張運(yùn)良，郭 放

（大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

0 引言

近年來，大型水電站地下廠房洞室群的抗震問題在國(guó)內(nèi)受到了重視，取得了不少成果[1-8]。由于所涉及的問題較復(fù)雜，該研究目前仍不成熟，尤其是對(duì)大型地下洞室群的三維動(dòng)力非線性數(shù)值仿真還不多見，仍需結(jié)合具體工程積累研究經(jīng)驗(yàn)。

本文以某抽水蓄能電站地下廠房為例，建立三維數(shù)值仿真模型，考慮初始地應(yīng)力、分步開挖與錨桿及錨索支護(hù)，對(duì)主廠房洞室影響較大的不良地質(zhì)體如局部蝕變巖的存在及巖體材料非線性等因素，考察地震作用過程中洞室圍巖的位移、速度、加速度等時(shí)、頻域反應(yīng)特征，對(duì)主廠房洞室的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行綜合判別。本文的工作依托于FLAC3D軟件平臺(tái)，是文獻(xiàn)[9]工作的深入，可為了解地下廠房洞室群的地震反應(yīng)特點(diǎn)，進(jìn)行動(dòng)力穩(wěn)定性復(fù)核積累經(jīng)驗(yàn)，為設(shè)計(jì)提供參考。

1 基本理論與方法

本文采用帶拉伸截?cái)嗟哪?庫(kù)倫直線形彈塑性模型來模擬巖體的屈服與破壞。

靜力分析時(shí)，地表自由，模型四周法向約束，底部固定。在靜力分析并達(dá)到平衡的基礎(chǔ)上，進(jìn)行輸入地震作用下的動(dòng)力分析，此時(shí)除地表仍為自由邊界外，模型四周及底部采用基于平面波假設(shè)推導(dǎo)出的粘性邊界。地震動(dòng)輸入在底邊界施加法向和切向應(yīng)力時(shí)程，與輸入地震動(dòng)速度時(shí)程相關(guān)；在模型四周側(cè)邊界施加自由場(chǎng)地震動(dòng)。

有關(guān)動(dòng)力分析理論及方法詳見FLAC3D手冊(cè)。

2 工程概況及計(jì)算參數(shù)

2.1 工程概況

某抽水蓄能電站地下洞室群主要由進(jìn)水洞、主廠房、尾水洞、調(diào)壓井等組成，其中主廠房洞室開挖尺寸為 156．66 m×21．5 m×46．17 m （長(zhǎng)×寬×高），垂直埋深約105～150 m。電站引水系統(tǒng)采用l洞1機(jī)的布置方式，尾水系統(tǒng)采用1洞2機(jī)的布置方式。電站裝機(jī)容量為4×150 MW。設(shè)計(jì)地震基本加速度為 0．05 g。

2.2 計(jì)算參數(shù)

由于洞室規(guī)模較大，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，雖然設(shè)計(jì)地震加速度水平較低，但為了保證其在地震作用下的圍巖穩(wěn)定性，且為了解大型地下洞室群的地震反應(yīng)特點(diǎn)，進(jìn)行動(dòng)力分析。

（1）洞室大范圍巖體主要為III類灰?guī)r。在1號(hào)、2號(hào)機(jī)組段發(fā)育有花崗閃長(zhǎng)斑巖蝕變帶，在廠房上游邊墻及局部頂拱有較大范圍的出露，蝕變程度嚴(yán)重，力學(xué)指標(biāo)較低，不利于廠房穩(wěn)定，其位置見圖1a。在洞室開挖過程中，主廠房洞室頂拱及邊墻施加了鋼錨桿進(jìn)行加固，其幾何參數(shù)為直徑 （φ）25 mm，長(zhǎng)度 （L）為5 m或7 m。另外，在邊墻部位還施加了預(yù)應(yīng)力為1 000 kN的對(duì)穿鋼錨索，其參數(shù) φ 為 15．24 mm， L為 15～21 m。

圖1 地下洞室群布置示意及三維整體有限元差分網(wǎng)格

（2）地下洞室群的靜、動(dòng)力分析三維整體計(jì)算模型網(wǎng)格剖分見圖1b，模擬了尺寸較大的1號(hào)～4號(hào)主廠房洞室，4條引水洞、4條尾水洞及2個(gè)調(diào)壓井室。地表根據(jù)實(shí)際地形資料建模。巖體采用實(shí)體單元?jiǎng)澐?，錨桿和錨索采用FLAC3D中的錨結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。模型沿主廠房洞室軸向總長(zhǎng)717 m、高320 m、橫向?qū)?90 m，共剖分單元59 370個(gè)，節(jié)點(diǎn)18 025個(gè)。整體坐標(biāo)Y方向與主廠房洞室軸向一致，Z軸豎向向上為正向，X向?yàn)閺S房機(jī)組段橫向。為了輸入地震動(dòng)的需要，將模型四周在某一高程取平。為滿足波動(dòng)傳播的精度要求，網(wǎng)格豎向尺寸最大控制為20m。

