有限差分软件FLAC3D研究地下洞室群地震损伤演化规律

　　引言震害调查表明，对于地下洞室群而言，在地震作用下，其直接的破坏现象是洞室围岩产生宏观的裂缝、片帮和冒落坍塌等现象。在数值计算中，可以体现洞室破坏程度的是洞室塑性区或者损伤区的大小，且塑性区的工程意义在于反映了开挖完成后的开挖损伤区。

　　近十几年来，尤其是2008年汶川地震发生后，大型地下洞室群的抗震分析和研究工作开始受到重视。宋林等和边金等选用实测地震波进行幅值修正作为强地震动输入，研究了地铁车站的地震响应特征。

　　赵宝友等以某水电站地下厂房洞室结构为例，进行了二维动力时程非线性数值计算，分析了地下结构的动力损伤的特点。李海波等研究了地震荷载作用下地下岩体洞室位移特征的影响因素。李小军等采用有限元空间离散模型，结合动力方程求解的显式差分方法、局部透射人工边界和接触力模型，对溪洛渡地下洞室群进行了地震响应分析。王如宾等利用动力时程分析法对金沙江两家人水电站地下厂房进行了地震响应分析。

　　本文利用有限差分软件FLAC3D研究了西部高山峡谷中某大型地下洞室群在地震作用下的损伤演化规律和分布特征，旨在为地下洞室群抗震设计提供一些依据和建议。

　　1、工程概况

　　某大型水电站位于大渡河中游上段四川省雅安市石棉县境内，坝区两岸山体雄厚，谷坡陡峻，基岩裸露，自然坡度一般40°～65°，相对高差一般在600m以上。该电站装机容量为2600MW，地下洞室群由主厂房、主变室、尾水调压室三大地下洞室及母线洞、尾水连接洞等组成，主厂房、副厂房、主变室和尾水调压室平行布置。主厂房开挖尺寸为206．00m长，30．80m宽，73．78m高;主变室开挖尺寸为144．00m长，18．80m宽，25．10m高;尾水调压室净跨度为20．50m～24．00m，130．00m长，75．08m高。

　　该水电站地下厂房区基岩以灰白色、微红色黑云二长花岗岩为主，具中粒结构，厂区岩体新鲜较完整，呈块状－次块状结构，岩块嵌合紧密。地下厂房区主要为Ⅱ、Ⅲ类围岩，洞室围岩基本稳定，局部稳定性差。工程场地处于不同方向活动断裂的交汇区附近，断裂构造发育，地震活动频繁，地震基本烈度为8度，50a超越概率3%的水平峰值加速度为4．043m/s2。

　　2、计算模型

　　地下厂房区以Ⅱ类围岩为主，夹杂有Ⅲ类围岩和辉绿岩脉。在动力计算中，如果按这些地质特征进行建模，则会使局部网格划分过小，导致计算时间成本急剧增加。基于地下厂房区岩体新鲜较完整的岩体特征，考虑到动力计算时间成本和计算结果的准确性，将模型可以看做均质、弹塑性Ⅱ类围岩介质，结合工程经验，将其取值适当弱化，计算时围岩的力学参数取值如表1所示。

　　该水电站地下厂房洞室群规模庞大而复杂，如果对所有地下洞室群进行细致的模拟，即便是开展静力分析，计算成本也十分高昂，对于持时几十秒的地震动力响应分析将更加费时。因此，必须对计算模型进行合理简化。通过比较分析，在数值模拟中只考虑该水电站的三个大型地下厂房，即主厂房、主变室和尾水调压室。为了满足地震波传播问题的数值稳定性条件，取单元最大尺寸为15m。建模时，取水平向右为X轴正向，竖直向上为Z轴正向，沿洞室轴线方向为Y轴。计算范围由主变室中心起左右各取300m，上下自主变室底板各取210m，Y轴长度共200m长。模型共划分单元54026个，节点59685个。初始地应力考虑到自重应力和构造应力，将洞室群上方200m以上至地表的岩体计算出重量作为外荷载施加在上边界上，地应力侧压力系数取，kx=0.5，ky=1.2，按初始地应力随深度线性增加的方式施加到单元上去。生成后的地下洞室群数值模型如图1所示。

