大型巖體洞室地震響應(yīng)及減震措施研究.pdf

1、近年來，隨著我國(guó)西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，數(shù)十座大型水電站工程在我國(guó)西部的地震高烈度聚集區(qū)和頻發(fā)區(qū)正在或即將興建。受地形等條件的限制，這些水電站的引水發(fā)電建筑物往往布置在地下巖體中，形成超大型的巖體地下洞室群。由于這種大型的巖體地下洞室群在空間上表現(xiàn)為大跨度、高邊墻和長(zhǎng)軸線的特點(diǎn)，那么，如何確保這類大型巖體地下洞室群在地震荷載作用下，尤其是強(qiáng)震作用下的動(dòng)力穩(wěn)定性，是工程設(shè)計(jì)中急待解決的關(guān)鍵問題。因此，本文以動(dòng)力非線性有限元程序ABAQU

2、S為平臺(tái)，對(duì)水電站廠房巖體地下洞室群地震響應(yīng)的數(shù)值模型、計(jì)算方法和影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并在此基礎(chǔ)之上，提出了水電站廠房這類大型巖體洞室的減震方法。
　　 首先，建立了適合巖體地下洞室群靜動(dòng)力分析的有限元.無限元( FE-IE)耦合計(jì)算模型。基于該FE-IE耦合計(jì)算模型，通過數(shù)值解答與解析解答的對(duì)比分析，驗(yàn)證了ABAQUS中隱式和顯式兩種動(dòng)力模塊求解半空間散射場(chǎng)波動(dòng)問題的精確性和可行性，進(jìn)而證明了該耦合計(jì)算模型在地下洞室靜動(dòng)力

3、分析研究領(lǐng)域的良好應(yīng)用前景。之后系統(tǒng)研究了洞室埋深、地應(yīng)力、巖體強(qiáng)度和斷層破碎帶這些地質(zhì)因素對(duì)巖體洞室動(dòng)力響應(yīng)的影響。計(jì)算表明，洞室的埋深、地應(yīng)力狀況、巖體強(qiáng)度和斷層破碎帶在不同程度上都會(huì)影響著巖體洞室的地震響應(yīng)。
　　 其次，從理論分析的角度，通過對(duì)損傷塑性模型基本理論及其適用條件的分析，闡明了損傷本構(gòu)模型用于巖體地下洞室動(dòng)力特性研究的理論適應(yīng)性，并將此損傷塑性本構(gòu)模型用于水電站廠房巖體地下洞室結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的研究。實(shí)例分析表明

4、，損傷塑性模型能考慮地震等循環(huán)動(dòng)荷載作用下巖體剛度退化和應(yīng)變率的影響，能很好地描述混凝土、巖體等脆性材料的力學(xué)損傷行為，適合在巖體地下洞室抗震分析中應(yīng)用。對(duì)于平行并排布置的水電站廠房巖體地下洞室群來說，當(dāng)洞室群間距小于一倍洞室特征長(zhǎng)度時(shí)(洞室特征長(zhǎng)度定義為洞室群中相鄰洞室最大的洞室跨度)，洞室間距顯著影響著洞室群的穩(wěn)定性：當(dāng)洞室群相鄰洞室圍巖厚度超過臨界洞室間距時(shí)，洞室群穩(wěn)定性受洞室間距的影響較小；對(duì)于一般工程的巖體來說，當(dāng)洞室間距超過

5、兩倍的洞室特征長(zhǎng)度時(shí)，結(jié)合合理的支護(hù)方式和抗震措施，洞室群的穩(wěn)定性在一定程度上足可以得到滿足。
　　 再次，考慮到水電站廠房巖體洞室軸線尺寸較長(zhǎng)和地震動(dòng)空間非均勻性的特點(diǎn)，研究了行波激勵(lì)下這類大型巖體洞室的動(dòng)力非線性響應(yīng)。地震動(dòng)行波激勵(lì)下，洞室軸向各點(diǎn)的地震響應(yīng)存在一定的相位差。地震動(dòng)幅值是造成地下洞室發(fā)生破壞的關(guān)鍵因素，對(duì)于水電站廠房這類長(zhǎng)軸線(軸線長(zhǎng)度為300～400 m)的大型巖體地下洞室來說，小幅值地震動(dòng)的行波效應(yīng)對(duì)地下

6、洞室破壞未產(chǎn)生明顯影響，此時(shí)可不考慮地震動(dòng)行波效應(yīng)；然而，強(qiáng)震的行波效應(yīng)對(duì)地下洞室破壞影響十分顯著，此時(shí)應(yīng)考慮強(qiáng)震動(dòng)行波效應(yīng)。
　　 隨后，針對(duì)爆炸荷載這一特殊的高頻動(dòng)荷載，研究了水電站廠房巖體洞室的抗爆性能。淺埋深的洞室抗爆性能較差，深埋深的洞室抗爆性能較強(qiáng)。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)小于1時(shí)，隨側(cè)壓系數(shù)的增加，洞室的抗爆性能變化并不明顯；當(dāng)?shù)貞?yīng)力側(cè)壓系數(shù)大于1后，由于洞室穩(wěn)定性受水平向地應(yīng)力影響較大，隨側(cè)壓系數(shù)的增加，洞室的抗爆性能顯著降低

7、。由于洞室拱頂效應(yīng)影響，實(shí)際工程應(yīng)加強(qiáng)對(duì)洞室拱肩、拱頂、底腳的加固支護(hù)，特別是洞室的拱肩部位。
　　 最后，針對(duì)水電站廠房這類大型巖體洞室，提出了采用設(shè)置柔性隔震墊層、注漿加固層和軸向隔震縫的減震措施，并分別對(duì)柔性隔震墊層、注漿加固層和軸向隔震縫的減震效果進(jìn)行了敏感性分析。研究結(jié)果表明，硬巖洞室采用柔性隔震墊層的減震效果比較理想；軟巖洞室采用注漿加固層的減震效果最佳；設(shè)置軸向隔震縫更有利于提高洞室結(jié)構(gòu)的抗震性能。盡管設(shè)置柔性墊層