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地震作用下岩体地下洞室响应及安全评价方法研究

作　者: 吕涛
导　师: 李海波
学　校: 中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）
专　业: 岩土工程
关键词: 岩体地下洞室地震响应地震安全性评价溪洛渡水电站
分类号: TV223.3
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
下　载: 646次
引　用: 7次
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内容摘要

在我国西部大开发战略的实施过程中,一大批规模庞大的水电站工程即将在我国西部区域地震活动频繁、地震烈度高的地区营建。由于受当地地形条件限制,水电站的引水发电建物多布置于江河两岸的山体中,从而形成了超大型地下洞室群。因此如何确保地震作用下赋存于岩体中地下洞室的地震安全性是工程中必须解决的关键问题。在此工程背景下,本文结合国家自然科学基金重点项目——地震作用下岩体的力学响应及工程安全,依托溪洛渡水电站工程项目,开展了地震作用下岩体地下洞室响应及安全评价方法的研究工作。首先,以无限线弹性介质中圆孔对P波的衍射问题为突破口,通过求解圆孔孔周动应力集中因子这一途径,证明了显式有限差分法分析固体介质中波的衍射问题的可行性,为应用显式有限差分法开展岩体地下洞室的地震反应分析及安全评价方法的研究提供了理论依据。其次,建立了溪洛渡地下洞室群的二维和三维数值模型,应用显式有限差分法分析了唐山余震天津医院地震波作用下地下洞室群的地震反应。研究结果表明:可以近似采用二维模型代替三维模型来预测地下洞室洞身部分围岩的力学响应;洞端部分则必须通过建立三维模型来进行分析。由于二维计算模型建模、求解以及数据处理效率远远高于三维模型,而且存储容量也远远小于三维模型,因此,在开展类似溪洛渡水电站这种超大型地下厂房的地震反应分析时,可以首先采用二维模型(而非一开始就建立复杂的三维模型)对洞室洞身部分断面力学响应作出快速的初步估计,了解围岩力学响应特点,然后再开展更具针对性的三维模型的分析与研究。随后,考虑到超大型地下厂房轴线长度尺寸较大、地震荷载的空间非一致特征明显的特征,讨论了空间非一致地震动输入对溪洛渡水电站超大型地下洞室群地震响应特征的影响。分析表明:空间非一致地震动输入使得溪洛渡地下洞室围岩地震响应沿轴线长度方向产生相位差,但是对于溪洛渡地下厂房这种轴向长度水平(轴向尺度在300~400m左右)的洞室围岩地震响应幅值影响不大。因此,在进行类似岩体地下洞室的地震安全评价时可以不考虑地震动空间非一致性的影响。这也为Dowding、Rozen与Sharma、Judd仅将PGA作为评价指标提供了合理解释。通过分析总结岩体地下洞室地震响应特征,提出了可以合理反映地震荷载作用对于岩体地下洞室围岩所引发的附加动力效应的动应力集中因子代表值的概念,并将动应力集中因子代表值作为描述岩体地下洞室地震响应的关键特征,开展了动应力集中因子代表值影响因素的参数分析。参数分析表明:动应力集中因子代表值与影响岩体地下洞室地震反应的五个关键因素——地震动加速度幅值、洞室埋深、围岩岩体级别、衬砌混凝土厚度、衬砌混凝土标号均近似呈线性关系。同时,在此基础上,给出了有(无)衬砌支护结构两种情况的地震安全评价公式。最后,基于地震安全评价公式提出了一种应用简单、工程普适性较强的适用于岩体地下洞室的地震安全评价方法。应用该评价方法对唐山余震天津医院地震作用下溪洛渡水电站超大型地下洞室群的地震安全性进行了评价,所得结果与采用Dowding和Rozen、Sharma和Judd的评价方法结果一致。由此说明了本文提出的地震安全评价方法的合理性。同时,研究还表明:本文提出的地震安全评价方法可以给出偏于安全的地震安全评价结果。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第1章绪论  11-25
  1.1 研究意义  11-12
  1.2 研究现状  12-24
    1.2.1 地下洞室的地震震害机理  13-14
    1.2.2 地下洞室地震反应研究方法  14-19
    1.2.3 地下洞室地震反应特征  19-22
    1.2.4 地下洞室的地震安全评价方法  22-24
  1.3 本文研究内容  24-25
第2章显式有限差分法的动力计算说明  25-29
  2.1 波传播的数值模拟的数值稳定性条件  25-26
  2.2 截断边界条件的选择  26
  2.3 粘滞边界条件的选择  26-27
  2.4 阻尼的选择  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章显式有限差分法的校核  29-55
  3.1 圆孔P 波衍射的解析解答  29-42
    3.1.1 圆柱坐标系下的弹性动力学基本方程  29-34
    3.1.2 基于弹性动力学理论求解固体波衍射问题  34-42
  3.2 圆孔P 波衍射的FLAC 数值解答  42-54
    3.2.1 计算模型  42-43
    3.2.2 动力边界条件  43
    3.2.3 应力边界——复数表达式  43-48
    3.2.4 应力边界——实数表达式  48
    3.2.5 处理应力边界与粘滞边界  48-50
    3.2.6 确定入射P 波参数  50-51
    3.2.7 入射P 波的持时  51-52
    3.2.8 监测应力分量  52-53
    3.2.9 FLAC 数值计算结果  53-54
  3.3 本章小结  54-55
第4章溪洛渡水电站地下洞室群地震响应分析及地震安全评价  55-105
  4.1 地下洞室群的二维地震反应分析及地震安全评价  55-74
    4.1.1 计算模型  55-59
    4.1.2 地下洞室群开挖稳定性分析  59-63
    4.1.3 地震反应分析  63-74
    4.1.4 本节小结  74
  4.2 地下洞室群的三维地震反应及地震安全评价  74-100
    4.2.1 计算模型  74-76
    4.2.2 地下洞室群开挖稳定性分析  76-84
    4.2.3 地震反应分析  84-100
    4.2.4 本节小结  100
  4.3 地下洞室群的二维、三维地震反应比较分析  100-103
    4.3.1 地下洞室群开挖稳定性分析比较  100-101
    4.3.2 地下洞室群地震反应分析比较  101-102
    4.3.3 计算成本比较  102-103
  4.4 本章小结  103-105
第5章地震动空间非一致性对溪洛渡地下洞室群地震响应的影响  105-141
  5.1 空间非一致地震动输入方法  105-124
    5.1.1 合成底边界面激振点加速度时程曲线  106-115
    5.1.2 合成地震波的基线校正  115-124
  5.2 考虑地震动空间非一致性的溪洛渡地下洞室群地震反应分析  124-140
    5.2.1 应力计算结果分析  125-131
    5.2.2 位移计算结果分析  131-136
    5.2.3 动应力集中因子计算结果分析  136-140
  5.3 本章小结  140-141
第6章一种简单的岩体地下洞室地震安全评价方法  141-159
  6.1 引言  141
  6.2 动应力集中因子代表值的概念  141-143
  6.3 影响因素的参数分析  143-153
  6.4 地震安全评价方法  153-155
  6.5 实例分析  155-157
    6.5.1 Dowding 和Rozen 的评价方法  155
    6.5.2 Sharma 和Judd 的评价方法  155-156
    6.5.3 本文的评价方法  156-157
  6.6 本章小结  157-159
第7 章结论与展望  159-163
  7.1 结论  159-160
  7.2 展望  160-163
参考文献  163-169
攻读博士学位期间参加的科研项目、学术会议及发表论文情况  169-170
致谢  170-171

地震作用下岩体地下洞室响应及安全评价方法研究

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