地震危险性概率分析在核电站设计中的应用研究-论文.pdf

'第3O卷，第3期世界地震工程Vo1．30．No．32014年9月WORLDEARTHQUAKEENGINEERINGSep．2014文章编号：1007—6069(2014)03—00235—05地震危险性概率分析在核电站设计中的应用研究肖光辉，张明，王永杰(1．中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东青岛266580；2．青岛第一市政工程有限公司，山东青岛266000)摘要：地震危险胜概率分析是结合对地震地质条件的认识和地震活动性资料，以定量的方式给出将来遭遇到超过给定地震动参数的概率。结合核电站的特殊性，采用点源地震危险性分析模型及经改进的方法根据场地条件可得到供设计参考的地震动参数。最后通过我国东部某核电站的实例进行了地震危险性分析，结果表明该方法可以较为简便地应用于工程实践。关键词：地震危险陛；地震动；概率分析；核电站中图分类号：U442．5+5文献标志码：AstudyonapplicationofseismichazardprobabilityanalysistonuclearpowerplantdesignXIAOGuanghui，ZHANGMing，WANGYongjie(1．CollegeofPipelineandCivilEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China；2．ThefirstMunicipalEngineeringCo．，Ltd．ofQingdao，Qingdao266000，China)Abstract：Probabilisticseismichazardanalysisisthecombinationofunderstandingaboutseismo—gelolgicalcondi-tionandseismicitydata，inordertoquantitativelyexpresstheprobabilityofgroundmotionexceedingsomegivenparametersinfuture．Inthispaper，combinedwiththeparticularityofnuclearpowerplant，accordingtothepointsourceseismichazardmodelanalysisandtheimprovedmethodthedesigngroundmotionparameterswhichmaygivearefencetodesignwereobtained．Finally，throughtheexamplecalculationofanuclearpowerplantinEastChina，itisshowedthatthismethodofprobabilisticanalysisofseismichazardcanbemoreconvenientlyusedinengineer—ingpractice．Keywords：seismichazard；earthquakemotion；probabilisticanalysis；nuclearpowerplant1引言近年来，地震灾害在世界各地频发，造成了巨大的生命和财产损失。1995年日本阪神大地震，震级为7．1级，死亡5500多人，造成经济损失达1000亿美元。⋯2008年我国汶川I8．0级地震，死亡近70000人，造成经济损失达6920多亿元。2011年日本东海地震，震级9．0级，据世界银行估计，地震造成的损失或达2350亿美元。随着社会经济的高速发展和城市现代化程度的提高，地震造成的危害也将越来越严重。作为一种清洁，高效，成本低廉的新能源，核能有着巨大的优势和发展潜力，随着核能源的开发利用，世界能源已进入核能时代。面对日益枯竭的不可再生资源和日益增长的能源需求，有专家指出，核能与可再生能源的发展已成为主要出路。目前，我国已经开始大力发展核电，到2020年，核电运行装机容量争取达到4000万KW；核电年发电量达到2600～2800亿kWh。收稿日期：2013—09—10；修订日期：2014—04—23作者简介：肖光辉(1977一)，男，实验师，硕士，主要从事土木工程材料研究、工程抗震研究．E—mail：xgh1977@163．COB 世界地震工程第30卷地震时核电站要面对的重要挑战之一，2006年12月26日，台湾恒春地震核三厂实测加速度超过OBE设计频谱，二号机操作人员手动紧急停堆。