葉 茂，耿金平，袁永康

(1.江蘇省工程勘測研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.溧陽市竹簀水利站，江蘇 溧陽213300)

近年來隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國大力興建水利工程，以更好地保障人民的生產(chǎn)生活。水利工程建設(shè)過程中，大多會(huì)涉及到引水隧洞工程，而引水隧洞工程建設(shè)的成功與否很大程度上決定著水利工程的建設(shè)安全[1-2]。當(dāng)工程所處壩址地震烈度較高時(shí)，為了保證引水隧洞的安全，需要進(jìn)行考慮地震荷載作用下的硐室穩(wěn)定性研究，其方法包括擬靜力法、Newmark 滑塊分析法、概論分析法和數(shù)值分析法等[3-4]。某隧洞工程所處區(qū)域各構(gòu)造體系在地質(zhì)發(fā)展歷史中經(jīng)歷了多期強(qiáng)烈構(gòu)造變動(dòng)，所處區(qū)域地震烈度高，總體位于 7～8度抗震設(shè)防烈度。本文針對該隧洞工程，在優(yōu)選硐室形狀和支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值模擬方法，采用 FLAC3D中的基于顯式差分的完全非線性分析理論，合理選擇輸入激勵(lì)(頻譜、振幅、持時(shí))、巖土參數(shù)、本構(gòu)模型、透射邊界、模型網(wǎng)格等進(jìn)行地震動(dòng)力模擬，從而作出引水隧洞的穩(wěn)定性評價(jià)，以期分析成果和研究方法可以為其他相關(guān)隧洞工程設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。

1 地下硐室動(dòng)力時(shí)程分析方法

1.1 場地人工地震波的選取與合成

當(dāng)前，國際公認(rèn)的地震動(dòng)三要素為地震動(dòng)強(qiáng)度、地震動(dòng)頻譜特征和地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間。在選用地震波時(shí)，地震動(dòng)三要素都要考慮，并根據(jù)情況加以調(diào)整。FLAC3D允許的動(dòng)力荷載輸入為加速度時(shí)程，速度時(shí)程、應(yīng)力時(shí)程和集中力時(shí)程。對剛度較大的巖石材料，可采用地震加速度時(shí)程直接輸入到模型底部。根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5073-2000)，按技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的所有構(gòu)筑物，均應(yīng)達(dá)到50年超越概率為10%的設(shè)防烈度。本隧洞區(qū)域段設(shè)計(jì)基本地震峰值加速度為0.10 g，根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5073-2000)巖基面50 m以下隧洞可選取設(shè)計(jì)基本地震峰值加速度的1/2，因此本文選用0.05 g作為基本地震峰值加速度。Kobe地震波的最大加速度為0.344 7 g，計(jì)算中必須將實(shí)際地震記錄的峰值折算成所需的加速度峰值，故對Kobe加速度進(jìn)行振幅變換，并對變化后的波型進(jìn)行傅里葉變換分析(FFT)以及濾波和基線校正。本次模擬只選取集中大部分能量的前10 s波段進(jìn)行計(jì)算。

1.2 邊界條件和阻尼的設(shè)置

FLAC3D中提供了靜止(黏性)邊界和自由場邊界兩種邊界條件來減少模型邊界上波的反射。本次動(dòng)力計(jì)算在模型的底部設(shè)置了黏性邊界進(jìn)行模擬。

同時(shí)實(shí)踐證明，瑞利阻尼計(jì)算得到的加速度響應(yīng)規(guī)律比較符合實(shí)際，故本模型中采用瑞利阻尼進(jìn)行計(jì)算。瑞利阻尼最初應(yīng)用于結(jié)構(gòu)和彈性體的動(dòng)力計(jì)算中，以減弱系統(tǒng)的自然振動(dòng)模式的振幅。FLAC3D設(shè)置瑞利阻尼時(shí)，需要確定兩個(gè)參數(shù)：最小臨界阻尼比和最小中心頻率。根據(jù)頻譜分析結(jié)果，本模型取最小中心頻率為 0.75 Hz。對于巖土材料而言，臨界阻尼比一般是2%～5%，本模型中選用臨界阻尼比為5%。

