核电厂岩土工程勘察阶段划分及若干问题讨论

王中平，戴联筠

(电力规划设计总院，北京 100120)

核电厂岩土工程勘察阶段划分及若干问题讨论

王中平，戴联筠

(电力规划设计总院，北京 100120)

核电厂岩土工程勘察阶段划分及勘察深度的确定是核电厂岩土工程勘察工作的核心内容，直接关系到各阶段岩土工程勘察工作是否能够合理满足核电厂工程建设的需要，也影响到核安全。本文结合参加国标《核电厂岩土工程勘察规范》编制和《岩土工程勘察规范》GB50021－2009核电厂相关章节修订的体会，简要分析了核电厂岩土工程勘察阶段的划分及勘察要点，并对核电厂勘察涉及的若干问题进行了讨论。

核电厂；勘察阶段；勘察要点。

1 概述

核电厂工程是一个复杂的系统，从厂址选择、工程设计与建造、装料运行直至退役，不同阶段对应着不同的技术与安全要求。岩土工程勘察几乎贯穿了核电厂工程建设的全过程，相关工作也需要分阶段逐步完成。岩土工程勘察阶段划分及勘察内容与相关法律法规、技术标准和工程建设程序等密切相关，合理的勘察阶段划分和勘察内容深度规定，可以使岩土工程勘察满足核电厂工程建设各阶段的需要，促进核电厂岩土工程勘察工作的规范化，降低工程建设遭遇地质灾害的风险，并为解决复杂岩土工程问题奠定基础，也为核电厂的安全运行提供必要的专业支持。

对于大多数工业项目，岩土工程勘察阶段的划分遵循基本建设工作程序即可。核电厂工程建设项目，岩土工程勘察阶段的划分除应满足基本建设工作程序外，还应符合核安全法规与导则的规定，满足核安全监管的要求，这是核电厂与其他工业项目最明显的不同点。

2 核电厂岩土工程勘察阶段的划分

2.1 基本建设程序与勘察阶段

岩土工程勘察的主要服务对象是工程设计，传统上勘察阶段的划分在遵循基本建设程序的原则下，均要求勘察阶段与设计阶段相适应。例如：火力发电厂岩土工程勘察阶段分为初步可行性研究阶段勘察、可行性研究阶段勘察、初步设计阶段勘察和施工图设计阶段勘察[1]，在工程建造和运行阶段，只在必要时开展一些工地服务和检测、监测工作。虽然我国正在由传统的计划经济体制向市场经济体制转变，企业投资建设项目已由审批制改为核准制，但勘察设计阶段的划分方式变化不大，对于大型工业建设项目，基本上仍执行上述阶段划分原则。

2.2 核安全导则中的工作阶段划分

核电厂与一般工业项目的最大区别在于，除项目自身功能的需要以外，还要满足核安全的要求，即在核电厂正常运行情况下，放射性废物的排放应在可接受的水平，事故状态下，则应确保公众和环境免受放射性事故释放所引起的过量辐射的影响。我国已经建立了较为完整的核安全标准体系，这些标准大多由国际原子能机构(IAEA)的相关标准翻译转化而来，与国内建设工作程序的要求存在一些差异。

我国核安全导则《核电厂的地基安全问题》HAD101/12(该标准由IAEA安全导则No.50－SG－S8，Safety Aspects of Foundations of Nuclear Power Plants转化而来)规定，厂址勘察的任务可视情况安排在厂址查勘阶段至厂址详细鉴定阶段之间的所有阶段中。主要阶段为：

(1) 厂址查勘。在该阶段内，经过大区域的研究和勘察后选定一个或几个优先候选厂址，包括否定不可接受的厂址，对其余可接受的几个厂址进行筛选和比较。

(2) 厂址评价。可进一步细分为：

① 厂址初步可行性研究，确定所选厂址的初步可行性；

② 厂址验证，验证厂址的适宜性；

③ 厂址评定，确定分析和详细设计所需的厂址特征。

(3) 运行前阶段。在核电厂开始建造和开始运行前，继续进行前几个阶段开始的研究和勘察，以完善和改进对厂址特征的评定。

IAEA在2003年颁布安全导则NS－G－3.6(替代No. 50－SG－S8)，Geotechnical Aspects of Site Evaluation and Foundations for Nuclear Power Plants ，其中勘察工作对应的阶段为：

