论文部分内容阅读
对于目前我国西南地区众多坐落在高山峡谷地带的高水头、大容量水电站，地下厂房是一种经济的甚至是唯一的选择。相比常见的隧道等地下工程，大型水工地下洞室群通常空间关系较为复杂，同时这些大型水利水电工程项目大部分处于西南强震多发地区，设计地震动参数水平较高，使得这些大型地下洞室群在地震作用下的稳定性，成为工程设计中无法回避的关键科学问题。本文结合大渡河大岗山和金沙江白鹤滩水电站地下厂房洞室群工程，围绕大型地下洞室群地震响应分析及动力稳定性这一关键问题，开展了以下研究工作:
(1)对幅值、频谱特性、持时三大参数进行了较为系统的综述，对地震动特性的工程表征进行了总结;基于数学理论得到了地震波在岩体中的传播、滑移/非滑移结构面及软弱夹层上透反射性质的理论推导，并采用数值软件进行了再现性验证，继而得到了白鹤滩水电工程地下洞室群工程区域地震动参数沿深度的变化规律;针对目前研究中较少涉及的地震响应频谱特性问题，提出了小波（包）和传递函数两种地震响应的频谱分析方法，并得到了白鹤滩水电工程地下洞室群工程区域的地震响应频谱特性。
(2)讨论了各种地震动的选取方法，形成了一套实用性较强的选取流程，并基于白鹤滩水电工程和大岗山水电工程，对这一流程进行了演示;研究了设计地震动基准面（点）及基于基准面（点）的人工边界的输入地震动确定方法，形成了适用于高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动输入方法，并以白鹤滩地下洞室群为工程实例，对这一输入方法进行演示;将上述地震波的合理选取方法和地震动输入方法相组合，形成了一套可操作性较强的高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动的输入机制。
(3)对地震动及地质条件对地下洞室地震响应的影响进行了较为系统的研究，表明对于地震动参数，地震动幅值与地下洞室的塑性区面积和地震过程中的相对变形极值之间基本呈线性正相关关系，而与震后变形之间非线性正相关关系明显;动力系数与塑性区面积、地震过程中的相对变形极值、震后变形之间基本均呈线性正相关关系;特征周期与塑性区面积之间基本呈线性正相关关系;而与地震过程中的相对变形极值和震后变形之间非线性正相关关系较为明显;在本文计算条件下地震动持时与地下洞室的塑性区面积和变形基本无关系，采用静力下的本构关系和强度准则无法正确表达地震动持时的影响。对于地质条件因素，岩体力学参数中对地下洞室地震响应最主要的影响因素为粘聚力及内摩擦角，即强度参数;岩体应力状态参数中对地下洞室地震响应最主要的影响因素为洞室埋深，其次分别为平面内侧压系数和平面外侧压系数;节理力学参数中的摩擦角和抗拉强度为影响地下洞室地震响应的主要因素;对于随机节理岩体，在相同地震动作用下，随节理密度增加，洞室的地震位移呈现明显的增加趋势;随节理倾角增加，洞室的地震位移基本呈现较明显的增加趋势;洞室地震位移随节理倾角离散程度减小而减小;洞室的地震位移随节理迹长的增加呈现较明显的增加趋势;节理迹长离散程度对洞室地震位移影响较小。
(4)讨论了适用于地下洞室群地震稳定性分析的性能化设防水准和抗震性能水平，得到了针对大型地下洞室群的抗震性能目标。将地下洞室群地震稳定性评价计算方法分为简化分析设计方法和精确校核方法两类。对于简化设计方法，采用拟静力形式的等代加速度法，并对其应用于地下洞室群地震响应分析的一些问题进行了探讨，通过数值试算给出了各修正系数的取值范围和回归公式。对于精确校核方法，根据繁简程度分为弹塑性动力分析法及进一步发展的增量动力分析法。对于弹塑性动力分析法，介绍了基于显式有限差分的弹塑性动力分析原理，并对白鹤滩地下洞室群工程进行了洞群布置方案选型及动力稳定性校核。对于增量动力分析方法(IDA)，探讨了适用于大型地下洞室群的地震强度因子IM与性能参数DM的选取原则和依据，为开展IDA提供合适的地震强度表征指标和结构损伤性能参数，并对大岗山地下洞室群工程进行了基于IDA的地震动力稳定性评价。整合前述成果，根据国际规范ISO23469:2005的指导思想，初步建立了适用于地下洞室群的基于性能的稳定性评价体系。
(5)与远场地震动相比，近断层脉冲型地震动的主要特征为Vmax/Amax和Dmax/Amax指标更大，且近断层脉冲型地震动的主要能量集中在1 Hz以下的频段。在相同幅值和频谱特性的前提下，近断层地震动对地下洞室的破坏程度远比远场地震动大。故在对地下洞室群进行地震响应研究时，需要针对近断层地震动进行专项研究。在场址无实测近断层地震记录时，采用人工模拟技术，生成近断层脉冲型地震动。较之前人方法，本文提出的合成方法考虑了[1/Tp，1]Hz这一频段内的地震波信息，更具合理性。对白鹤滩地下厂房洞室群专项研究结果表明，故在本文计算条件下，白鹤滩水电工程地下厂房洞室群有在近断层地震动作用下发生整体失稳的危险性，需要进一步进行专项风险性评价，以讨论是否需要增设针对性的抗震支护措施。