2007年7月16日，日本剧中越冲地震，造成柏崎刈羽核电厂地表隆起，SSE地震GPA超过设计基准两倍多，3号机主变大火；6号机乏燃料水池的水溅出，排放至日本海；固体废物贮存罐破损；后续检查共发现6O余处损坏情况。2011年3月日本东海9．0级地震引发的福岛核电站事故又再次引起对核电站地震安全性问题的重视。核电站保证安全度的设计措施之一是周密考虑所能遭遇的地震动的各种特性，同时与一般房屋相比，核电站抗震并没有震害经验，不能认为现在核电站设计的安全度是适当的J，因此核电站设计过程中的地震危险性分析尤为重要。同时，由于核电站延期使用，对现有结构的扩建，抗震设防水准提高等要求对既有核电站需进行地震危险性评估。我国作为地震频发国家，在目前大力建设核电，特别是内陆核电的形势下，应加强核电站的地震危险性分析工作。1核电站的地震危险性概率分析1．1地震危险性分析概述地震危险性分析是通过严格的数理统计方法，给出未来不同年限下场地遭受不同的地震影响程度的概率水平，给出具体设计参数。在核电站设计中，对于每一个核电厂至少应确定两个级别(SL一1和SL一2)的设计基准地面运动J。目前的分析方法可分为确定性方法和概率性方法。确定法使用了地震发生时空均匀分布的假定，而地震在发生时间，地点，强度上都有很强的随机性，在时间，空间的分布上具有不均匀性，因而，概率性方法在20世纪60年代末开始发展并得到应用。1．2基于点源模型的地震危险性概率分析Comell提出了地震危险性评估的点源模型方法，以地面运动参数的年超越概率与平均复发周期关系的形式给出结果，综合了所有地震浅源和它们的平均活动率对场点的影响，称为PSHA方法。PSHA方法基于空间均匀分布的假定在我国的实践过程中遭到质疑，后来我国研究人员提出考虑地震活动不均匀性的概率地震危险性分析方法，称为CPSHA。该方法假定地震活动时问非均匀分布过程符合分段的泊松过程，同时采用以震级为条件概率的空间分布函数来反映地震活动空间非均匀性。1．2．1划分潜在震源区潜在地震区是在工程使用期限内，有潜在地震危险的地震区域带，通常是在以地震活动性、地震地质和地球物理场资料为依据的潜在震源区划分图基础上综合判断的结果。主要以地震构造类比和地震活动重复性为原则。1．2．2确定地震活动性参数潜在震源区的地震活动性参数包括震级频度关系曲线的斜率b，地震年平均发生率，震级上限空间分布函数，以及等震线椭圆长轴取向及其概率分布。根据古登堡一里克特的震级频度关系，发生在某一地震区的各级地震频次服从下式：．1gN(M)=0一bM(1)b代表着一个区域内不同的大小地震频数的比例关系，主要依据地震带历史地震和现今小震目录进行回归统计得到。当地震资料较少时可根据地质构造和地震活动性类比原则，直接引用该地震带所在地震区的b值来代替该地震带的b值。地震年平均发生率指在一定区域内平均每年发生不小于起算震级(一般为Mo=4)的地震数，主要受b值大小和选取资料的统计时段影响。对于无资料的潜在震源区，可根据地质资料类比，或将该区的值按面积分配。震级上限指在地震带震级一频度关系式中，累积频度趋于零的震级极限值。确定方法主要有两种，首先在历史地震资料足够长的地震带，若确认该带已经过了几个地震活动周期，可以按该带已发生过的最大地震强度确定。其次是通过地质构造类比、活动断层长度等参数估计各潜在震源区的震级上限。由于等震线多呈椭圆形，地震动在长轴和短轴方向衰减特征是不同的，因此在地震危险性分机中，采用椭圆衰减模型。可根据单一断层，共轭断层等得到取向概率。1．2．3选择地震动衰减规律地震危险『生分析最终给出的结果地震动衰减公式具有显著的敏感性。由于地震动衰减同地震波传播路 第3期肖光辉，等：地震危险性概率分析在核电站设计中的应用研究237径中介质的物理力学性质、震源错动性质以及场地土质条件有关，因此具有明显的地区特征。衰减公式一般可通过下面几种途径获得J：(1)对于已经积累了比较多的强震观测仪器记录的地区，并且这些记录可以反映不同距离、不同强度信息的，可以用统计方法建立起该地区的地震衰减公式。(2)对于无强震观测记录，但有一定数量宏观烈度资料的地区，利用烈度资料估算地震动参数一般是通过等震线衰减建立地震动衰减公式。同时利用参考地区的地震动及烈度衰减资料进行修正并换算。此方法目前受到普遍应用。(3)根据断裂力学原理，考虑区域地质构造特点和能量损耗等因素的数学模式方法。(4)基于两个地区的地质构造类比和专家论证，直接套用参考地区的地震动衰减公式。目前我国用于中国地震烈度区划图(1990)的烈度衰减关系为：中国东部长轴，=6．046+1．480M一2．081In(R+25)，=0．