(4) 选址阶段。通过一个大区域调查，否定不适宜的厂址，筛选和比较剩余的厂址，从而挑选出一个或多个优先候选厂址。

(5) 特征描述阶段。本阶段又进一步分为两步骤

① 核实，主要根据预先确定的厂址排除准则来核实作为核电厂厂址的适宜性；

② 验证，为分析目的和详细设计确认所需要的厂址特征。

(6) 运行前阶段。在核电厂开始建造之后和开始运行之前继续在前面各阶段进行的调查研究，以完成和完善对厂址特征的评价。利用获得的厂址数据来最后评价在最终设计中使用的模型。

(7) 运行阶段。在核电厂寿期内继续进行选定的调查。

我国拟根据IAEA安全导则 NS－G－3.6编制新版安全导则《核动力厂厂址评价和地基的岩土工程问题》替代已经执行多年的《核电厂的地基安全问题》HAD101/12，相关文本已经完成但尚未正式发布。

2.3 核电厂岩土工程勘察阶段

传统的基于项目建设程序的勘察设计阶段划分与核安全导则的规定并不完全吻合，而核安全监管的要求是必须遵守的，因此核电厂岩土工程勘察阶段的划分需要兼顾项目建设程序和核安全标准规定的需要。

对上述各阶段的工作内容分析显示，传统的勘察阶段划分与核安全导则中工作阶段的划分存在基本的对应关系。

核安全导则中的厂址查勘阶段和厂址评价中的初步可行性研究阶段，大致相当于目前建设程序中的初步可行性研究阶段勘察，其中包括厂址普选阶段的调查工作。

厂址验证阶段的工作内容与现行可行性研究阶段的勘察要求相当。

厂址评定阶段的工作内容与初步设计和施工图设计阶段的勘察要求基本一致。

基于上述分析，综合考虑核电厂建设程序的要求和核安全监管规定，并充分吸取近年来我国在核电厂岩土工程勘察中的经验积累，核电厂岩土工程勘察阶段的划分采用了如下方案：

(1) 初步可行性研究阶段勘察(简称初可研勘察，含厂址普选)。

(2) 可行性研究阶段勘察(简称可研勘察)。

(3) 初步设计和施工图设计阶段勘察(简称设计阶段勘察)。

(4) 工程建造阶段勘察(简称施工勘察)。

即将发布实施的国标《核电厂岩土工程勘察规范》和正在修订的《岩土工程勘察规范》GB50021均采用了上述勘察阶段划分方案。

3 各阶段勘察要点和若干问题讨论

3.1 各阶段勘察要点

3.1.1 初可研勘察

初可研勘察应了解各拟选厂址的区域地质、地震背景，初步查明厂址区工程地质、水文地质条件和主要岩土工程问题，初步排除颠覆性因素，对厂址的适宜性、场地稳定性、主要建筑物地基条件进行初步评价，为厂址比选提供依据。

初可研勘察评价的重点是拟选厂址的适宜性。需要特别关注主厂区(核岛与常规岛所在区域)地基条件，拟选厂址必须具备满足核岛等主要建筑物要求的良好地基；不良地质作用地质灾害也是勘察的重点，例如：位于厂址附近或可能通过厂址的断裂构造、岩溶等，这些均有可能成为影响厂址适宜性的主要因素。

初可研勘察通常需要针对两个以上厂址进行，岩土工程勘察结果将作为厂址比选和确定优先候选厂址的依据，勘察内容深度还要满足编制初步可行性研究报告的需要。

由于初可研勘察投入的工作量有限，对于勘察结论意见的不确定性应予以注意，并应给出下阶段继续进行研究的意见。

厂址普选工作在初可研阶段的先期进行，通常并不作为一个完整独立的工作阶段，而是统一划归初可研阶段。厂址普选的岩土工程勘察以搜集分析现有资料为主要方法，结合现场踏勘调查，确定适宜选择核电厂址的区域，筛选区域地质背景和工程地质条件较好的潜在厂址。厂址普选一般不进行现场勘探工作。

3.1.2 可研勘察

可研勘察应基本查明厂址区的工程地质条件和岩土工程问题，初步确定岩土参数，在初可研勘察的基础上进一步评价厂址在岩土工程方面的适宜性，为核岛定位和总平面布置方案的优化提供依据。

可研勘察是对初可研勘察厂址适宜性结论的进一步验证，通过本阶段的勘察要彻底排除颠覆性因素，为厂址的最终确定提供支撑。

可研勘察时，主厂区的位置是基于初可研勘察结果初步确定的，并不是最终位置。主厂区位置的确定是进行全厂总体规划和优化总平面布置方案的先决条件，确定主厂区位置考虑的主要因素之一就是地基条件，可研勘察应对主要建筑地基的稳定性、均匀性和适宜性进行评价，为总平面布置方案的确定奠定基础。鉴于本阶段所投入的勘察工作量已经较多，通过可研勘察，应初步确定地基岩土参数，推荐的参数值应有一定的包容性，以便与下阶段的详细勘察结果相协调。

