引水隧道在地震波入射時的動力響應(yīng)解析解.pdf

1、跨流域調(diào)水工程的建設(shè)能夠有效緩解我國淡水資源空間分布極不均衡的矛盾，然而，長距離的調(diào)水工程不可避免地需要穿越地震多發(fā)區(qū)域，研究調(diào)水工程構(gòu)筑物的地震響應(yīng)問題對調(diào)水工程的成功建設(shè)和安全運(yùn)營具有重要的意義。本文正是針對引水隧道這一調(diào)水工程中的常見結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了一系列特殊場地中引水隧道動力響應(yīng)的解析解研究。
　　首先，本文提出在兩斜交柱坐標(biāo)系間諧波函數(shù)空間坐標(biāo)變換的輔助平面方法，運(yùn)用該方法，得到諧波函數(shù)在斜交柱坐標(biāo)系間的坐標(biāo)變換公式，作為研

2、究隧道交叉等特殊場地地震響應(yīng)問題的基礎(chǔ)。通過建立與空間點(diǎn)對應(yīng)的一系列輔助平面，將地震波三維散射研究中的諧波函數(shù)表達(dá)式從柱坐標(biāo)系變換至輔助平面內(nèi)的極坐標(biāo)系，然后在輔助平面內(nèi)運(yùn)用Graf加法公式，將柱坐標(biāo)系下的波函數(shù)表達(dá)式變換至與該柱坐標(biāo)系斜交的另一柱坐標(biāo)系下，從而將三維問題轉(zhuǎn)換成二維問題進(jìn)行處理，最終得到諧波函數(shù)在斜交柱坐標(biāo)系下內(nèi)域問題和外域問題的坐標(biāo)變換公式。
　　其次，本文建立了完全充水引水隧道場地模型，并采用波函數(shù)展開法給出了

3、P波和SV波入射時引水隧道平面地震響應(yīng)和三維地震響應(yīng)的解析解。通過算例分析，重點(diǎn)討論了入射波性質(zhì)、隧道尺寸、襯砌材料參數(shù)、地層泊松比等因素對引水隧道動力響應(yīng)的影響。算例分析結(jié)果表明，完全充水引水隧道襯砌的動力響應(yīng)與入射波振幅成正比;在入射波無量綱頻率不變時，襯砌的動應(yīng)力峰值不受隧道內(nèi)徑變化的影響，而襯砌的動位移峰值則與隧道內(nèi)徑成正比;完全充水引水隧道襯砌的動應(yīng)力峰值均隨著襯砌厚度的增大而減小，動位移峰值則隨著襯砌厚度的增大而增大;隨著隧

4、道襯砌彈性模量的增大，襯砌受到的動水壓力峰值和襯砌的動位移峰值均逐漸減小，而切向動應(yīng)力峰值和軸向動應(yīng)力峰值均增大;土層泊松比的改變使得引水隧道的動力響應(yīng)發(fā)生明顯改變。此外，當(dāng)P波和SV波傾斜入射時，入射波傳播方向與引水隧道橫斷面之間的夾角對引水隧道的動力響應(yīng)有著顯著的影響。
　　再次，本文建立了水下完全充水引水隧道場地模型，給出了P波和SV波入射時水下引水隧道平面地震響應(yīng)的解析解。通過算例分析，重點(diǎn)討論了入射波性質(zhì)、地表水體深度、

5、隧道埋深等因素對水下引水隧道動力響應(yīng)的影響。研究表明，P波入射時水下引水隧道的動力響應(yīng)隨著地表水深的增大而增大，且低頻P波入射時地表水深變化對襯砌動力響應(yīng)的影響程度要大于高頻P波入射情況;而在SV波入射時，地表水深改變對水下引水隧道襯砌的動應(yīng)力峰值影響不大;隨著隧道埋深的增大，低頻P波入射引起的水下引水隧道襯砌動應(yīng)力逐漸減小，動位移則逐漸增大，而低頻SV波入射時，水下引水隧道襯砌的動應(yīng)力和動位移隨著隧道埋深的增大而減小。
　　最后

6、，本文建立了引水隧道下穿地鐵區(qū)間隧道局部復(fù)雜場地模型，并采用波函數(shù)展開法給出了P波和SV波入射下該復(fù)雜場地地震響應(yīng)的解析解。通過算例分析，討論了上層地鐵隧道和下層引水隧道之間的相互影響。研究表明，下層引水隧道對上層地鐵隧道產(chǎn)生屏障作用，使得P波入射和SV波入射時上層地鐵隧道一定區(qū)域內(nèi)的動應(yīng)力峰值和動位移峰值均有所減小，而上層地鐵隧道的存在則使得引水隧道在一定區(qū)域內(nèi)的動應(yīng)力峰值和位移峰值有所增大。兩座隧道在交叉點(diǎn)兩側(cè)大致4-6倍的內(nèi)半徑范