘的方法是穿越和追索相结合。在测绘的同时,选择一些岩石露头较好的地段进行节理裂隙的统计。由于两个站址的植被较发育,局部第四系较厚,因此,布置了一定量的探槽和浅井,以便追索地层界线、断层,揭示地层露头,了解残坡层厚度、岩性等。对一些重要的地质点、地貌点和不良地质作用点采用GPS定点[2]。对大畈站址发育的溶洞、断裂带等进行了详细的记录,绘制了探槽展示图、浅井柱状图、断层素描。

工程地质实测剖面:每个站址都是一条通过四个核岛的纵剖面和两条垂直于构造线的横剖面,剖面比例尺为1∶1 000。对工程可能有影响的局部岩体及崩塌、断裂带、地下水出露点、洞穴等重要地质体,采用大比例尺表示,并加上了必要的说明。对一些重要地质现象进行了拍照和素描。根据测绘的精度要求,剖面上测点的间距,一般在图面上控制为1～2 cm,实地则为20～100 m。对两个站址的出露岩石进行标本采集,对大畈站址西部发育的构造断层,进行断层带上样品采集(采集了2组样品),测定其断层活动的时代。

(2)水文地质调查。调查面积每个站址为80 km2,比例尺为1∶2.5万。调查的内容为:含水层岩性及含水特征、颗粒级配、岩土的物理力学性质、矿物成分等;地下水出露点位置、流速和流量,主要水文地质单元的位置、范围及相互关系;含水层类型及分布特征,天然条件下的地下水位、流向、流速、水质(包括物理及化学性质)、补给及排泄条件,与地表水体的水力联系、用途,地下水的远景开采规划;分析调查为确定放射性元素的浓度可能需要的地下物质的物理和化学性质,初步评价地下水污染对居民的影响。采用方法是走访和地面地质调查相结合,对一些重要的地下水出露点和岩溶发育点进行定位、调查记录和拍照。

水文地质试验:每个站址布置四个钻孔,进行岩体(主要是核反应堆地段)的全孔分段长度不超过5 m的压水试验,两个站址都采用试坑法进行渗水试验并采取原状样。进行室内分析试验,内容为颗粒级配、孔隙率、有效孔隙率、密度、状态、渗透系数、物理化学性质、矿物成分等。

(3)地球物理勘探。在测绘的基础上,从反应堆厂房(核岛)中心向第四系沉积层方向延伸300 m采用浅层地震法布设联合剖面。大畈站址布置了三条纵剖面和四条横剖面,富池站址则布置了两条纵剖面和四条横剖面。每个站址,有一条纵剖面通过四个核反应堆,每条横剖面分别通过一个核反应堆。所有浅震剖面的布置均垂直或平行于主要构造线方向,穿越站址内的主要构造线和自然边坡。在低速带内进行了加密追溯。浅震剖面用于探查主厂区范围内各土层的厚度、结构、空间分布,下伏基岩的岩性埋藏特征、起伏变化情况和风化带厚度、隐伏断层、软弱带、洞穴(尤其是溶洞)的分布以及地下水埋深等。其勘探成果可以指导勘探孔的布置。并能迅速将勘探的(钻孔、地面露头)点成果利用物探延展成面(物探剖面)成果。

