有限差分軟件FLAC3D研究地下洞室群地震損傷演化規(guī)律

1、有限差分軟件FLAC3D研究地下洞室群地震損傷演化規(guī)律引言震害調(diào)查表明，對于地下洞室群而言，在地震作用下，其直接的破壞現(xiàn)象是洞室圍巖產(chǎn)生宏觀的裂縫、片幫和冒落坍塌等現(xiàn)象。在數(shù)值計(jì)算中，可以體現(xiàn)洞室破壞程度的是洞室塑性區(qū)或者損傷區(qū)的大小，且塑性區(qū)的工程意義在于反映了開挖完成后的開挖損傷區(qū)。近十幾年來，尤其是2008年汶川地震發(fā)生后，大型地下洞室群的抗震分析和研究工作開始受到重視。宋林等和邊金等選用實(shí)測地震波進(jìn)行幅值修正作為強(qiáng)地震動輸入，研究了地鐵車站的地震響應(yīng)特征。趙寶友等以某水電站地下廠房洞室結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行了二維動力時(shí)程非線性數(shù)值計(jì)算，分析了地下結(jié)構(gòu)的動力損傷的特點(diǎn)。李海波等研究了地震荷載作用

2、下地下巖體洞室位移特征的影響因素。李小軍等采用有限元空間離散模型，結(jié)合動力方程求解的顯式差分方法、局部透射人工邊界和接觸力模型，對溪洛渡地下洞室群進(jìn)行了地震響應(yīng)分析。王如賓等利用動力時(shí)程分析法對金沙江兩家人水電站地下廠房進(jìn)行了地震響應(yīng)分析。本文利用有限差分軟件FLAC3D研究了西部高山峽谷中某大型地下洞室群在地震作用下的損傷演化規(guī)律和分布特征，旨在為地下洞室群抗震設(shè)計(jì)提供一些依據(jù)和建議。1、工程概況某大型水電站位于大渡河中游上段四川省雅安市石棉縣境內(nèi)，壩區(qū)兩岸山體雄厚，谷坡陡峻，基巖裸露，自然坡度一般40°65°，相對高差一般在600m以上。該電站裝機(jī)容量為2600MW，地下洞

3、室群由主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室三大地下洞室及母線洞、尾水連接洞等組成，主廠房、副廠房、主變室和尾水調(diào)壓室平行布置。主廠房開挖尺寸為20600m長，3080m寬，7378m高;主變室開挖尺寸為14400m長，1880m寬，2510m高;尾水調(diào)壓室凈跨度為2050m2400m，13000m長，7508m高。該水電站地下廠房區(qū)基巖以灰白色、微紅色黑云二長花崗巖為主，具中粒結(jié)構(gòu)，廠區(qū)巖體新鮮較完整，呈塊狀次塊狀結(jié)構(gòu)，巖塊嵌合緊密。地下廠房區(qū)主要為、類圍巖，洞室圍巖基本穩(wěn)定，局部穩(wěn)定性差。工程場地處于不同方向活動斷裂的交匯區(qū)附近，斷裂構(gòu)造發(fā)育，地震活動頻繁，地震基本烈度為8度，50a超越概率3%的水平

4、峰值加速度為4043m/s2。2、計(jì)算模型地下廠房區(qū)以類圍巖為主，夾雜有類圍巖和輝綠巖脈。在動力計(jì)算中，如果按這些地質(zhì)特征進(jìn)行建模，則會使局部網(wǎng)格劃分過小，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間成本急劇增加。基于地下廠房區(qū)巖體新鮮較完整的巖體特征，考慮到動力計(jì)算時(shí)間成本和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將模型可以看做均質(zhì)、彈塑性類圍巖介質(zhì)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，將其取值適當(dāng)弱化，計(jì)算時(shí)圍巖的力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。該水電站地下廠房洞室群規(guī)模龐大而復(fù)雜，如果對所有地下洞室群進(jìn)行細(xì)致的模擬，即便是開展靜力分析，計(jì)算成本也十分高昂，對于持時(shí)幾十秒的地震動力響應(yīng)分析將更加費(fèi)時(shí)。因此，必須對計(jì)算模型進(jìn)行合理簡化。通過比較分析，在數(shù)值模擬中只考慮該水電

5、站的三個(gè)大型地下廠房，即主廠房、主變室和尾水調(diào)壓室。為了滿足地震波傳播問題的數(shù)值穩(wěn)定性條件，取單元最大尺寸為15m。建模時(shí)，取水平向右為X軸正向，豎直向上為Z軸正向，沿洞室軸線方向?yàn)閅軸。計(jì)算范圍由主變室中心起左右各取300m，上下自主變室底板各取210m，Y軸長度共200m長。模型共劃分單元54026個(gè)，節(jié)點(diǎn)59685個(gè)。初始地應(yīng)力考慮到自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力，將洞室群上方200m以上至地表的巖體計(jì)算出重量作為外荷載施加在上邊界上，地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)取，kx=0.5，ky=1.2，按初始地應(yīng)力隨深度線性增加的方式施加到單元上去。生成后的地下洞室群數(shù)值模型如圖1所示。根據(jù)巖體力學(xué)特性，本文采用Moh