2 計(jì)算模型、參數(shù)與計(jì)算內(nèi)容

2.1 計(jì)算模型和參數(shù)

為了模擬地震動(dòng)對引水隧洞的影響，采用雙洞互不影響方案，即雙洞間距45 m、單洞毛洞直徑約7 m的對稱雙洞方案，單洞具體尺寸見圖1；地應(yīng)力大小見表1；圍巖力學(xué)模型仍采用 Mohe-Coulomb本構(gòu)模型，參數(shù)見表2；采用圖2錨桿布置方案，支護(hù)參數(shù)見表3。襯砌方案選用泡沫混凝土和一般混凝土的復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，其中襯砌的分節(jié)長度為3 m，襯砌的剪切縫寬為10 cm，均采用彈性模型，彈性模量為0.62GPa，泊松比0.41，干密度720 g/cm3。

圖1 單洞尺寸示意圖

圖2 錨桿布置位置示意圖

表1 地應(yīng)力分布表(隧洞埋深為300m)

表2 圍巖力學(xué)參數(shù)

表3 支護(hù)情況下所采用的參數(shù)表

2.2 計(jì)算內(nèi)容

大量的研究資料表明，在模型底部施加地震波時(shí)，橫向(Y方向)的影響要大于順向(X方向)，因此計(jì)算中在模型底部Y方向施加修正Kobe地震波譜(圖3)。以下分別分析了無錯(cuò)動(dòng)、錯(cuò)動(dòng)5a、50a和100a后發(fā)生地震時(shí)圍巖和襯砌的力學(xué)響應(yīng)，施加的錯(cuò)動(dòng)量見表4。

圖3 局部計(jì)算網(wǎng)格模型

表4 不同年限所施加的位移量表

3 支護(hù)方案綜合評價(jià)

考慮即使在地震荷載作用下，由于塑性變形的存在，位移會(huì)隨著地震作用時(shí)間的增長而增大。在地震結(jié)束時(shí)，位移達(dá)到最大值。因此，本次主要分析地震荷載結(jié)束時(shí)間點(diǎn)圍巖與襯砌的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。以下僅取單洞截面進(jìn)行分析。

3.1 圍巖計(jì)算結(jié)果

見圖4、圖5。

圖4 襯砌分節(jié)中心位置處圍巖力學(xué)響應(yīng)

圖5 剪切縫分節(jié)中心位置處圍巖力學(xué)響應(yīng)

襯砌中心和剪切縫處的圍巖體隨錯(cuò)動(dòng)增長后，在地震荷載作用下變形破壞的規(guī)律為：

1) 地震波由硐室底部傳至洞頂，硐室底部受地震波的震動(dòng)放大作用最強(qiáng)，在無錯(cuò)動(dòng)條件下，圍巖的最大位移均出現(xiàn)在硐底與邊墻；相反，洞室上部由于地震波的繞射作用，其震動(dòng)強(qiáng)度降低，拱肩與洞頂?shù)奈灰戚^小。如果在斷層錯(cuò)動(dòng)條件下發(fā)生地震，位移分布并不均勻，總體來說，硐室受錯(cuò)動(dòng)影響和地震波的放大作用，最大位移出現(xiàn)在硐底與左邊墻處。如果對比剪切縫處圍巖與襯砌處的圍巖位移可以看出，襯砌處的圍巖位移更小，說明襯砌處的圍巖整體剛度更好。見圖6。

圖6 不同計(jì)算條件下位移對比圖

2) 即使在無錯(cuò)動(dòng)條件下，地震波作用使圍巖出現(xiàn)了3～4 m的塑性區(qū)。隨著錯(cuò)動(dòng)作用的增強(qiáng)，塑性區(qū)主要在硐底以及左硐角和右拱肩方向持續(xù)擴(kuò)大；當(dāng)百年錯(cuò)動(dòng)后發(fā)生地震，圍巖塑性區(qū)最大可達(dá)6～7 m。對比襯砌和剪切縫處二者的塑性區(qū)深度可以看出，后者稍高于前者，說明剪切縫的設(shè)置并不會(huì)對圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。