49(2)短轴，=2．617+1．435M一1．441n(R+7)，=0．56(3)中国西部长轴，=5．643+1．538M一2．1091n(R+25)，=0．64(4)短轴，=2．941+1．363M一1．4941n(R+7)，=0．61(5)我国的核电厂抗震设计规范给出了华北地区基岩地震动的衰减规律：Y=Co+C1+C2lg(D+Ro)+(6)式中：R为断层距，为震级；。为考虑震级和距离的地震震动饱和参数；表示地震不确定性的随机量一相关参数，C。，c。，c根据不同地震动参数取值。1．2．4地震危险陛超越概率计算一次震级为的地震的概率密度函数如下：()=(7)式中：卢=2．3b为断层距；为起算震级。根据分段泊松模型和全概率定理，一个区、带内所发生的地震在场地所产生的地震动的超越概率为如下：P(A>口)=1一exp／一J．()Sh(0．5／~Am)‘)，。p(A>。lE)dydO}{(8)式中：Am为震级分档步长(0)为破裂方向取向概率；p(A>aI)为场点处A>a的概率，可由正态分布计算。1．3地震危险性分析不确定性校正地震危险性分析中潜在震源区的划分、地震动的衰减关系以及震级上限等参数包含了很大的不确定性在危险性分析中采用的这些关系属于其平均关系。当只考虑地震动衰减关系的不确定性时，可按下式校正：P(A口)=J．P(A0l厂()d6(9)式中：k为断层距；为回归分析中不确定的随机变量)为的概率密度函数。文献[10]提出通过一系列适当的权系数来进行不确定性校正：P=∑P(、i)P2⋯(i)(、10)式中：Pl(i)为各不确定性因素对计算结果的影响，文中已给出参考值；P：(i)为各不确定因素的可靠程度，由专家确定，取值范围0～1。2我国东部某核电站地震危险性分析算例2．1工程概况该核电站位于我国东部沿海，采用国际上先进的第三代压水堆核电技术，装机总容量将达到700万kW 238世界地震工程第30卷以上，一期工程总投资超过200亿元。该地区地质状况复杂，地震危险性分析是重要的设计准备工作。在《中国地震动参数区划图》Il1]以及历史地震记录的基础上，综合分析后确定本地区有14个潜在震源区。2．2确定地震活动性参数由于该地区历史地震记录很长，故可以根据最大历史地震法，直接取各区的最大历史地震作为震级上限，结果见表1。表1各个潜在震源区的震级上限Table1Upperlimitmagnitudesofpotentialsourcesregions区编号1234567891011121314震级上限6．55．56．06．06．07．06．06．55．56．05．55．56．08．0根据震级一频度统计数据，根据最小二乘拟合，得到震级一频度关系如图1所示图1震级一频度关系Fig．1Magnitude—frequencyrelationship由上图可知0=3．4864，b=0．5176，／3=Ⅳ／T=0．0628地震烈度衰减关系按照我国东部烈度衰减公式式(2)(3)，峰值加速度衰减公式采用胡聿贤提出的基岩场地衰减公式：lga⋯-i"1．71+0．657M一2．181g(R+30)，=0．47(11)反应谱(阻尼比=0．05)衰减公式采用胡聿贤提出的基岩场地衰减公式：lgS。()=Bo+B1lg(R+30)+曰2M(12)式中：Bn，B，B根据不同周期取值。3．3地震危险性超越概率计算我国房屋建筑采用三水准抗震设防目标，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。其中，小震指该地区50a内超过概率约为63％的地震烈度，即众值烈度，又称多遇地震。中震指该地区50a内超过概率约为10％的地震烈度，又称为基本烈度或设防烈度。大震指该地区50a内超越概率约为2％一3％的地震烈度，又称为罕遇地震。本文计算了50a和lOOa内各类大震和小震的加速度。根据前述公式进行计算并校正之后的地震危险性概率可得结果如下表所示：表2场地水平方向基岩加速度结果Table2Groundhorizontalbedrockaccelerationresults文献[6]提出一些国家将超越概率10I4对应为sL～，l0对应为sL～。按照此标准，50a设计基准期的SL一1加速度设计值可取为52．42Gal，SL一2加速度设计值可取为71．93Gal。 第3期肖光辉，等：地震危险陛概率分析在核电站设计中的应用研究2393结论本文采用点源地震危险性分析，结合核电站的特殊性，采用点源地震危险I生分析区域及近场区地震活动性、地震动衰减关系、地震危险性概率，且经改进的方法根据场地条件可得到供设计参考的地震动参数。