核电厂岩体质量等级可拓评判方法应用研究

2018-04-12 03:00涛,贾宁,湛
电力勘测设计 2018年3期
关键词:厂址核电厂风化

郭 涛,贾 宁,湛 川

(1.国网北京市电力公司,北京 100031; 2.中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司,北京 100120)

工程岩体级别不仅与岩体基本质量等级、地下水、初始应力状态等因素有关,而且还受工程种类的影响。与火力发电厂不同,核电厂建筑物安全等级更高,对地基承载力和变形要求很高,其主要建(构)筑物一般要求建于稳定的基岩上。从降低风险角度,目前核电厂选址工作中优选剪切波速大于1100 m/s,地基承载力特征值fak≥1 MPa的硬质基岩场地。该类场地条件下,地基在静荷载作用下的强度和变形问题可以忽略,在地震动态分析时,也可不考虑地基与结构的相互作用。但从我国核电相关标准来看,该条件并不是必须条件,选用其它类型场址,仍然是可行的,但应遵循从多个备选场址择优选取的原则。如何从岩体勘测所得多个指标,综合评价各厂址岩体地基优劣,相关标准并未给出具体方法。作为工程勘测中的一项重要内容,能否准确而客观地评价核电厂工程岩体级别,对于核电工程安全和建设投资均有重要影响。

1 岩体质量等级评价方法比较

目前,对于岩体质量等级的评价方法很多,这些方法都是以定性和定量两个方面相结合来评价的,所考虑的因素包括岩石强度、结构面、岩体赋存环境和其它一些综合因素,其计算及评价方法概括起来有和差法、积商法或综合打分法等。

在这些分类方法中,每一种方法所考虑的因素都基本上是固定的。而在核电勘测中,一般均对岩体多个方面的特征进行了详细调查和测量,如饱和单轴抗压强度、完整性指数等。针对不同区域及规模的核电厂,调查和测量的指标也有所不同。因此,传统的方法难以全面反映核电岩体质量等级评价需要考虑的因素。同一种方法对于不同核电厂的通用性较差,因此,核电工程实践中需要一种新的、指标选取灵活的评价方法。

值得注意的是,岩体质量评价问题是一种复杂的矛盾问题。例如,某一种岩体如果按岩石硬度来划分,属于Ⅰ类;如果按节理的发育程度来划分,则属于Ⅱ类;按RQD分类,则属于Ⅲ类。那么对该岩体质量等级的综合评价就是一个矛盾问题。因此,有必要引进一种能够处理矛盾问题的新方法。

基于以上工程背景,本文提出将可拓方法应用于核电厂岩体质量等级分类中。并对某核电厂3个候选厂址的岩体质量等级进行了评价,为优选厂址提供了客观依据。

2 可拓法研究现状

1983年,蔡文发表《可拓集合和不相容问题》一文,标志着可拓学的诞生。可拓学研究始于对不相容问题的转化规律与解决方法的研究,现已发展到可拓信息、可拓控制、可拓系统、可拓逻辑和可拓工程方法等众多分支。

将可拓法用在工程岩体质量评价中是近几年来研究的热点。根据工程的特点,针对公路隧道岩体、水电围岩和地下工程等均提出了基于可拓评判的岩体质量分类方法。

除此之外,可拓方法还应用在边坡稳定性评价、环境质量综合评价、山区公路泥石流危险性评价和砂土液化等级评价等方面。

3 可拓法评价的一般过程

3.1 确定经典域

在可拓法中,物元是描述事物的基本元,它以有序的三元组R=(N,c,ν)来表达。其中,N表示事物,c表示特征的名称,ν表示N关于c所取的量值。这三者称为物元的三要素。

设需要评价的岩体有m类,影响岩体质量的因素有n个,则岩体可用下面n维物元来描述:

式中:N0j为事物,这里表示岩体质量等级评价的第j(j=1,2,…,m)个等级;ci为特征的名称,这里表示岩体质量等级第j个等级N0j的第i个评价因子i(i=1,2,…,n);V0ji为事物关于特征ci所取的量值,这里V0ji为N0j关于ci所规定的量值的范围,即岩体质量各等级关于对应的评价因子所取的数据范围,称为经典域;a0ji和b0ji分别为第j个等级第i个因素取值的下限和上限。

3.2 确定节域

岩体质量评价等级节点域可表示为:

式中:P为岩体质量评价等级的全体;Vpi为P关于ci所取的量值范围,即P的节域。

3.3 确定待评物元

对于待评岩体p,把收集到的信息数据用物元R表示,称为待评物元。

式中:p为具体某一岩体;νi为p关于评价因子ci的量值,即待评岩体的具体数据。

3.4 确定关联函数值

在可拓集合中,建立了关联函数这一概念。关联函数表达了事物具有某种性质的程度。为了建立实轴上的关联函数,首先把关联函数中距离的概念拓展为“距”,即规定实轴上点x与区间X0=〈a,b〉之距ρ(x,X0)为:

利用距的概念,可以描述出点在区间内的位置,使人们从“类内即为同”发展到“类内也有程度之分”的定量描述。在距的基础上,文献[9]建立了初等关联函数的计算公式:且无公共端点。用式(6)表述可拓集合中的关联函数,就可以把“具有性质P”的事物从定性描述拓展到“具有性质P的程度”的定量描述。