（3）計(jì)算僅模擬了對(duì)主廠房洞室穩(wěn)定性影響較大的蝕變巖脈，不考慮離主廠房洞室較遠(yuǎn)的裂隙和小斷層。 材料靜、 動(dòng)力參數(shù)統(tǒng)一取值[10]（見表1）。計(jì)算中設(shè)水泥漿的內(nèi)摩擦角、與巖孔孔壁及鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度、錨桿和錨索的抗拉、抗壓強(qiáng)度足夠大，以模擬支護(hù)具有足夠的加固能力。

表1 材料參數(shù)

（4）在靜力計(jì)算開始時(shí)，首先，施加初始地應(yīng)力場(chǎng)。根據(jù)實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，反演得到水平構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)σx、σy與豎向自重應(yīng)力場(chǎng)σz=γh的關(guān)系[11]。其次，模擬主廠房洞室分步開挖過程，斷面開挖自洞頂至洞底共分6步進(jìn)行，每一步均需應(yīng)力重分布計(jì)算。開挖結(jié)束待平衡后，進(jìn)行動(dòng)力分析?？紤]地震波豎直向上傳播且三向同時(shí)輸入。圖2給出了調(diào)幅后的三向輸入速度時(shí)程，該時(shí)程系由美國(guó)原子能RG1．60譜生成的人工地震加速度波經(jīng)積分后得到。

圖2 地震輸入速度時(shí)程曲線

（5）計(jì)算采用動(dòng)態(tài)多步長(zhǎng)方法，時(shí)間步長(zhǎng)量級(jí)為10-6s，地震持續(xù)時(shí)間為28．0 s。巖體阻尼比取0．05， 局部阻尼系數(shù)取 0．157[10]。模型建立完畢后， 采用FLAC3D內(nèi)部Fish語(yǔ)言編程進(jìn)行計(jì)算和結(jié)果提取。

3 結(jié)果分析

3.1 動(dòng)力反應(yīng)分析

選取高度最大、與蝕變巖相交部位的主廠房洞室斷面進(jìn)行結(jié)果分析。取該斷面上的關(guān)鍵點(diǎn)見圖3，其橫向地震反應(yīng)時(shí)程曲線見圖4。

從圖4可以看出，開挖結(jié)束后 （即地震作用前t=0 s時(shí)刻），斷面內(nèi)沿洞室高度各點(diǎn)均具有非零的橫向 （即X向）初始靜位移，在其后的地震作用過程中各點(diǎn)橫向動(dòng)位移的波形變化非常相似，且?guī)缀跬?。這一規(guī)律也反映在橫向速度和加速度反應(yīng)時(shí)程曲線上。這可能是因?yàn)榈叵聨r石洞室跨度及高度不到百米，介質(zhì)波速達(dá)數(shù)千米級(jí)，因此，各點(diǎn)的反應(yīng)幾乎無相位差別。

圖3 主廠房洞室斷面及其關(guān)鍵點(diǎn)

由動(dòng)力反應(yīng)時(shí)程最大值可知：①各關(guān)鍵點(diǎn)的橫向動(dòng)位移、速度和加速度反應(yīng)沿高程相差不大。②各點(diǎn)的主應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在洞腳處最大，在洞頂和洞底次之，洞腰最小。該主廠房洞室圍巖在地震作用過程中沒有產(chǎn)生受拉破壞。③與輸入速度幅值相比，各點(diǎn)速度反應(yīng)放大系數(shù)約為1．3～1．6倍。④與輸入加速度幅值相比，各點(diǎn)加速度反應(yīng)放大系數(shù)約為 1．3～1．9 倍。

對(duì)比橫向輸入速度 （圖2）與反應(yīng)速度時(shí)程曲線 （圖4b）可看出，由于存在介質(zhì)阻尼 （包括幾何輻射阻尼），最大反應(yīng)速度時(shí)刻 （t=9．99 s）稍滯后于最大輸入速度時(shí)刻 （t=9．69 s）。圖5給出了橫向速度反應(yīng)的傅里葉頻譜，經(jīng)與輸入速度頻譜比較后可知，二者均在0．27 Hz處譜值最大。這表明，地下主廠房洞室?guī)r壁橫向速度反應(yīng)與輸入波形基本相符，只是幅值稍有放大，并且反應(yīng)為低頻震動(dòng)。

3.2 穩(wěn)定性分析

在橫向速度反應(yīng)達(dá)最大時(shí)刻 （t=9．99 s）， 主廠房洞室斷面的塑性區(qū)見圖6，并與開挖結(jié)束后（即地震作用前t=0時(shí)刻）及地震作用結(jié)束后 （t=28．0 s時(shí)刻）進(jìn)行了對(duì)比。

