趙 杰，王桂萱，程 翔

(大連大學(xué)土木工程技術(shù)研究與開發(fā)中心，遼寧大連 116622)

某電站取水隧洞與熱水回流溝銜接段抗震分析

趙 杰，王桂萱，程 翔

(大連大學(xué)土木工程技術(shù)研究與開發(fā)中心，遼寧大連 116622)

運(yùn)用動(dòng)力時(shí)程反應(yīng)分析方法，利用非線性有限差分軟件FLAC3D對某電站取水隧洞與熱水回流溝銜接段結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析。針對場地地質(zhì)特征和回填條件分析結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，通過編制FLAC3D程序并結(jié)合五點(diǎn)公式計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，給出了襯砌內(nèi)力包絡(luò)圖。數(shù)值分析結(jié)果表明:在相同的荷載效應(yīng)組合情況下，溫度的改變對內(nèi)力的影響較為顯著，溫度荷載不僅顯著改變了隧洞和熱水回流溝銜接段的內(nèi)力大小，而且改變了某些部位的內(nèi)力方向;銜接段采用圓形接口優(yōu)于采用方形接口。

取水隧洞;熱水回流溝;抗震分析;內(nèi)力包絡(luò)圖;FLAC3D軟件

近年來，地下結(jié)構(gòu)在能源、交通、通訊、城市建設(shè)和國防工程中獲得廣泛應(yīng)用，地下結(jié)構(gòu)的重要性也日益顯現(xiàn)。隨著地下結(jié)構(gòu)震害的頻繁發(fā)生，地下結(jié)構(gòu)抗震問題日益受到世界各國地震工作者的高度重視。研究地下結(jié)構(gòu)抗震性能的主要途徑有原型觀測、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬［1］。由于問題極其復(fù)雜，目前還沒有哪一種手段能夠完全實(shí)現(xiàn)對地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行全面而真實(shí)的解釋和模擬。傳統(tǒng)的地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法主要包括地震系數(shù)法、反應(yīng)位移法、圍巖應(yīng)變傳遞法等［2-4］。這些方法實(shí)際上都是擬靜力法［5-7］，具有計(jì)算簡便的優(yōu)點(diǎn)，但假定條件較多，無法精確考慮材料非線性非均質(zhì)性和復(fù)雜邊界變化等因素的影響，難以考慮地震作用下土體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用。隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算理論的發(fā)展，以動(dòng)力有限元法為代表的數(shù)值方法應(yīng)運(yùn)而生，它彌補(bǔ)了以上方法的缺陷，為各種復(fù)雜情況下地下結(jié)構(gòu)抗震特性的全面深入研究提供了重要手段。本文在給定的地質(zhì)和回填條件下開展某電站取水隧洞和熱水回流溝銜接段三維地震響應(yīng)分析，編制三維有限差分FLAC3D程序并結(jié)合五點(diǎn)公式計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，繪出襯砌實(shí)體單元內(nèi)力包絡(luò)圖，在此基礎(chǔ)上研究銜接段混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化規(guī)律，為地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

某電站機(jī)組通過兩條直徑為5.5 m的取水隧洞將水引至泵房，兩隧洞的中心距為25.00～27.40m。隧洞圍巖為Ⅴ類片麻巖。根據(jù)工程需要，在隧洞出口與泵房前池閘門井間增設(shè)一道熱水回流溝(圖1)。熱水通過熱水回流溝，經(jīng)隧洞頂部預(yù)留孔進(jìn)入取水隧洞，隨后進(jìn)入泵房前池閘門井。銜接段采用碎石回填。鑒于取水隧洞工程的重要性，需專門對該段取水隧洞進(jìn)行抗震分析。

圖1 熱水回流溝(單位:mm)

2 銜接段抗震分析模型的建立

2.1 邊界條件的設(shè)置

為準(zhǔn)確模擬實(shí)際場地中地震波的傳播過程，需在模型中設(shè)置人工邊界。黏性邊界是發(fā)展最早且簡單實(shí)用的人工邊界［8］。黏性邊界最早由Kuhlmeyer和Lysmer［9-10］提出，是指在邊界上施加法向和切向與邊界無關(guān)的獨(dú)立阻尼器，由阻尼器提供法向和切向黏性阻力，以此消除地震波在人為設(shè)置的模型邊界上的反射效應(yīng)，吸收或消耗傳往邊界外的波動(dòng)能量，能比較真實(shí)地反映地震波的傳播過程。黏性邊界的黏性阻力計(jì)算公式為

式中:tn、ts分別為法向和切向黏性阻力;ρ為材料密度;Cp、Cs分別為縱波和橫波速度;vn、vs分別為邊界上速度法向和切向分量。

在模型各側(cè)面的邊界條件必須考慮沒有地面結(jié)構(gòu)的自由場。通過在模型四周生成二維和一維網(wǎng)格的方法來實(shí)現(xiàn)這種自由場的邊界條件，柱體網(wǎng)格的側(cè)邊界通過阻尼器與自由場網(wǎng)格進(jìn)行耦合，將自由場網(wǎng)格的不平衡力施加到主體網(wǎng)格的邊界上。