根据式(6),待评岩体与岩体质量等级评价的关联函数值Kj(νi)可按下式计算:

3.5 确定评价等级

由式(7)求得关联函数值后,可以得到待评岩体p关于质量等级j的关联度。

式中:λi为各评价因子的权重。在确定待评岩体p关于质量等级j的关联度的式(8)中,各评价因子权重λi的确定方法有许多,如专家打分法、简单关联函数法、按评价因子的灰关联排序确定权重法等。简单关联函数法适用于量化指标处理。与其它方法相比,其处理方法简便,结果受主观因素影响小。

本文采用传统的简单关联函数法,其计算公式为:

式中:Wi为评价因素ci的权重分配系数;νi为待评物元第i个因素的取值;b0ji为第j个等级第i个因素取值的上限。值得注意的是,由式(9)计算出的权重Wi,与等级i无关,因此实用上可以取j=1。根据计算结果,若:

则评定岩体p的质量等级为j0。

4 实例计算

某拟建百万千瓦级核电项目规划建设规模为6×1000 MW级压水堆核能发电机组的候选厂址共3个,分别为厂址一、厂址二和厂址三。

4.1 评价参数选取

可拓法评价参数的选取宜量化、测试指标完整、并充分利用勘测成果的原则。测试指标的完整性主要指两方面:一是对比厂址均需具备充足的指标;二是指标需覆盖硬度和完整性两方面。本文选取以下6个参数作为分类依据。(1)饱和单轴抗压强度Rc;(2)纵波波速Vp;(3) RQD指标;(4)风化系数Kf;(5)完整性指数Kv;(6)节理平均间距J。

4.2 三个厂址的基岩数据

厂址一范围内主要为花岗岩。厂址二范围内主要为片麻岩。厂址三范围内主要为安山岩。根据工程地质测绘、钻探、原位测试、钻孔波速测试和室内单轴抗压强度试验等综合分析的结果,岩体的风化程度分为残积土、全风化、强风化、中等风化和微风化。

考虑到中风化及微风化岩体对工程选址有重要影响,下面仅对中风化和微风化两种岩体进行质量等级评价。3个候选厂址岩体参数见表1。

表1 厂址岩体参数汇总

4.3 单因素指标分类

按照《工程岩体分级标准》的要求,并结合厂址条件适当调整,单因素指标分为5个等级,见表2。

表2 单因素指标岩体分类

4.4 等级评价

为消除各参数量纲不一致给计算结果带来的影响,对量纲不同的指标进行了无量纲化处理。处理方法分为2类:第一类是指标越大,岩体质量越好;第二类是指标越大,岩体质量越差。第一类指标无量纲化计算方法为式(11),第二类计算方法为式(12)。

经计算,厂址一中风化岩体关联函数值见表3。

表3 厂址一中风化岩体关联函数值

由式(9)计算得到各等级的权重见表4。

表4 权重一览

待评岩体与各等级的关联度及评价结果见表5。各等级对应的关联度越大,说明越接近该等级。

表5 待评岩体与各等级的关联度及评价结果

厂址一微风化及厂址二和厂址三计算过程略。

统计3个厂址中风化和微风化岩体关于岩体质量等级的关联度见表6。

表6 各厂址的关联度值

本文评价等级与勘测报告中根据《工程岩体分级标准》结合工程经验综合评价的质量等级对比见表7。

表7 岩体质量等级对比

从表7看出,可拓法评价结果与勘测报告评价结果基本一致。对于勘测报告中难以具体确定确切分类的岩体,如Ⅰ~Ⅱ类岩体、Ⅲ~Ⅳ类岩体,可拓法可给出一个确定的评价。

即使对处于同一评价等级的基岩,通过关联度的大小,也可以进行一步区分出岩体质量等级的优劣。关联度越大,越接近于该等级。例如,从表6看出,对于同样处于Ⅲ级的中风化基岩,厂址一中风化基岩关联度为0.057,略优于厂址二中风化基岩关联度0.053,厂址二中风化基岩优于厂址三中风化基岩关联度0.025。单纯从岩体质量角度分析,厂址一最适宜于本工程。

5 结语

本文以饱和单轴抗压强度、纵波波速、RQD指标、风化系数、完整性指数和节理平均间距等6个指标为依据,基于可拓法提出了岩体质量等级评价方法,并对一个核电厂中3个候选厂址的岩体质量等级进行了评价,得出以下结论:

(1)可拓法对于评价指标的选择十分灵活,不受指标种类、量纲和数量的影响,可以最大限度地利用勘测过程中得到的各种指标。

(2)可拓法可以解决不同指标评价得出的岩体等级不同的矛盾,最终评价结果客观可信。

(3)通过工程实例的计算分析,可拓法评价结果与勘测报告评价结果基本一致,更宜量化。对于勘测报告中难以确切分类的岩体,可拓法可给出客观的评价。

(4)根据计算结果可对核电厂候选厂址岩体质量等级进行排名,为优选厂址提供客观依据。

参考文献:

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