最后通过我国东部某核电站的实例进行了地震危险性分析，表明该方法可以较为简便地用于工程实践。根据区域地震活动性及地震构造研究成果，确定地震活动性参数，应用概率方法计算得出场地不同概率水平的水平向基岩峰值加速度，综合评价其对场地地震危险性的影响，通过进一步计算还可给出设计反应谱用于指导工程设计。参考文献[1]罗奇峰，王玉梅。从近几年震害总结中提出的结构性能设计理论[J]．工程抗震，2001，6(2)：3—7LuoQifeng。WangYumei．Performancebaseddesigntheorysummarizedfromearthquakedamagesinrecentyears[J]．EarthquakeResistantEngi—neering，2001，6(2)：3—7[2]袁一凡．四川汶川8．0级地震损失评估．[J]地震工程与工程振动，2008(5)：12—17Yuanyifan．SichuanWenchuan8earthquakelossassessment[J]EarthquakeEngineeringandEngineeringVibration，2008(5)：12—17[3]国家发展和改革委员会．[R]核电中长期发展规划(2005—2020年)，2007．10：8ThenationaldevelopmentandReformCommission．[R]Thelong—termevelopmentofNuclearpower(2005—2020年)，2007．10：8[4]胡聿贤．地震工程学(第二版)[M]．北京：地震出版社，2006Huyuxian．EarthquakeEngineering(SecondEdition)．BeiJing：SeismologicalPress，2006[5]P．Bazzurro．eta1．Seismicdamagehazardanalysisforrequalificationofnuclearpowerplantstructures：methodologyandapplication，inNuclearEngineeringandDesign160(1996)：321—332[6]国家核安全局、国家地震局．核安全法规HAF0101(1)核电厂厂址选择中的地震问题．1994TheNationalNuclearSafetyAdministration、TheStateSeismologicalBureau．NuclearsafetyregulationsHAF0101(1)Theearthquakeprobleminnu-clearpowerplantsiting．1994[7]潘华．概率地震危险l生分析中参数不确定性研究．中国地震局地球物理研究所博士论文．2000：4Panhua．Researchonparameteruncertaintyinprobabilisticseismichazardanalysis．ChinaEarthquakeAdministrationInstituteforgeophysics．doc-toraldissertation．2000：4[8]章在墉．[M]地震危险性分析及其应用．上海：同济大学出版社，1996．Zhangzaiyong．[M]地震危险性分析及其应用．Seismichazardanalysisanditsapplication．Shanghai：TongjiUniversitypress，1996[9]中华人民共和国标准．核电厂抗震设计规范GB50267—97[s]Nationalbureauofstandardsofthepeople~republicofchina．Designcodefornuclearpowerplantseismic．GB50267—97[s][1O]高玉峰等．地震危险性概率分析中不确定性因素的研究．[J]浙江大学学报(自然科学版)，1998(5)：594GaoyufengEtc．Studyingonuncertaintiesinseismicriskprobability—analysis．[J]JournalofZhejiangUniversity(naturalscience)，1998(5)：594[11]中华人民共和国标准．[s]中国地震动参数区划图GB18306—2001NationalbureauofstandardsofthepeoplegrepublicofchinaS]SeismicgroundmotionparameterzonationmapofChinaGB18306—2001'