可研勘察应该采用多种勘察手段和方法，勘探点通常采用网格布置方案，核安全导则亦推荐采用网格布置方案，但在具体操作时，应结合厂址条件合理调整，核岛区域必须有勘探点，对于主厂区和岩土条件复杂的地段，应重点布置勘探工作。

可研勘察内容深度还应满足编制项目可行性研究报告和厂址安全分析报告的要求。

3.1.3 设计阶段勘察

设计阶段勘察主要针对各建筑地段或具体建筑物开展，通过勘探、测试与试验查明岩土的分布特征，确定岩土参数，为施工提出建议。本阶段重点分析评价建筑物地基的稳定性和均匀性。

初步设计阶段可分区对核岛、常规岛、水工建筑、附属建筑进行勘察评价；施工图设计阶段对核岛、常规岛地段进行必要的补充勘察，并应根据确定的总平面布置完成附属建筑物、水工建筑物勘察。

在初步设计阶段，主厂区和大多数建筑物的位置已经确定，具备针对具体建筑进行勘察的条件，对于建筑物位置没有确定的地段，可按区域进行勘察。少量位置尚未最终明确的BOP建筑，可留待施工图设计阶段勘察。

基于国内核电建设经验，在初步设计之后将开始主厂区负挖，因此，对于核岛和常规岛所在的主厂区，初步设计阶段勘察与施工图设计阶段勘察通常合并一次完成，勘察工作深度应同时满足初步设计和施工图设计的需要。

设计阶段勘察针对具体的建筑物开展，必须确保每一个核安全相关建筑都有直接的勘探测试工作。

随着环境约束条件日趋严格，采用二次循环冷却方式的核电项目会越来越多，目前正在研究的核电厂大型冷却塔的淋水面积已达到18000m2以上，塔的高度超过200m，塔群的占地面积已经占到厂区总面积的一半以上，在确保核岛优先具备良好地基的情况下，冷却塔地段的地基条件往往较差，经常会涉及大厚度填方地基的处理和桩基方案优化选择等复杂岩土工程问题，在这方面目前的重视程度不够。

设计阶段勘察内容深度还应满足编制初步安全分析报告和最终安全分析报告的要求。

3.1.4 施工勘察

这一阶段是核电厂独具特色的勘察阶段，需要进行大量详细的地质测绘编录工作。

工程建造阶段勘察主要进行现场检验、监测和负挖基坑的测绘编录工作，必要时进行补充岩土工程勘察和试验工作。

本阶段应通过负挖结果的观察、测绘与编录，对前期岩土工程勘察结论进行检验，进一步完善对厂址特征、地基模型的分析评价结果。

对于负挖揭露的重大问题，应开展必要的补充勘察分析，在查明产生问题的主要原因后制定处理方案与措施。

施工勘察的内容深度还应符合编制最终安全分析报告的要求。

3.2 核电厂岩土工程勘察的若干问题

3.2.1 基岩厂址与非基岩厂址

基岩厂址通常指核岛等主要建筑可以直接采用中等风化及以上岩体作为地基的核电厂址，基岩厂址不需要进行复杂的土－结构相互作用分析；非基岩厂址指核岛等主要建筑采用全风化和强风化岩体、软岩或硬土层作为地基的核电厂址。国内尚没有以软弱土层作为核岛地基或采用人工地基的核电厂址，国外也极为少见。

I A E A的安全导则N S－G－3.6，Geotechnical Aspects of Site Evaluation and Foundations for Nuclear Power Plants，出于地震反应分析的目的，根据剪切波速度将厂址分为3类：

Ⅰ类厂址，Vs＞1100m/s；

Ⅱ类厂址，1100m/s＞ Vs＞300m/s；

Ⅲ类厂址，300m/s＞ Vs。

新编国标《核电厂岩土工程勘察规范》采纳了上述分类原则，并进一步予以细化。从剪切波速值看，并未排除非基岩厂址，其中第Ⅲ类厂址将会面临许多复杂的岩土工程问题，现状条件下不宜作为核电厂址，对于第Ⅱ类厂址，可能需要根据具体情况和存在的问题专门研究。

