大型巖體洞室地震響應及減震措施研究.pdf

1、近年來，隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入推進，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，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，尤其是強震作用下的動力穩(wěn)定性，是工程設計中急待解決的關鍵問題。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的數(shù)值模型、計算方法和影響因素進行了系統(tǒng)研究，并在此基礎之上，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)耦合計算模型?；谠揊E-IE耦合計算模型，通過數(shù)值解答與解析解答的對比分析，驗證了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，進而證明了該耦合計算模型在地下洞室靜動力

3、分析研究領域的良好應用前景。之后系統(tǒng)研究了洞室埋深、地應力、巖體強度和斷層破碎帶這些地質因素對巖體洞室動力響應的影響。計算表明，洞室的埋深、地應力狀況、巖體強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。
　　 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，闡明了損傷本構模型用于巖體地下洞室動力特性研究的理論適應性，并將此損傷塑性本構模型用于水電站廠房巖體地下洞室結構地震響應的研究。實例分析表明

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變率的影響，能很好地描述混凝土、巖體等脆性材料的力學損傷行為，適合在巖體地下洞室抗震分析中應用。對于平行并排布置的水電站廠房巖體地下洞室群來說，當洞室群間距小于一倍洞室特征長度時(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：當洞室群相鄰洞室圍巖厚度超過臨界洞室間距時，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，當洞室間距超過

5、兩倍的洞室特征長度時，結合合理的支護方式和抗震措施，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，研究了行波激勵下這類大型巖體洞室的動力非線性響應。地震動行波激勵下，洞室軸向各點的地震響應存在一定的相位差。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對地下

6、洞室破壞未產(chǎn)生明顯影響，此時可不考慮地震動行波效應；然而，強震的行波效應對地下洞室破壞影響十分顯著，此時應考慮強震動行波效應。
　　 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。當側壓系數(shù)小于1時，隨側壓系數(shù)的增加，洞室的抗爆性能變化并不明顯；當?shù)貞葔合禂?shù)大于1后，由于洞室穩(wěn)定性受水平向地應力影響較大，隨側壓系數(shù)的增加，洞室的抗爆性能顯著降低

7、。由于洞室拱頂效應影響，實際工程應加強對洞室拱肩、拱頂、底腳的加固支護，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行了敏感性分析。研究結果表明，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；設置軸向隔震縫更有利于提高洞室結構的抗震性能。盡管設置柔性墊層