3) 在無錯(cuò)動(dòng)條件下，圍巖各部位FAI均小于2,未出現(xiàn)破壞區(qū)，說明在此工況下出現(xiàn)地震可以保證圍巖安全。隨著錯(cuò)動(dòng)的增長，發(fā)生地震后會(huì)出現(xiàn)破壞區(qū)，但即使錯(cuò)動(dòng)100 a發(fā)生地震時(shí)，破壞區(qū)并未連成片。值得注意的是，在各個(gè)工況條件下，相比較其他部位，硐底的破壞更加嚴(yán)重，建議增強(qiáng)硐底支護(hù)。見圖7、圖8。

圖7 襯砌分節(jié)中心位置處計(jì)算結(jié)果

圖8 剪切縫位置處計(jì)算結(jié)果

3.2 襯砌計(jì)算結(jié)果

襯砌中心和剪切縫處的襯砌隨錯(cuò)動(dòng)增長后，在地震荷載作用下變形破壞的規(guī)律為：

1) 在無錯(cuò)動(dòng)條件下，襯砌和剪切縫的最大位移均出現(xiàn)在硐底部位(拱腳)，說明也同樣受到地震波的放大作用。如果在斷層錯(cuò)動(dòng)條件下發(fā)生地震，位移分布并不均勻，總體來說地震波主要集中在左拱腳和左邊墻處。同樣在地震動(dòng)條件下，可以從圖9對比看出，剪切縫處承擔(dān)了更多的硐室變形，剪切縫最多可達(dá)襯砌處位移的3.5倍。

圖9 不同計(jì)算條件下位移對比圖(襯砌)

2) 無錯(cuò)動(dòng)條件下，襯砌本身并未受到地震波作用的破壞，混凝土以及鋼筋工作正常，剪切縫處的混凝土也工作正常；在錯(cuò)動(dòng)5 a后發(fā)生地震，襯砌工作正常，但剪切縫處的混凝土?xí)l(fā)生破壞，錯(cuò)動(dòng)時(shí)間越長后發(fā)生地震，對襯砌和剪切縫的破壞就越嚴(yán)重(圖10)；在錯(cuò)動(dòng)100 a后發(fā)生地震，襯砌也會(huì)遭到破壞。

圖10 不同計(jì)算條件下混凝土內(nèi)力圖

4 結(jié) 語

為了保證引水隧洞的安全，本文考慮地震荷載作用下的硐室穩(wěn)定性研究， 主要運(yùn)用數(shù)值模擬方法，采用FLAC3D中的基于顯式差分的完全非線性分析理論，合理選擇輸入激勵(lì)(頻譜、振幅、持時(shí))、巖土參數(shù)、本構(gòu)模型、透射邊界、模型網(wǎng)格等進(jìn)行地震動(dòng)力模擬，從而作出引水隧洞的穩(wěn)定性評價(jià)。主要結(jié)論如下：

1) 即使在無錯(cuò)動(dòng)條件下，地震波作用使圍巖出現(xiàn)了3～4 m的塑性區(qū)；當(dāng)百年錯(cuò)動(dòng)后發(fā)生地震，圍巖塑性區(qū)最大可達(dá)6～7 m。對比襯砌和剪切縫處二者的塑性區(qū)深度可以看出，后者稍高于前者，說明剪切縫的設(shè)置并不會(huì)對圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。在各個(gè)工況條件下，相比較其他部位，硐底的破壞更加嚴(yán)重，建議增強(qiáng)硐底支護(hù)。

2) 無錯(cuò)動(dòng)條件下，襯砌本身并未受到地震波作用的破壞，混凝土以及鋼筋工作正常，剪切縫處的混凝土也工作正常；在錯(cuò)動(dòng)5 a后發(fā)生地震，襯砌工作正常，但剪切縫處的混凝土?xí)l(fā)生破壞，錯(cuò)動(dòng)時(shí)間越長后發(fā)生地震，對襯砌和剪切縫的破壞就越嚴(yán)重；在錯(cuò)動(dòng)100 a后發(fā)生地震，襯砌也會(huì)遭到破壞。

3) 為了保證隧洞工程的安全，有必要進(jìn)行地震動(dòng)力模擬，作出穩(wěn)定性評價(jià)，為工程的建設(shè)提供有效建議。