(4)钻探与原位测试。钻探:每个站址布置了4个勘探孔。其中在各站址核反应堆厂房(核岛部分)处基岩区布置2个勘探孔,各孔孔深在设计地坪标高以下30 m;第四系土层区布置2个勘探孔,各孔孔深40 m,标准贯入试验孔和取土孔各一个。为了了解岩溶发育的最大深度,大畈站址核反应堆的两个钻孔,均进行了加深;第四系取土孔,位于断层附近,下伏岩石较破碎,该钻孔也进行了加深。钻探主要用于查明拟选厂址岩土层的厚度、岩性、结构、软弱夹层,风化带特征、地下水位、采取样品。钻孔孔径:松散土层开孔孔径≥130 mm,测试孔的孔径应满足相应的测试要求,基岩区用金刚石钻头钻进,钻孔孔径75 mm;钻探方法:采用回旋钻进,对土层采用螺旋钻探和单层岩芯管钻进,软质岩石采用双层岩芯管钻进,硬质岩石采用金刚石钻头钻进;松散地层潜水位以上孔段,采用干钻;长度超过35 cm的残留岩芯,要进行打捞,残留岩芯取出后,可并入上一回次进尺的岩芯中进行计算;强风化—中等风化及破碎基岩岩芯采取率>70%,微风化基岩岩芯采取率>90%。记录每段岩芯的岩芯采取率、节理条数及倾角。在土层中,对第四系粘性土连续取芯,取芯率100%。报告验收前,各孔全部岩芯均要保留。验收后按专家组意见,对代表性钻孔及重要钻孔,应全孔保留岩芯;其它钻孔岩芯,可分层缩样存留;对有意义的岩芯,揭片留样,并对全孔岩芯进行拍照。钻探过程中,要进行冲洗液的渗漏情况记录:渗漏量,开始渗漏的钻孔深度,对于渗漏较严重地段,应记录钻孔深度。重视岩溶、裂缝及软夹层的描述和地质编录,对节理裂隙,记录其倾角和统计每米发育条数。

原位测试:对于标贯孔,标贯试验间距为2～3 m,标准贯入试验应做至连续的中等风化以上岩体为止。当钻进至岩石全风化层时,应增加标准贯入试验频次,试验间距≤0.5 m。在碎石土中,进行重型动力触探试验,了解碎石土的密实度。4个勘探孔内均进行声波测井及单孔波速测试。通过声波测试,了解基岩的破碎状况,裂隙发育程度,软弱夹层的分布范围及基岩的风化程度;通过波速测试确定场地的动力参数;通过试坑法进行简易渗水试验,测定包气带非饱和土层的渗透系数;通过压水试验,测定岩石的渗透系数。

样品的采取:每一主要土层都采取了试样,每个站址地表水和地下水在不同的水文地质单元各采取了2组水样。岩样是按风化程度的不同分别采样,岩样主要集中在整平标高下的核反应堆地段。

2.3 室内试验

(1)断层上覆冲洪积层测年样品的年代学测试:采用热释光方法测定了两组。

(2)土层的常规物理力学试验:取得第四系不同成因、不同类型的物理力学性质指标,包括含水量、比重、重度、界限含水量、相对密度、颗粒粒径组成、压缩系数、压缩模量等指标。对渗水试坑样品进行有效孔隙率试验。

颗粒分析试验:为判定粉土及砂类土的液化势,对全部扰动样品进行了粘粒含量的颗粒分析试验。

(3)岩石试验:按岩石的不同风化等级分别做强风化、中等风化、微风化和新鲜岩石的物理性质试验,其主要项目为密度、比重、孔隙率、吸水率等。

单轴抗压强度:对于强风化岩石难以切取规则完整的试验样品,强风化岩石仅做天然状态下岩石的点荷载试验,用以确定岩石的承载力。对于中等—微风化(含未风化)岩石,钻取直径为5～7 cm的圆柱体,径高比为1∶2～2.5的试样,做干燥及饱和状态下的抗剪强度试验。

三轴压缩及变形试验:测定岩石的抗剪强度指标(摩擦角φ和凝聚力C值)以及岩石的静弹性模量、泊松比。

声波传播速度试验:测定岩石的声波传播速度VS、横波速度VP,计算岩块的动力弹性常数。提供成果:岩石的VS、VP值以及计算得出的岩石动弹性模量、动剪切模量、动体积模量。

矿物成分及化学成分分析试验:为了确定岩石的名称,做岩石的镜下薄片鉴定,以确定岩石的矿物成分和主要化学成分,其数量由肉眼初步分类后,按每类做三个样品进行试验。内容:SiO2Fe2O2、Al2O、CaO、MgO、T iO2、K2O、Na2O、P2O5、SO3、R2O3。

(4)水化学分析。对水样进行腐蚀性分析,判别水对混凝土、钢材、钢筋混凝土的腐蚀性。试验内容:pH值、总硬度、游离CO2、侵蚀性等。

两个站址的工程地质测绘、水文地质调查、钻探与取样、原位测试、地球物理勘探、工程测量和室内试验完成工作量见表1。

2.4 勘察过程的控制

为了保证勘察质量,特聘请了北京核工业第二工业设计研究院核电站岩土工程勘察的专家、本院岩土工程勘察专家同该项目的技术总负责人一道,亲赴现场进行中间检查2次,并最后进行质量验收。对勘察过程进行了严格的监督和检查。