经过多年选址工作的积累，我国已经储备了相当规模的核电厂址资源，这些厂址基本都是基岩厂址，绝大多数厂址核岛地基岩体的剪切波速大于1100m/s，仅个别厂址的核岛地基条件稍差，剪切波速数值较低。

目前国内核电厂址多为基岩厂址的原因：一是核岛对地基条件的要求很高，出于确保核安全的目的，在选址时有意识的选择了基岩条件较好的厂址；二是先期引进的机组建设采用了基岩厂址，而后续机组多采用翻版建设的模式，套用了对基岩厂址要求。

对基岩厂址的过度追求也带来了一定的负面作用，例如：为确保核岛采用岩石地基，往往需要寻找较大的完整山体，造成工程土石方工程量巨大和复杂的高边坡问题，也一定程度上推高了工程的造价水平。目前国内引进的以AP1000堆型为代表的三代核电机组，对地基条件具备更宽的适应性，而在今后一段时期核电建设将以三代堆型为主，因此核电选址应适当放宽地基条件，这样有利于扩大适宜选址的区域，并选择出综合条件更优的厂址。

现有核电厂址以基岩厂址为主，核电勘察经验的积累也大都来自于基岩厂址的勘察实践。因此，在编制核电厂勘察技术标准时，对于勘察工作量的规定和评价内容更适用于基岩厂址，当前还缺乏对于非基岩厂址的勘察评价经验。

例如：河北东南部某拟选核电厂址，不是典型的基岩厂址，上部为厚约50m的第四系覆盖层，其下主要为第四系玄武岩等，初步判断分布稳定且厚度较大，拟作为桩基持力层，玄武岩下部仍为第四系松散层。拟选厂址地处滨海平原，传统的工程地质调查和测绘的作用得不到发挥，而初可研阶段钻探工作量较少，此时岩土工程勘察评价的难度很大。对于这样的厂址就不能简单照搬基岩厂址的勘探经验，需要对勘察方案进行专门研究。

3.2.2 勘探深度

勘探深度的确定应根据勘察阶段的内容深度要求，结合上部结构设计分析需要和厂址岩土特性综合确定。

IAEA安全导则NS－G－3.6，Geotechnical Aspects of Site Evaluation and Foundations for Nuclear Power Plants，是IAEA于2003年聘请各国专家在总结各核电先进国家经验基础上制定的，我国准备用该导则替代1990年发布的《核电厂的地基安全问题》HAD101/12。在新版核安全导则《核动力厂厂址评价和地基的岩土工问题》(待发布)中，对于勘探深度在厂址选择和验证阶段(相当于初可研勘察和可研勘察阶段)并没有明确的规定，但提出要特别注意识别不良的地下特征，例如洞穴带、膨胀岩和页岩、气穴、软弱带或晶质岩石的不连续点、以及由不稳定地层决定的潜在滑动面等。在厂址确认阶段(相当于设计阶段勘察)给出了勘探深度的原则要求：“所需的钻孔深度随厂址条件而变化，但钻孔应深到足以能全面描述对结构有影响的厂址条件，并验证前阶段勘察已确定的土和岩石条件。在土层很厚的地方，为了评定厂址潜在的深层不稳定性，从工程的角度出发，最小钻孔深度可取在如下深度处：在建造过程中或建造后，该深度处垂直应力的变化小于原位有效上覆压力的10%。如厂址为岩石厂址，或者在小于上述建议的深度处遇到稳定的岩石，则钻孔应穿透能影响基础稳定性的突变点、软弱带或蚀变作用的最大深度处。对于风化页岩或软岩厂址，钻孔深度应与土层钻孔深度相同。”

在美国N R C导则R G 1.1 3 2，S i t e Investigations for Foundations of Nuclear Power Plants(2003版)[4]中对于厂址勘察的最小勘探深度也给出了规定，其中就包括NS－G－3.6中的有效上覆压力准则，IAEA标准应该是借用了NRC标准确定的原则。此外RG1.32还规定，所有钻孔应该深入到基础底面以下至少10m(33ft)；在预定勘探深度内遇到可胜任的岩石(competent rock)时，钻孔也应该穿透可能对地基有影响的突变点、软弱带或蚀变的最大深度处，并且至少进入坚固岩石(sound rock)6m(20ft)。RG1.32的规定更加详细和全面。