在FLAC3D動(dòng)力分析中，為準(zhǔn)確模擬地震波的傳播過程，空間單元尺寸必須小于輸入波最高頻率成分所對應(yīng)波長的1/10～1/8。本次計(jì)算模型最大的網(wǎng)格寬度為9.25 m，可以考慮地震波主要頻譜成分的影響。同時(shí)，數(shù)值模擬中采用局部阻尼，局部阻尼系數(shù)取0.157。

2.2 模型的建立

三維動(dòng)力分析模型與靜力模型計(jì)算范圍一致，水平方向取5倍隧洞洞徑，基巖深度自隧洞底部向下取50 m。模型寬135 m，長76 m，高82 m。計(jì)算時(shí)模型底部設(shè)為黏性邊界，兩側(cè)采用能量透射邊界。模型采用六面體單元，巖體本構(gòu)模型采用 mohrcoulomb彈塑性模型，采用null模型模擬隧洞的開挖，采用CABLE單元模擬系統(tǒng)錨桿和土釘。取水隧洞與熱水回流溝銜接段結(jié)構(gòu)模型見圖2，三維靜力和動(dòng)力分析模型見圖3。

圖2 取水隧洞與熱水回流溝銜接段結(jié)構(gòu)模型

圖3 三維靜力和動(dòng)力分析模型

2.3 地震波的選取

場地基巖輸入采用該電站地震安全評價(jià)報(bào)告中的場址地震波，地震動(dòng)荷載持時(shí)25 s，地震波時(shí)程曲線見圖4。根據(jù)該電站地震安全性評價(jià)報(bào)告批準(zhǔn)文件，場地基巖50a超越概率10%的地震動(dòng)荷載加速度峰值為0.1g，豎向加速度取水平向加速度的2/3。

2.4 計(jì)算參數(shù)

抗震分析計(jì)算參數(shù)根據(jù)該電站施工圖設(shè)計(jì)階段巖土工程詳勘報(bào)告取值，列于表1中。根據(jù)該電站取水泵房溫排水回?zé)嵯到y(tǒng)試驗(yàn)研究報(bào)告，內(nèi)外溫差取6℃。

表1 銜接段抗震分析計(jì)算參數(shù)

圖4 場址地震波時(shí)程曲線

2.5 計(jì)算方案

具體計(jì)算時(shí)，綜合考慮隧洞洞口的開挖回填以及熱水回流溝的施工，建立整體三維分析模型。根據(jù)給定的設(shè)計(jì)方案開展抗震分析，分析地震動(dòng)荷載作用下溫度變化時(shí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。利用FLAC3D計(jì)算分析地下結(jié)構(gòu)截面上的內(nèi)力分布規(guī)律時(shí)，如采用三維實(shí)體單元，截面形狀雖能滿足工程需求，但實(shí)體單元只給出了單元對應(yīng)的位移及應(yīng)力結(jié)果，無法直接得出相應(yīng)截面上的內(nèi)力(如彎矩、剪力和軸力)，因此，需要對FLAC3D進(jìn)行二次開發(fā)并結(jié)合五點(diǎn)公式計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。式(3)～(5)分別為彎矩、剪力和軸力計(jì)算公式。式中應(yīng)力一律用同一標(biāo)號來代替，即軸力計(jì)算公式中σ1～σ5為所求軸力方向的應(yīng)力，彎矩計(jì)算公式中σ1～σ5為所求彎矩方向的應(yīng)力，剪力計(jì)算公式中σ1～σ5為所求剪力方向的應(yīng)力。

式中:M、F、N分別為彎矩、剪力和軸力;σ1、σ2、σ3、σ4、σ5分別為截面高度方向第1個(gè)節(jié)點(diǎn)、第2個(gè)節(jié)點(diǎn)、第3個(gè)節(jié)點(diǎn)、第4個(gè)節(jié)點(diǎn)、第5個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力;b為截面寬度;h為截面高度。

選取兩個(gè)控制截面(圖5)，獲取不同位置處的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形變化?？刂平孛?和2的控制點(diǎn)布置見圖6。

圖5 控制截面位置示意圖

圖6 控制截面控制點(diǎn)布置(單位:m)

3 結(jié)構(gòu)抗震分析

在給定的設(shè)計(jì)地震動(dòng)荷載作用下，進(jìn)行銜接段接口處的地震響應(yīng)分析，在此基礎(chǔ)上繪制襯砌內(nèi)力包絡(luò)圖(圖7)，研究結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布。

