【摘 要】
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我国西南地区水资源丰富,为保障国家能源供给和优化水资源配置,在此区域已兴建了大量的水工隧洞。水工隧洞的赋存地质环境、空间结构形态和相互作用机制都很复杂。同时,西南地区属于地震高发区,一旦发生强震将直接威胁水工隧洞安全稳定。因此,研究复杂条件下水工隧洞地震响应特性与破坏机理,提出水工隧洞结构地震动力稳定性评价方法,对保证水工隧洞的长期安全稳定运行具有重大的理论价值与工程实用意义。本文围绕复杂条件下水
【基金项目】
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强震区重大岩石地下工程地震灾变机理与抗震设计理论.国家重点基础研究发展计划（973项目）,批准号:2015CB057904; 地下结构柔性支护地震动响应特性研究.国家自然科学基金,批准号:51579191; 地下厂房洞室围岩与混凝土衬砌结构地震动响应作用机理研究.国家自然科学基金,批准号:51279136; 复杂断层结构对大型地下电站厂房洞室围岩稳定的控制机理及分析方法.国家自然科学基金,批准号:
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我国西南地区水资源丰富,为保障国家能源供给和优化水资源配置,在此区域已兴建了大量的水工隧洞。水工隧洞的赋存地质环境、空间结构形态和相互作用机制都很复杂。同时,西南地区属于地震高发区,一旦发生强震将直接威胁水工隧洞安全稳定。因此,研究复杂条件下水工隧洞地震响应特性与破坏机理,提出水工隧洞结构地震动力稳定性评价方法,对保证水工隧洞的长期安全稳定运行具有重大的理论价值与工程实用意义。本文围绕复杂条件下水工隧洞地震响应与衬砌结构抗震安全评价中的关键问题,即水工隧洞围岩与锚杆动力联合作用分析方法,跨断层深埋水工隧洞地震响应分析方法,水工隧洞洞口段地震响应分析方法,水工隧洞流体与衬砌动力联合作用分析方法以及水工隧洞结构抗震性能评估方法等展开深入研究。主要研究内容如下:（1）研究水工隧洞围岩与锚杆动力联合作用分析方法。总结动力循环荷载作用下岩体材料的一般力学响应特性,提出岩体动弹性模量和动抗拉、抗压强度取值公式,考虑非关联流动法则,通过引入损伤系数,建立反映岩体动响应特性的三维弹塑性损伤动力本构模型,并给出本构模型的有限元实现步骤;研究基于中性点理论的全长黏结式锚杆支护作用机理,从围岩参数加固与锚杆力学约束两个方面探讨锚杆对围岩的支护效应,基于三折线剪切滑移模型,推导锚杆与围岩荷载传递控制微分方程,通过迭代求解方程得到锚杆内力分布,并结合动力有限元提出考虑锚固界面剪切损伤-滑移的锚杆动力算法,形成水工隧洞围岩与锚杆动力联合作用分析方法。（2）研究跨断层深埋水工隧洞地震响应分析方法。针对深埋水工隧洞动力时程分析中有限元模型不便建至地表的问题,提出考虑地下无限域地震波场传播特征的人工边界设置方法,即对模型六个方向均进行人工截断,在顶部和底部设置黏弹性人工边界,在四周设置自由场人工边界,并采用解析法计算地表反射至顶部人工边界处的自由波场;考虑震动磨损因素和相对速度因素对接触面地震劣化的影响,获得可动态变化的接触面抗剪强度参数;针对地震作用下围岩与断层动力相互作用特点,在点对接触类型基础上,引入点面接触类型,提出能反映多种接触状态,考虑接触面黏聚力和抗剪强度劣化效应的动接触力算法,形成跨断层深埋水工隧洞地震响应分析方法。（3）研究水工隧洞洞口段地震响应分析方法。假定地震波为垂直入射的弹性平面波,研究洞口段平面P波和S波输入方法,基于黏弹性人工边界,推导各人工边界处的等效节点力计算公式,以实现洞口段地震波输入;基于连续损伤力学基本理论,考虑损伤对混凝土材料初始刚度的影响,定义单轴拉、压条件下混凝土应力-应变本构关系曲线,推导受拉、受压损伤系数表达式,并将一维损伤模型扩展至三维状态,建立混凝土衬砌三维弹性动力损伤本构模型;针对水工隧洞围岩与衬砌联合地震动响应中存在的脱开、滑移等现象,基于动接触力算法,采用点对接触形式计算接触节点的动接触力,建立围岩与衬砌动力联合承载分析模型,形成水工隧洞洞口段地震响应分析方法。（4）研究水工隧洞流体与衬砌动力联合作用分析方法。假定水工隧洞内部水体为不可压缩黏性流,采用ALE法描述流体网格的运动变形过程,研究不可压缩黏性流的动力学控制方程,结合边界和初始条件,对控制方程进行有限元离散,建立有限元方程组的Newton-Raphson迭代计算格式;在ALE有限元分析中,计算网格在空间中不再固定,需要不断更新以避免其发生畸形,为此将整个流体区域视为弹性体,建立基于伪弹性体法的流体网格更新方法;针对流体-衬砌动力耦合作用特性,令耦合边界满足速度相等条件,以耦合作用力作为收敛控制指标,建立基于ALE的流体-衬砌动力耦合迭代算法,形成水工隧洞流体与衬砌动力联合作用分析方法。（5）研究基于概率分析的水工隧洞结构抗震性能评估体系。将IDA方法引入到水工隧洞结构地震动力稳定性评估领域,研究基于IDA的地震易损性分析方法,讨论用于IDA的地震动记录选取方式,选取震后衬砌特征部位的损伤系数作为结构性能参数,通过确定损伤系数限值,建议适用于隧洞结构抗震安全评价的5级震害划分标准和4级抗震性能水平,提出基于IDA的水工隧洞结构抗震性能评估方法;以可靠度基本理论为基础,研究基于响应面法和JC法的结构可靠度计算方法,将地震作用视为偶然荷载,推导隧洞结构地震可靠度计算公式,探究工程区地震发生概率的估计方法,提出基于可靠度的水工隧洞结构抗震性能评估方法,形成基于概率分析的水工隧洞结构抗震性能评估体系。
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