6、rCoulomb模型作為巖體本構(gòu)關(guān)系。采用自由場邊界吸收來自模型內(nèi)部的入射波。由于局部阻尼與頻率無關(guān)，和巖土體介質(zhì)阻尼性質(zhì)吻合，無需對頻率進(jìn)行估計(jì)，應(yīng)用簡單，且局部阻尼計(jì)算速度比瑞利阻尼快約幾十倍，因此本文采用局部阻尼。對巖土類材料，阻尼比一般在2%5%范圍內(nèi)，本文取阻尼比為005，局部阻尼系數(shù)αL=0.1571。根據(jù)地殼構(gòu)造和固體介質(zhì)波折射規(guī)律，在地震響應(yīng)分析中通常認(rèn)為地震波到達(dá)地殼表層時(shí)入射方向垂直于地表。同時(shí)考慮到地震波的剪切作用對于地下洞室破壞作用最大，將入射地震波設(shè)置為水平向振動的剪切波。選用1995年發(fā)生在日本阪神(Kobe)的地震記錄作為輸入地震波(簡稱為Kobe地震

7、波)，其峰值加速度按相應(yīng)比例進(jìn)行調(diào)整。地震波在模型底部豎直向上輸入，為剪切波，輸入的地震波峰值加速度為4043m/s2。經(jīng)過基線校正和高頻濾波，Kobe地震波的時(shí)程曲線和傅里葉譜如圖2和3所示。3、計(jì)算結(jié)果與分析根據(jù)輸入地震動加速度由弱變強(qiáng)再變?nèi)醯淖兓^程，選取0s、3385s、4388s、4781s、5228s和7116s幾個(gè)時(shí)刻，分析圍巖損傷區(qū)演化規(guī)律和分布特征。不同時(shí)刻的圍巖損傷區(qū)大小和分布特征見圖4圖9。由圖中可以看出，隨著加速度由弱變強(qiáng)，主廠房和尾調(diào)室的邊墻中部損傷區(qū)向深處擴(kuò)展。在4781s時(shí)刻，主變室和尾調(diào)室之間產(chǎn)生了貫通的損傷區(qū)。損傷區(qū)主要分布在主廠房和尾調(diào)室的邊墻和頂拱處，以及

8、主變室的邊墻和底板處。如圖4和5所示，在第0s和3385s時(shí)刻，主廠房圍巖損傷區(qū)面積為778m2，主變室圍巖損傷區(qū)面積為236m2，尾調(diào)室圍巖損傷區(qū)面積為735m2，洞室圍巖損傷區(qū)面積共計(jì)1749m2;如圖6所示，在第4388s時(shí)刻，主廠房圍巖損傷區(qū)面積為1101m2，主變室圍巖損傷區(qū)面積為445m2，尾調(diào)室圍巖損傷區(qū)面積為1091m2，洞室圍巖損傷區(qū)面積共計(jì)2637m2;如圖7所示，在第4781s時(shí)刻，主廠房圍巖損傷區(qū)面積為1435m2，主變室圍巖損傷區(qū)面積為1003m2，尾調(diào)室圍巖損傷區(qū)面積為1636m2，洞室圍巖損傷區(qū)面積共計(jì)4074m2，可以看出，主變室和尾調(diào)室?guī)r柱在本時(shí)刻出現(xiàn)了損傷區(qū)

9、貫通的情況;如圖8所示，在第5228s時(shí)刻，主廠房圍巖損傷區(qū)面積為1508m2，主變室圍巖損傷區(qū)面積為1074m2，尾調(diào)室圍巖損傷區(qū)面積為1712m2，洞室圍巖損傷區(qū)面積共計(jì)4294m2;如圖9所示，在第7116s至地震結(jié)束時(shí)刻，主廠房圍巖損傷區(qū)面積為1574m2，主變室圍巖損傷區(qū)面積為1074m2，尾調(diào)室圍巖損傷區(qū)面積為1730m2，洞室圍巖損傷區(qū)面積共計(jì)4378m2。圖10繪制出了圍巖損傷區(qū)面積隨地震作用時(shí)間的變化曲線。結(jié)合圖2和圖10可以看出，隨著輸入加速度強(qiáng)度增加，損傷區(qū)面積逐步擴(kuò)展，在輸入地震動強(qiáng)度達(dá)到最大值時(shí)，損傷區(qū)面積也很快達(dá)到最大面積，其后損傷區(qū)面積就一直保持不變。4、結(jié)論本文

10、選用日本Kobe地震波作為實(shí)際地震動輸入，通過基線校正和高頻濾波，利用FLAC3D軟件對某大型地下洞室群進(jìn)行了地震作用下的損傷演化規(guī)律和分布特征研究。數(shù)值分析結(jié)果表明:(1)隨著加速度由弱變強(qiáng)，主廠房和尾調(diào)室的邊墻中部損傷區(qū)向深處擴(kuò)展。損傷區(qū)主要分布在主廠房和尾調(diào)室的邊墻和頂拱處，以及主變室的邊墻和底板處。(2)隨著輸入加速度強(qiáng)度增加，損傷區(qū)面積逐步擴(kuò)展，在輸入地震動強(qiáng)度達(dá)到最大值時(shí)，損傷區(qū)面積也很快達(dá)到最大面積，其后損傷區(qū)面積就一直保持不變。參考文獻(xiàn)1 Wang W L. Wang T T. Su J J Assessment of damage in mountain tunnels du

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