張運良，郭 放

（大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

0 引言

近年來，大型水電站地下廠房洞室群的抗震問題在國內(nèi)受到了重視，取得了不少成果[1-8]。由于所涉及的問題較復(fù)雜，該研究目前仍不成熟，尤其是對大型地下洞室群的三維動力非線性數(shù)值仿真還不多見，仍需結(jié)合具體工程積累研究經(jīng)驗。

本文以某抽水蓄能電站地下廠房為例，建立三維數(shù)值仿真模型，考慮初始地應(yīng)力、分步開挖與錨桿及錨索支護，對主廠房洞室影響較大的不良地質(zhì)體如局部蝕變巖的存在及巖體材料非線性等因素，考察地震作用過程中洞室圍巖的位移、速度、加速度等時、頻域反應(yīng)特征，對主廠房洞室的圍巖穩(wěn)定性進行綜合判別。本文的工作依托于FLAC3D軟件平臺，是文獻[9]工作的深入，可為了解地下廠房洞室群的地震反應(yīng)特點，進行動力穩(wěn)定性復(fù)核積累經(jīng)驗，為設(shè)計提供參考。

1 基本理論與方法

本文采用帶拉伸截斷的摩爾-庫倫直線形彈塑性模型來模擬巖體的屈服與破壞。

靜力分析時，地表自由，模型四周法向約束，底部固定。在靜力分析并達到平衡的基礎(chǔ)上，進行輸入地震作用下的動力分析，此時除地表仍為自由邊界外，模型四周及底部采用基于平面波假設(shè)推導(dǎo)出的粘性邊界。地震動輸入在底邊界施加法向和切向應(yīng)力時程，與輸入地震動速度時程相關(guān)；在模型四周側(cè)邊界施加自由場地震動。

有關(guān)動力分析理論及方法詳見FLAC3D手冊。

2 工程概況及計算參數(shù)

2.1 工程概況

某抽水蓄能電站地下洞室群主要由進水洞、主廠房、尾水洞、調(diào)壓井等組成，其中主廠房洞室開挖尺寸為 156．66 m×21．5 m×46．17 m （長×寬×高），垂直埋深約105～150 m。電站引水系統(tǒng)采用l洞1機的布置方式，尾水系統(tǒng)采用1洞2機的布置方式。電站裝機容量為4×150 MW。設(shè)計地震基本加速度為 0．05 g。

2.2 計算參數(shù)

由于洞室規(guī)模較大，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，雖然設(shè)計地震加速度水平較低，但為了保證其在地震作用下的圍巖穩(wěn)定性，且為了解大型地下洞室群的地震反應(yīng)特點，進行動力分析。

（1）洞室大范圍巖體主要為III類灰?guī)r。在1號、2號機組段發(fā)育有花崗閃長斑巖蝕變帶，在廠房上游邊墻及局部頂拱有較大范圍的出露，蝕變程度嚴重，力學(xué)指標較低，不利于廠房穩(wěn)定，其位置見圖1a。在洞室開挖過程中，主廠房洞室頂拱及邊墻施加了鋼錨桿進行加固，其幾何參數(shù)為直徑 （φ）25 mm，長度 （L）為5 m或7 m。另外，在邊墻部位還施加了預(yù)應(yīng)力為1 000 kN的對穿鋼錨索，其參數(shù) φ 為 15．24 mm， L為 15～21 m。

圖1 地下洞室群布置示意及三維整體有限元差分網(wǎng)格

（2）地下洞室群的靜、動力分析三維整體計算模型網(wǎng)格剖分見圖1b，模擬了尺寸較大的1號～4號主廠房洞室，4條引水洞、4條尾水洞及2個調(diào)壓井室。地表根據(jù)實際地形資料建模。巖體采用實體單元劃分，錨桿和錨索采用FLAC3D中的錨結(jié)構(gòu)單元進行模擬。模型沿主廠房洞室軸向總長717 m、高320 m、橫向?qū)?90 m，共剖分單元59 370個，節(jié)點18 025個。整體坐標Y方向與主廠房洞室軸向一致，Z軸豎向向上為正向，X向為廠房機組段橫向。為了輸入地震動的需要，將模型四周在某一高程取平。為滿足波動傳播的精度要求，網(wǎng)格豎向尺寸最大控制為20m。

（3）計算僅模擬了對主廠房洞室穩(wěn)定性影響較大的蝕變巖脈，不考慮離主廠房洞室較遠的裂隙和小斷層。 材料靜、 動力參數(shù)統(tǒng)一取值[10]（見表1）。計算中設(shè)水泥漿的內(nèi)摩擦角、與巖孔孔壁及鋼筋的粘結(jié)強度、錨桿和錨索的抗拉、抗壓強度足夠大，以模擬支護具有足夠的加固能力。

表1 材料參數(shù)

（4）在靜力計算開始時，首先，施加初始地應(yīng)力場。根據(jù)實測地應(yīng)力資料，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，反演得到水平構(gòu)造應(yīng)力場σx、σy與豎向自重應(yīng)力場σz=γh的關(guān)系[11]。其次，模擬主廠房洞室分步開挖過程，斷面開挖自洞頂至洞底共分6步進行，每一步均需應(yīng)力重分布計算。開挖結(jié)束待平衡后，進行動力分析?？紤]地震波豎直向上傳播且三向同時輸入。圖2給出了調(diào)幅后的三向輸入速度時程，該時程系由美國原子能RG1．60譜生成的人工地震加速度波經(jīng)積分后得到。