圖5 主廠房洞室關(guān)鍵點(diǎn)的橫向反應(yīng)速度傅里葉頻譜

圖6 主廠房洞室圍巖不同時(shí)刻的塑性區(qū)比較

由圖6可以看出，開挖結(jié)束后及地震作用過程中，主廠房洞室圍巖基本上未發(fā)生拉破壞。地震作用使得剪切塑性區(qū)從洞頂局部較小范圍進(jìn)一步擴(kuò)大至全部洞頂，且在上游蝕變巖存在的洞肩及邊墻中上部，沿洞室跨度和軸線方向，塑性區(qū)延伸范圍擴(kuò)大 （深約15 m）并在洞頂形成貫通，從而不利于洞室圍巖的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中要注意洞頂坍塌的危險(xiǎn)。然而，地震作用結(jié)束后，上述呈現(xiàn)塑性的洞周巖體恢復(fù)為彈性。

隧洞穩(wěn)定性的判別可依據(jù)三個(gè)條件[10]：①隧洞周邊是否有圍繞隧洞的塑性貫通區(qū)；②設(shè)置在隧洞周圍的關(guān)鍵點(diǎn)的位移是否出現(xiàn)突變；③計(jì)算中節(jié)點(diǎn)不平衡力和位移是否收斂。本文洞周關(guān)鍵點(diǎn)的位移沒有出現(xiàn)突變，計(jì)算中力和位移都達(dá)到收斂，且除洞頂和上游洞肩部位需要加強(qiáng)支護(hù) （設(shè)置更長(zhǎng)的錨桿穿過塑性區(qū)）外，可以認(rèn)為地震作用下該洞室的動(dòng)力穩(wěn)定性基本可以保證。

4 結(jié)語(yǔ)

圖4 主廠房洞室關(guān)鍵點(diǎn)的橫向地震反應(yīng)時(shí)程曲線

地下洞室群的地震反應(yīng)數(shù)值仿真是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的課題。在進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)須適當(dāng)?shù)乜紤]工程地質(zhì)條件、初始條件、施工支護(hù)過程和巖體材料的非線性。在對(duì)FLAC3D二次開發(fā)的基礎(chǔ)上，本文通過某抽水蓄能電站地下洞室群非線性地震反應(yīng)的仿真分析，認(rèn)為對(duì)于巖石地下洞室工程，圍巖的地震反應(yīng)屬低頻震動(dòng)，且同一斷面內(nèi)沿高程主廠房洞室?guī)r壁各點(diǎn)的位移地震反應(yīng)波形基本相似，相位差別非常小。速度和加速度反應(yīng)具有類似的規(guī)律，且其波形與輸入波形基本相符，只是幅值稍有放大。

本文采用的工程設(shè)計(jì)地震加速度代表值 （0.05 g）較低，盡管震后洞周巖體恢復(fù)為彈性，地震作用并未嚴(yán)重?cái)U(kuò)大和加劇洞周圍巖的塑性區(qū)分布范圍，但對(duì)于我國(guó)西部高烈度頻發(fā)強(qiáng)震區(qū)，強(qiáng)地震作用對(duì)大型地下廠房洞室群的圍巖穩(wěn)定性影響不容忽視。

［1］ 陶連金，張倬元，傅小敏，等.在地震載荷作用下的節(jié)理巖體地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1998，9（1）:33-41.

［2］ 金峰，王光綸，賈偉偉.離散元-邊界元?jiǎng)恿︸詈夏Ｐ驮诘叵陆Y(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中的應(yīng)用［J］.水利學(xué)報(bào)， 2001（2）:26-30.

［3］ 李海波，馬行東，邵蔚，等.地震波參數(shù)對(duì)地下巖體洞室位移特性的影響分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2005， 24（A01）:4627-4634.

［4］ 隋斌，朱維申，李曉靜.地震荷載作用下大型地下洞室群的動(dòng)態(tài)響應(yīng)模擬［J］.巖土工程學(xué)報(bào)， 2008， 30（12）:1877-1882.

［5］ 李小軍，盧滔.水電站地下廠房洞室群地震反應(yīng)顯式有限元分析［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)， 2009， 28（5）:41-46.

［6］ 王如賓，徐衛(wèi)亞，石崇，等.高地震烈度區(qū)巖體地下洞室動(dòng)力響應(yīng)分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2009， 28（30）:568-575.

［7］ 左雙英，肖明.映秀灣水電站大型地下洞室群三維非線性損傷地震響應(yīng)數(shù)值分析［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)， 2009， 30（3）:721-728.

［8］ 崔臻，盛謙，劉加進(jìn)，等.基于小波包的地下洞室群地震響應(yīng)及其頻譜特性研究［J］.巖土力學(xué)， 2010， 12（31）:3901-3906.

［9］ 張運(yùn)良，馬艷晶，韓濤.大型水電站地下洞室群三維地震反應(yīng)時(shí)域分析［J］.水力發(fā)電， 2010， 36（5）:27-30.

［10］ 鄭穎人，肖強(qiáng)，葉海林，等.地震隧洞穩(wěn)定性分析探討［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2010， 29（6）:1081-1088.

［11］ 張國(guó)強(qiáng).水電站地下廠房洞室群施工數(shù)值模擬［D］.大連：大連理工大學(xué)，2007.