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，本文以動力非線性有限元程序ABAQU

2、S為平臺，對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力分析的有限元.無限元( FE-IE)耦合計(jì)算模型?；谠揊E-IE耦合計(jì)算模型，通過數(shù)值解答與解析解答的對比分析，驗(yàn)證了ABAQUS中隱式和顯式兩種動力模塊求解半空間散射場波動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)因素對巖體洞室動力響應(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度時(shí)(洞室特征長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??；對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和地震動空間非均勻性的特點(diǎn)，研究了行波激勵下這類大型巖體洞室的動力非線性響應(yīng)。地震動行波激勵下，洞室軸向各點(diǎn)的地震響應(yīng)存在一定的相位差。地震動幅值是造成地下洞室發(fā)生破壞的關(guān)鍵因素，對于水電站廠房這類長軸線(軸線長度為300～400 m)的大型巖體地下洞室來說，小幅值地震動的行波效應(yīng)對地下

6、洞室破壞未產(chǎn)生明顯影響，此時(shí)可不考慮地震動行波效應(yīng)；然而，強(qiáng)震的行波效應(yīng)對地下洞室破壞影響十分顯著，此時(shí)應(yīng)考慮強(qiáng)震動行波效應(yīng)。
　　 隨后，針對爆炸荷載這一特殊的高頻動荷載，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