2.5 完成的成果资料

作为支持岩土工程勘察报告的分报告有:工程地质测绘报告、水文地质调查报告、室内试验报告和质量保证报告。

岩土工程勘察报告通过工程地质测绘、钻探和原位测试、地球物理勘探和室内试验的成果,从地貌、地层岩性、地质构造、地震、不良地质作用、水文地质条件、岩石风化层厚度和岩体的分类、岩石回弹等方面,对站址的区域稳定性进行评价及水文地质、工程地质分区;在场地平整后,对站址的场地稳定性和地基稳定性进行评价;地下水对核反应堆基础的影响和可能产生核污染途径进行评价;对两个站址核反应堆地基的适宜性进行评价;对可能产生的人工挖方边坡的稳定性和治理的难易程度进行了评价;进行两个站址岩土工程条件比较,最终,提出推荐站址。

表1 完成勘察工作量一览表Table 1 Schedule of completed amount of investigation work

3 几点体会

核电站的建设,一旦发生核泄漏,对周边环境产生的破坏是致命的,也是无法恢复的,因此,对核电站建设安全性的要求非常高。所以,核电站的岩土工程勘察不同于一般的火力发电厂,对建设环境和地基的要求大大提高。初步可行研究阶段的岩土工程勘察,在进行现场勘察之前,除了编写岩土工程勘察大纲外,还要编写质量保证大纲,对勘察工程的控制也要求非常严,要进行几次中间检查,工作完成后,还要进行验收,最后,还要编制质量保证报告;由于核电站周围5 km范围内,不能有能动断层的存在,因此,在这一阶段,就要求进行地震安全性评价;核反应堆地基的沉降变形和承载力的要求很高,一般土层是难以满足其要求的[3],因此,一般勘察的重点就放在完整的岩石上,要求采用钻探、物探和原位测试等手段,对岩石的分级、完整性、节理裂隙的发育程度和风化带厚度、软弱夹层、岩溶发育程度和渗透性进行评价;通过现场的水文地质调查和水文地质试验,一旦产生核泄漏,对地下水的污染途径进行评价。由于有以上的要求,所以增加了大量现场勘察和测试工作、室内试验工作、资料分析整编工作,同时,对这些工作的要求也大大提高,给勘察工作增加了很多难度。

[1] 陶寺福.核电厂工程地质勘测规定(试行)的编制颁布与实践[J].电力勘测,1998(3):3-7.

[2] 工程地质手册编委会.工程地质手册[S].第四版.北京:中国建筑工业出版社,2007.

[3] 戴联筠.核电厂工程地质勘测与评价[J].电力勘测,2000(3):8-15.

(责任编辑:潘 潇)

Contents and Methods of Geotechnical Investigation for The Nuclear Power Station at Preliminary Feasibility Study Stage

CHEN Hong,LIWeiqiang
(Central Southern China Electric PowerDesign Institute,Wuhan,Hubei430071)

Geotechnical engineering investigation of nuclear power station is different from the thermal power station,demanding high construction environment and foundation bed.Take the example of nuclear power station in Hubei,the paper discusses the contents and methods of geotechnical engineering investigation of nuclear power station preliminary feasibility study stage from the aspects of data collection,field exploration and testing,laboratory test.Because the requirements of settlement deformation and bearing capacity for nuclear reactor are high,soil is difficult to meet their requirements.Engineering geologicalmapping should be centred on complete rock.Groundwater is the main pollution way of nuclear leakage,so the site hydrogeological investigation and hydrogeological testing are very important.Therefore,the requirements of field exploration and testing are high,which increase difficulty of exploration work.

nuclear power station;engineering geologicalmapping;testing and experiment;hydrogeology investigation

TU4;T M623

A

1671-1211(2010)04-0362-05

2010-03-01;改回日期:2010-04-12

陈洪(1961-),男,工程师,水文与水资源工程专业,从事岩土工程勘测工作。E-mail:chenhong-dz@csepdi.com