圖2 地震輸入速度時程曲線

（5）計算采用動態(tài)多步長方法，時間步長量級為10-6s，地震持續(xù)時間為28．0 s。巖體阻尼比取0．05， 局部阻尼系數(shù)取 0．157[10]。模型建立完畢后， 采用FLAC3D內(nèi)部Fish語言編程進行計算和結(jié)果提取。

3 結(jié)果分析

3.1 動力反應(yīng)分析

選取高度最大、與蝕變巖相交部位的主廠房洞室斷面進行結(jié)果分析。取該斷面上的關(guān)鍵點見圖3，其橫向地震反應(yīng)時程曲線見圖4。

從圖4可以看出，開挖結(jié)束后 （即地震作用前t=0 s時刻），斷面內(nèi)沿洞室高度各點均具有非零的橫向 （即X向）初始靜位移，在其后的地震作用過程中各點橫向動位移的波形變化非常相似，且?guī)缀跬健＿@一規(guī)律也反映在橫向速度和加速度反應(yīng)時程曲線上。這可能是因為地下巖石洞室跨度及高度不到百米，介質(zhì)波速達數(shù)千米級，因此，各點的反應(yīng)幾乎無相位差別。

圖3 主廠房洞室斷面及其關(guān)鍵點

由動力反應(yīng)時程最大值可知：①各關(guān)鍵點的橫向動位移、速度和加速度反應(yīng)沿高程相差不大。②各點的主應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在洞腳處最大，在洞頂和洞底次之，洞腰最小。該主廠房洞室圍巖在地震作用過程中沒有產(chǎn)生受拉破壞。③與輸入速度幅值相比，各點速度反應(yīng)放大系數(shù)約為1．3～1．6倍。④與輸入加速度幅值相比，各點加速度反應(yīng)放大系數(shù)約為 1．3～1．9 倍。

對比橫向輸入速度 （圖2）與反應(yīng)速度時程曲線 （圖4b）可看出，由于存在介質(zhì)阻尼 （包括幾何輻射阻尼），最大反應(yīng)速度時刻 （t=9．99 s）稍滯后于最大輸入速度時刻 （t=9．69 s）。圖5給出了橫向速度反應(yīng)的傅里葉頻譜，經(jīng)與輸入速度頻譜比較后可知，二者均在0．27 Hz處譜值最大。這表明，地下主廠房洞室?guī)r壁橫向速度反應(yīng)與輸入波形基本相符，只是幅值稍有放大，并且反應(yīng)為低頻震動。

3.2 穩(wěn)定性分析

在橫向速度反應(yīng)達最大時刻 （t=9．99 s）， 主廠房洞室斷面的塑性區(qū)見圖6，并與開挖結(jié)束后（即地震作用前t=0時刻）及地震作用結(jié)束后 （t=28．0 s時刻）進行了對比。

圖5 主廠房洞室關(guān)鍵點的橫向反應(yīng)速度傅里葉頻譜

圖6 主廠房洞室圍巖不同時刻的塑性區(qū)比較

由圖6可以看出，開挖結(jié)束后及地震作用過程中，主廠房洞室圍巖基本上未發(fā)生拉破壞。地震作用使得剪切塑性區(qū)從洞頂局部較小范圍進一步擴大至全部洞頂，且在上游蝕變巖存在的洞肩及邊墻中上部，沿洞室跨度和軸線方向，塑性區(qū)延伸范圍擴大 （深約15 m）并在洞頂形成貫通，從而不利于洞室圍巖的穩(wěn)定，設(shè)計中要注意洞頂坍塌的危險。然而，地震作用結(jié)束后，上述呈現(xiàn)塑性的洞周巖體恢復(fù)為彈性。

隧洞穩(wěn)定性的判別可依據(jù)三個條件[10]：①隧洞周邊是否有圍繞隧洞的塑性貫通區(qū)；②設(shè)置在隧洞周圍的關(guān)鍵點的位移是否出現(xiàn)突變；③計算中節(jié)點不平衡力和位移是否收斂。本文洞周關(guān)鍵點的位移沒有出現(xiàn)突變，計算中力和位移都達到收斂，且除洞頂和上游洞肩部位需要加強支護 （設(shè)置更長的錨桿穿過塑性區(qū)）外，可以認為地震作用下該洞室的動力穩(wěn)定性基本可以保證。

4 結(jié)語

圖4 主廠房洞室關(guān)鍵點的橫向地震反應(yīng)時程曲線

地下洞室群的地震反應(yīng)數(shù)值仿真是一個相當復(fù)雜的課題。在進行動力分析時須適當?shù)乜紤]工程地質(zhì)條件、初始條件、施工支護過程和巖體材料的非線性。在對FLAC3D二次開發(fā)的基礎(chǔ)上，本文通過某抽水蓄能電站地下洞室群非線性地震反應(yīng)的仿真分析，認為對于巖石地下洞室工程，圍巖的地震反應(yīng)屬低頻震動，且同一斷面內(nèi)沿高程主廠房洞室?guī)r壁各點的位移地震反應(yīng)波形基本相似，相位差別非常小。速度和加速度反應(yīng)具有類似的規(guī)律，且其波形與輸入波形基本相符，只是幅值稍有放大。

本文采用的工程設(shè)計地震加速度代表值 （0.05 g）較低，盡管震后洞周巖體恢復(fù)為彈性，地震作用并未嚴重擴大和加劇洞周圍巖的塑性區(qū)分布范圍，但對于我國西部高烈度頻發(fā)強震區(qū)，強地震作用對大型地下廠房洞室群的圍巖穩(wěn)定性影響不容忽視。

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