　　根据岩体力学特性，本文采用Mohr－Coulomb模型作为岩体本构关系。采用自由场边界吸收来自模型内部的入射波。由于局部阻尼与频率无关，和岩土体介质阻尼性质吻合，无需对频率进行估计，应用简单，且局部阻尼计算速度比瑞利阻尼快约几十倍，因此本文采用局部阻尼。对岩土类材料，阻尼比一般在2%～5%范围内，本文取阻尼比为0．05，局部阻尼系数αL=0.1571。

　　根据地壳构造和固体介质波折射规律，在地震响应分析中通常认为地震波到达地壳表层时入射方向垂直于地表。同时考虑到地震波的剪切作用对于地下洞室破坏作用最大，将入射地震波设置为水平向振动的剪切波。选用1995年发生在日本阪神(Kobe)的地震记录作为输入地震波(简称为Kobe地震波)，其峰值加速度按相应比例进行调整。地震波在模型底部竖直向上输入，为剪切波，输入的地震波峰值加速度为4．043m/s2。经过基线校正和高频滤波，Kobe地震波的时程曲线和傅里叶谱如图2和3所示。

　　3、计算结果与分析

　　根据输入地震动加速度由弱变强再变弱的变化过程，选取0s、3．385s、4．388s、4．781s、5．228s和7．116s几个时刻，分析围岩损伤区演化规律和分布特征。不同时刻的围岩损伤区大小和分布特征见图4－图9。由图中可以看出，随着加速度由弱变强，主厂房和尾调室的边墙中部损伤区向深处扩展。在4．781s时刻，主变室和尾调室之间产生了贯通的损伤区。损伤区主要分布在主厂房和尾调室的边墙和顶拱处，以及主变室的边墙和底板处。

　　如图4和5所示，在第0s和3．385s时刻，主厂房围岩损伤区面积为778m2，主变室围岩损伤区面积为236m2，尾调室围岩损伤区面积为735m2，洞室围岩损伤区面积共计1749m2;如图6所示，在第4．388s时刻，主厂房围岩损伤区面积为1101m2，主变室围岩损伤区面积为445m2，尾调室围岩损伤区面积为1091m2，洞室围岩损伤区面积共计2637m2;如图7所示，在第4．781s时刻，主厂房围岩损伤区面积为1435m2，主变室围岩损伤区面积为1003m2，尾调室围岩损伤区面积为1636m2，洞室围岩损伤区面积共计4074m2，可以看出，主变室和尾调室岩柱在本时刻出现了损伤区贯通的情况;如图8所示，在第5．228s时刻，主厂房围岩损伤区面积为1508m2，主变室围岩损伤区面积为1074m2，尾调室围岩损伤区面积为1712m2，洞室围岩损伤区面积共计4294m2;如图9所示，在第7．116s至地震结束时刻，主厂房围岩损伤区面积为1574m2，主变室围岩损伤区面积为1074m2，尾调室围岩损伤区面积为1730m2，洞室围岩损伤区面积共计4378m2。

　　图10绘制出了围岩损伤区面积随地震作用时间的变化曲线。结合图2和图10可以看出，随着输入加速度强度增加，损伤区面积逐步扩展，在输入地震动强度达到最大值时，损伤区面积也很快达到最大面积，其后损伤区面积就一直保持不变。

　　4、结论

　　本文选用日本Kobe地震波作为实际地震动输入，通过基线校正和高频滤波，利用FLAC3D软件对某大型地下洞室群进行了地震作用下的损伤演化规律和分布特征研究。数值分析结果表明:

　　(1)随着加速度由弱变强，主厂房和尾调室的边墙中部损伤区向深处扩展。损伤区主要分布在主厂房和尾调室的边墙和顶拱处，以及主变室的边墙和底板处。

　　(2)随着输入加速度强度增加，损伤区面积逐步扩展，在输入地震动强度达到最大值时，损伤区面积也很快达到最大面积，其后损伤区面积就一直保持不变。

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