3.1 抗震計(jì)算結(jié)果

a.工況1:設(shè)計(jì)地震作用，不考慮溫度荷載。從圖7可以看出，控制截面1最大彎矩絕對值為267.8kN·m，最大軸力絕對值為4833.0kN，最大剪力絕對值為693.6 kN;控制截面2最大彎矩絕對值為100.4 kN·m，最大軸力絕對值為1 247.4 kN，最大剪力絕對值為507.6 kN。

b.工況2:設(shè)計(jì)地震作用+溫度荷載(內(nèi)外溫差6℃)。從圖7可以看出，控制截面1最大彎矩絕對值為485.4 kN·m，最大軸力絕對值為5 348.2 kN，最大剪力絕對值為823.8 kN;控制截面2最大彎矩絕對值為314.9kN·m，最大軸力絕對值為1557.5 kN，最大剪力絕對值為778.2 kN。

對比可以看出:在相同的荷載效應(yīng)組合情況下，溫度的改變對內(nèi)力的影響較為顯著，隨著隧洞內(nèi)水溫的升高，銜接段內(nèi)力顯著增大;溫度荷載不僅顯著改變了隧洞和熱水回流溝銜接段的內(nèi)力大小，而且改變了某些部位的內(nèi)力方向。

圖7 襯砌內(nèi)力包絡(luò)圖

3.2 接口形狀優(yōu)化

在上述抗震分析中，取水隧洞與熱水回流溝銜接口形狀為方形，在優(yōu)化設(shè)計(jì)分析中將接口形狀改為圓形，將圓形接口的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果與方形接口的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，為設(shè)計(jì)提供參考。計(jì)算結(jié)果見表2，從表2可以看出，圓形接口的受力優(yōu)于方形接口，方形接口的彎矩值比圓形接口的彎矩值高約15%，說明圓形接口更合理。

4 結(jié)語

利用三維有限差分軟件FLAC3D開展某電站取水隧洞與熱水回流溝銜接段地震響應(yīng)分析，闡述了利用FLAC3D進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的關(guān)鍵性問題，針對場地地質(zhì)特征和回填條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析，在此基礎(chǔ)上給出了襯砌內(nèi)力包絡(luò)圖。結(jié)果表明:①在相同的荷載效應(yīng)組合情況下，溫度的改變對內(nèi)力的影響較為顯著;②溫度荷載不僅顯著改變了隧洞和熱水回流溝銜接段的內(nèi)力大小，而且改變了某些部位的內(nèi)力方向;③圓形接口形狀優(yōu)于方形接口形狀，方形接口的彎矩值比圓形接口的彎矩值高約15%。該成果對類似地下工程抗震設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

表2 兩種不同接口形狀銜接段內(nèi)力最大值比較

［1］劉晶波，李彬.地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析及設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2006，39(6):106-110.(LIU Jingbo，LI Bin.Issues on the seismic analysis and design of subway structures［J］.China Civil EngineeringJournal，2006，39(6):106-110.(in Chinese))

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［3］趙杰，王桂萱，裴強(qiáng)，等.某核電廠取水隧洞不同設(shè)計(jì)方案抗震性能分析［J］.防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào)，2010，26(1):31-35.(ZHAO Jie，WANG Guixuan，PEI Qiang，et al.Seismic analysis of nuclear power project for intake tunnel under different design scheme［J］.Journal of Disaster Prevention and Reduction，2010，26(1):31-35.(in Chinese))

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Seismic analysis of the joint section between intake tunnel and hot-water circumfluence groove for a hydropower

station

ZHAO Jie，WANG Guixuan，CHENG Xiang(Research and Development Center of Civil Engineering Technology，Dalian University，Dalian116622，China)

By using the dynamic time-history analysis method，seismic analysis was performed on the joint section between the intake tunnel and the hot-water circumfluence groove for a hydropower station by FLAC3D software.Aiming at the geological characteristics and the backfill condition of the site，analysis of seismic response for the joint section was carried on，and the internal forces of the lining structure were calculated by combining secondary development of FLAC3D with the five-point formula.Based on it，the internal force envelop diagram for the lining structure was presented.Numerical simulation shows that，under identical load effect combination，the effect of temperature on internal forces is remarkable:the variety on temperature load not only significantly changes the value but also changes the orientations of the internal forces for certain parts.Meanwhile，it can be concluded that the circular interface is superior to the square interface for the joint section.

intake tunnel;hot-water circumfluence groove;seismic analysis;internal force envelop diagram;FLAC3D software

TV671;P315.9

A

1006-7647(2013)02-0073-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.02.016

遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(L2011216);大連市科學(xué)技術(shù)基金(2010J21DW013)

趙杰(1980—)，男，河北邢臺人，講師，博士，主要從事地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與工程抗震研究。E-mail:zhaojie_gd@163.com

2012-05-28 編輯:駱超)