与国外标准不同，国内勘察标准对于勘探深度的规定更加具体，一般都会给出不同勘察阶段或不同建筑地段的勘探深度规定。厂址条件千差万别，标准中过于具体的勘探深度规定难以包容厂址条件变化对勘探深度的影响。还是上述河北某核电厂址的例子，厂址上部厚约50m的第四系覆盖层，向下为厚约80m～130m的火山岩，之后又是巨厚的第四系松散层，基岩埋藏深度在数百米以下，在设计速测试钻孔的深度时就遇到了困难，地震部门要求钻孔尽量深入至基岩，可数百米的深度已经远超一般工程勘察钻孔的深度，也超出了现行核电勘察技术标准对勘探深度的规定，对钻探和波速测试都提出了严峻挑战。对于此类特殊情况，勘探深度需要专门研究。

在初可研勘察与可研勘察阶段，勘探深度的确定应能够查明厂址区范围与工程建设密切相关的岩土层的分布和工程特性，在设计勘探孔深度时，宜深不宜浅，应达到可能有潜在影响的深度范围。

设计阶段勘察，勘探点的深度应重点考虑工程分析和详细设计的需要。

上述在确定勘探深度时关于上覆压力的规定沿用的是常规静态沉降变形控制的原则，但在核电厂岩土工程勘察中，为开展土－结构相互作用(SSI)研究建立土层模型的需要，跨孔波速测试钻孔的深度远超服务于一般工程目的的钻孔深度，最深的钻孔往往是用于跨孔波速测试的钻孔，钻孔深度的确定主要取决于土－结构相互作用分析中的下边界。对于波速测试钻孔的深度，业内在认识上存在差异，有专家认为SSI分析的下边界取1.5倍基础宽度已是不敏感的深度了，对于现有绝大多数厂址，这一深度基本可以满足要求。综合国内不同类型核电机组勘察经验，国标《核电厂岩土工程勘察规范》中确定核岛区的勘探深度为1.5～2.0倍反应堆厂房直径是适宜的。

3.2.3 勘察成果的不确定性

岩土工程勘察是通过有限的调查、勘探、测试和试验工作对厂址和地基进行评价，由于研究对象的复杂性，勘察手段和方法的局限性以及勘察人员对问题认识的有限性，都可能使得勘察成果存在一定的不确定性。

核电厂工程在进入负挖阶段后，常常会发现揭露的地下情况与先前的勘察结论存在一些不一致，有时甚至是较大的差异。这也是为什么国内外核安全标准均要求在此阶段应根据开挖揭露的数据进一步完善对厂址特征评价的原因。

我国常规火力发电厂工程中曾有勘察成果出现较大不确定性的案例：贵州某火电厂，在历经初可研、可研、初设和施工图勘察后，在施工时仍然在主厂房区域出现大型厅堂式溶洞，这固然有勘察方案合理性和现场实施方面的问题，但从另一方面也印证了勘察工作的复杂性和不确定性。

在核电厂工程建设中也有类似的案例：辽宁某核电厂核岛地基开挖时发现在中等风化和微风化地基岩体中存在性质差异较大的强风化“捕虏体”，对地基的均匀性造成影响。江苏某核电厂，开挖后也在核岛区域发现了“特殊地质体”——老断层，且断层破碎带岩体与周边岩体的性质差异较大。上述两个事例出现后都曾反复开会研究处理方案，对工程建设造成影响。

核电厂岩土工程勘察与常规建设项目的岩土工程相比，各种勘察手段和方法以及人力物力财力的投入较大，对勘察工作质量的关注也远超一般项目，但即使这样勘察成果仍然会出现一定程度的偏差。我们必须客观的认识勘察工作中存在的这种不确定性，并尽量减少这种不确定性的不利影响。

4 结语

我国煤炭为主的能源消费结构造成了严重的环境问题，迫切需要进行调整，长远看，煤电所占比重将会下降，而核电等新能源发电的比重将逐渐提升，核电厂岩土工程勘察是核电项目建设过程中的重要环节之一，合理的划分勘察阶段并规定相应的勘察工作内容，对于核电厂岩土工程勘察至关重要。本文结合参加国标《核电厂岩土工程勘察规范》编制和《岩土工程勘察规范》GB50021核电厂相关章节修订的体会，对核电厂岩土工程勘察阶段划分和勘察要点进行了简要分析，并对核电厂岩土工程勘察中若干问题进行了讨论，相关内容可供核电勘察同行参考。

[1]DL/T 50574－2006，火力发电厂岩土工程勘测技术规程[S]．

[2]HAD101/12，核电厂的地基安全问题[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]费全昌．我国冷却塔应用现状及面临的挑战[J]．电力勘测设计，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，工学博士，教授级高级工程师，主要从事电力工程咨询和评审工作。